表面改性鋼纖維水泥基材料力學(xué)性能研究
發(fā)布時(shí)間：2021-01-18 06:12
鋼纖維具有彈性模量高、強(qiáng)度高、延性好等優(yōu)點(diǎn),在UHPC中摻加鋼纖維是提高其韌性的有效方法。但鋼纖維—基體界面粘結(jié)強(qiáng)度較小,不足以充分發(fā)揮鋼纖維的增強(qiáng)增韌效能。為此,本文研究了界面性能的提高方法以及界面粘結(jié)性能對(duì)UHPC宏觀力學(xué)性能的影響特性。主要內(nèi)容如下:首先,研究了鋼纖維表面改性方法、表面改性鋼纖維摻量、硅灰摻量對(duì)UHPC抗折性能的影響;提出了UHPC抗折荷載—位移曲線數(shù)學(xué)模型,該模型與試驗(yàn)曲線吻合較好。并結(jié)合復(fù)合材料理論,建立了UHPC抗折強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型;研究了UHPC單軸受拉與受彎時(shí),發(fā)生應(yīng)變硬化,鋼纖維—基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、基體抗拉強(qiáng)度、鋼纖維長(zhǎng)徑比與鋼纖維摻量之間的關(guān)系。結(jié)果表明:實(shí)現(xiàn)應(yīng)變硬化的臨界纖維摻量與纖維長(zhǎng)徑比成反比。其次,考慮鋼纖維拔出時(shí)的緩沖效應(yīng)與基體剝落效應(yīng)的影響,推導(dǎo)了鋼纖維橋聯(lián)應(yīng)力與理論裂縫間距的計(jì)算公式。結(jié)果表明:纖維長(zhǎng)徑比不變時(shí),纖維摻量增加,理論裂縫間距下降,鋼纖維摻量越少,τf/σmu對(duì)理論裂縫間距的影響越大,當(dāng)τf/σmu＞3.5時(shí),τf/σ<...
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁(yè)數(shù)】：78 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的橋接基體裂紋示意圖[4]
?緱嬲辰崆慷群腿托躍??ㄎ菩透窒宋??倍。但是，當(dāng)纖維的直徑非常小時(shí)，變形纖維的剛度及其所能達(dá)到的錨固效果降低。有研究研究表明，機(jī)械錨固性能為直徑的指數(shù)函數(shù);隨著纖維直徑的減小，其機(jī)械錨固性能呈指數(shù)級(jí)下降。另外變形纖維法并沒有改善纖維周圍的弱界面過渡區(qū)[15]。而且在UHPC基體中，纖維過度變形會(huì)使得基體材料在纖維拔出過程中發(fā)生損傷和大幅度剝落，且纖維會(huì)被拔斷[16]。Zhang等[17]研究表明：端鉤纖維在疲勞荷載作用下彈性滑移會(huì)增加，加入變形鋼纖維的UHPC試件橋聯(lián)應(yīng)力衰減的比直鋼纖維更加顯著。圖1-2典型的鋼纖維拔出曲線張立輝等[18]通過使用磷酸鋅對(duì)鋼纖維進(jìn)行改性，使其表面變得粗糙，以此來提高界面摩擦耗能。單根纖維拔出試驗(yàn)結(jié)果顯示，與未改性鋼纖維相比，磷酸鋅改性鋼纖維從UHPC基體中拔出的最大力、界面剪切強(qiáng)度和拔出耗能依次增大了45.47%、45.23%和49.37%。在改性鋼纖維摻量為2%時(shí)，相較未改性鋼纖維UHPC的極限抗拉強(qiáng)度和軸拉韌性比分別提高了11.5%、10.4%。但是，鋼纖維表面粗糙度的增加只是提高了纖維拔出過程中的機(jī)械摩阻力，對(duì)于界面過渡區(qū)的改善效果并不明顯。Lu等[19]通過對(duì)碳纖維進(jìn)行改性，使碳纖維表面生成了一層納米SiO2，通過Nano-SiO2與水泥水化產(chǎn)生的CH晶體反應(yīng)生成C-S-H凝膠，顯著的提高了碳
哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位畢業(yè)論文-5-纖維—基體界面強(qiáng)度，減小了界面過渡區(qū)的厚度。此反應(yīng)為一體積膨脹反應(yīng)，不僅可以提高鋼纖維與基體之間的化學(xué)鍵合力，改善界面過渡區(qū)，還能起到類似于“自攻螺絲”的錨固效果。Pi等[20]利用同樣的原理對(duì)不銹鋼纖維進(jìn)行改性，使鋼纖維表面生成一層致密的Nano-SiO2，表層納米顆粒與CH的反應(yīng)顯著提高了微觀結(jié)構(gòu)的致密性，3天、7天和28天改性鋼纖維與基體之間的界面粘接強(qiáng)度分別提高了78.9%、81.4%、77.5%，拔出能分別提高了60.5%、62.2%、67.4%，顯著的改善了界面的力學(xué)性能。(a)普通鋼纖維(b)表面改性鋼纖維圖1-3普通鋼纖維與表面改性鋼纖維微觀形貌[20](a)普通鋼纖維(b)表面改性鋼纖維圖1-4普通鋼纖維與表面改性鋼纖維拔出后微觀形貌[20]由于鋼纖維—基體界面性能差，使得UHPC在受荷載作用下難以產(chǎn)生類似于摻加PVA等柔性纖維的混凝土多裂縫開裂的特征，纖維拔出過程中其強(qiáng)度利用率低。目前研究者們主要從兩個(gè)方面對(duì)提高纖維—基體界面性能進(jìn)行研究：一種是通過提高基體密實(shí)度來增強(qiáng)界面密實(shí)度，增大纖維在拔出過程中的摩阻力；另一種是對(duì)纖維進(jìn)行改性，通過改變其端部或整體形狀、提高界面粗糙度或者納米改性使纖維表面附著一層具有火山灰活性的納米材料來提高纖維在拔出過程中的耗能能力。
本文編號(hào)：2984435
【文章來源】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)黑龍江省 211工程院校 985工程院校
【文章頁(yè)數(shù)】：78 頁(yè)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的橋接基體裂紋示意圖[4]
?緱嬲辰崆慷群腿托躍??ㄎ菩透窒宋??倍。但是，當(dāng)纖維的直徑非常小時(shí)，變形纖維的剛度及其所能達(dá)到的錨固效果降低。有研究研究表明，機(jī)械錨固性能為直徑的指數(shù)函數(shù);隨著纖維直徑的減小，其機(jī)械錨固性能呈指數(shù)級(jí)下降。另外變形纖維法并沒有改善纖維周圍的弱界面過渡區(qū)[15]。而且在UHPC基體中，纖維過度變形會(huì)使得基體材料在纖維拔出過程中發(fā)生損傷和大幅度剝落，且纖維會(huì)被拔斷[16]。Zhang等[17]研究表明：端鉤纖維在疲勞荷載作用下彈性滑移會(huì)增加，加入變形鋼纖維的UHPC試件橋聯(lián)應(yīng)力衰減的比直鋼纖維更加顯著。圖1-2典型的鋼纖維拔出曲線張立輝等[18]通過使用磷酸鋅對(duì)鋼纖維進(jìn)行改性，使其表面變得粗糙，以此來提高界面摩擦耗能。單根纖維拔出試驗(yàn)結(jié)果顯示，與未改性鋼纖維相比，磷酸鋅改性鋼纖維從UHPC基體中拔出的最大力、界面剪切強(qiáng)度和拔出耗能依次增大了45.47%、45.23%和49.37%。在改性鋼纖維摻量為2%時(shí)，相較未改性鋼纖維UHPC的極限抗拉強(qiáng)度和軸拉韌性比分別提高了11.5%、10.4%。但是，鋼纖維表面粗糙度的增加只是提高了纖維拔出過程中的機(jī)械摩阻力，對(duì)于界面過渡區(qū)的改善效果并不明顯。Lu等[19]通過對(duì)碳纖維進(jìn)行改性，使碳纖維表面生成了一層納米SiO2，通過Nano-SiO2與水泥水化產(chǎn)生的CH晶體反應(yīng)生成C-S-H凝膠，顯著的提高了碳
哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位畢業(yè)論文-5-纖維—基體界面強(qiáng)度，減小了界面過渡區(qū)的厚度。此反應(yīng)為一體積膨脹反應(yīng)，不僅可以提高鋼纖維與基體之間的化學(xué)鍵合力，改善界面過渡區(qū)，還能起到類似于“自攻螺絲”的錨固效果。Pi等[20]利用同樣的原理對(duì)不銹鋼纖維進(jìn)行改性，使鋼纖維表面生成一層致密的Nano-SiO2，表層納米顆粒與CH的反應(yīng)顯著提高了微觀結(jié)構(gòu)的致密性，3天、7天和28天改性鋼纖維與基體之間的界面粘接強(qiáng)度分別提高了78.9%、81.4%、77.5%，拔出能分別提高了60.5%、62.2%、67.4%，顯著的改善了界面的力學(xué)性能。(a)普通鋼纖維(b)表面改性鋼纖維圖1-3普通鋼纖維與表面改性鋼纖維微觀形貌[20](a)普通鋼纖維(b)表面改性鋼纖維圖1-4普通鋼纖維與表面改性鋼纖維拔出后微觀形貌[20]由于鋼纖維—基體界面性能差，使得UHPC在受荷載作用下難以產(chǎn)生類似于摻加PVA等柔性纖維的混凝土多裂縫開裂的特征，纖維拔出過程中其強(qiáng)度利用率低。目前研究者們主要從兩個(gè)方面對(duì)提高纖維—基體界面性能進(jìn)行研究：一種是通過提高基體密實(shí)度來增強(qiáng)界面密實(shí)度，增大纖維在拔出過程中的摩阻力；另一種是對(duì)纖維進(jìn)行改性，通過改變其端部或整體形狀、提高界面粗糙度或者納米改性使纖維表面附著一層具有火山灰活性的納米材料來提高纖維在拔出過程中的耗能能力。
本文編號(hào)：2984435
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