與水泥混凝土相比,乳化瀝青-水泥混凝土模強(qiáng)比適中、塑性較好,且節(jié)能環(huán)保方便施工,能更好的適應(yīng)大壩、鋼橋面鋪裝等變形較大的服役環(huán)境,但仍存在抗彎拉強(qiáng)度與抗裂性不足,亟待改善提高。本文提出摻加PVA纖維的思路,提升其抗彎拉強(qiáng)度與抗裂性能,平衡強(qiáng)度、塑性與抗裂性的關(guān)系。本文首先在材料設(shè)計(jì)理論分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),確定一組材料實(shí)驗(yàn)室配合比,制備出PVA纖維增強(qiáng)的乳化瀝青-水泥混凝土,其中纖維含量為0.7kg/m~3,并對其進(jìn)行彈模、強(qiáng)度、界面斷裂能等基本性能參數(shù)測試。通過壓汞試驗(yàn)(密度、孔徑大小、分布、孔隙率)、掃描電鏡(水泥水化產(chǎn)物、纖維幾何形貌、分布)和能譜分析(化學(xué)元素)等進(jìn)行微細(xì)觀材料表征。其次,應(yīng)用多尺度復(fù)合材料研究思路,基于二維圖像數(shù)字化和雙線性粘聚帶本構(gòu)關(guān)系,在集料-聯(lián)結(jié)料和聯(lián)結(jié)料-聯(lián)結(jié)料界面插入二維零厚度粘聚界面單元,建立了細(xì)觀有限元斷裂模型,進(jìn)行單軸拉伸斷裂和三點(diǎn)彎曲梁動態(tài)開裂模擬分析,探討PVA纖維對材料斷裂能的影響。研究表明,纖維增強(qiáng)乳化瀝青-水泥混凝土在細(xì)觀尺度由集料、纖維-瀝青水泥膠漿和孔隙構(gòu)成。PVA纖維對材料孔隙率影響不大,但能提高孔隙尺寸的均勻性,增強(qiáng)孔隙填充和細(xì)化作用,從而在一定程度上改善材料的微觀結(jié)構(gòu)。纖維與乳化瀝青、水泥、集料之間無化學(xué)反應(yīng),不會形成新的化學(xué)產(chǎn)物。小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)證明,PVA纖維能夠顯著提高混合料的宏觀抗彎拉強(qiáng)度(提升幅度一倍左右)和斷裂能(提升幅度超過50%),但對抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響很小(提升幅度3%左右)。細(xì)觀斷裂分析結(jié)果顯示,集料和聯(lián)結(jié)料界面為材料薄弱相,斷裂多從界面處開始擴(kuò)展。PVA纖維可以有效提升混合料的抗拉強(qiáng)度,延遲預(yù)設(shè)裂紋的擴(kuò)展。細(xì)觀數(shù)值模擬的臨界斷裂荷載和對應(yīng)跨中位移略小于試驗(yàn)值,而抗拉強(qiáng)度差別不明顯。斷裂能的數(shù)值模擬值略大于試驗(yàn)值。細(xì)觀斷裂分析與宏觀試驗(yàn)結(jié)果比較吻合,說明二維細(xì)觀斷裂模型能較為準(zhǔn)確地模擬宏觀試驗(yàn)過程。通過以上研究,證明了纖維增強(qiáng)乳化瀝青-水泥混凝土具有較好的抗裂效果,可為完善該類復(fù)合材料的綜合性能提供理論參考,具有重要的潛在應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U444
【部分圖文】：

凝土類材料的服役性能提出了更為嚴(yán)苛的要求，要求其抗彎拉強(qiáng)度和抗裂性能較好，盡量避免脆性破壞。因此，國內(nèi)外學(xué)者提出將乳化瀝青摻入到水泥與集料中，并添加具有特定功能的外加劑組合攪拌，經(jīng)過水泥水化硬化和瀝青破乳膠結(jié)兩個(gè)過程，形成乳化瀝青-水泥混凝土（EmulsifiedAsphalt Cement Concrete，簡稱 EACC）這種新型的有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料。它是一種新型的半剛性材料，在配比設(shè)計(jì)合理的條件下，這種材料具有較好的剛度、強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性和耐久性。此外由于這種材料采用冷拌工藝，可以降低能耗，因此對其性能進(jìn)行深入研究具有很大的工程應(yīng)用價(jià)值。該材料電鏡掃描的細(xì)觀幾何形貌如圖 1-1 所示。然而，現(xiàn)有的乳化瀝青-水泥混凝土還存在著一些不足，如抗疲勞性能差、界面粘結(jié)強(qiáng)度差、抗裂性和耐久性有待提高等，因此本課題通過在乳化瀝青-水泥混凝土中摻加纖維以改善其性能。

圖 1-2 水泥乳化瀝青混凝土二維實(shí)測形貌根據(jù)國內(nèi)外針對水泥乳化瀝青混合料的現(xiàn)有研究成果，可以總結(jié)出其優(yōu)點(diǎn)如下：乳化瀝青破乳過程增加的水分能夠提供給混合料的凝結(jié)硬化之用；施工工藝節(jié)能環(huán)保；水泥的加入加快材料固化；具有較強(qiáng)的抵抗水損害能力和穩(wěn)定度；有較高的彈性模量，溫度敏感性低，抵抗永久變形的性能大大提高。同時(shí)，這種材料還存在一些不足，如抗疲勞性能差，瀝青和聯(lián)結(jié)料之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度差，雖然可以通過添加快硬性水泥來提高早期強(qiáng)度，但是其抗彎拉性能和耐久性依舊有待提高。研究表明[42]在乳化瀝青水泥膠漿中添加適量的纖維有利于提升混合料砂漿的勻質(zhì)性、抗壓強(qiáng)度、抗凍性能和耐久性能。以此類推，為了提高乳化瀝青-水泥混凝土的抗裂性和耐久性能，也可以在混合料中添加纖維達(dá)到增強(qiáng)的效果。在建筑工程材料中添加纖維常常能夠改善材料的耐久性能，具體體現(xiàn)在：①提高材料的抗?jié)B性；②提高材料的抗凍性；③增強(qiáng)材料的抗裂性；④改善材料的疲勞性能。向新拌狀態(tài)下的混合料中添加高彈模纖維可以提高其自身的抗拉強(qiáng)度和斷

供粘聚斷裂能、粘結(jié)強(qiáng)度等分析參數(shù)，通過運(yùn)用二維零厚度粘聚界面單元嵌入算法進(jìn)行有限元細(xì)觀斷裂模擬，從而得到三點(diǎn)彎曲梁開裂過程動靜態(tài)過程和單軸拉伸斷裂過程，并探討纖維相關(guān)的材料參數(shù)對材料斷裂性能的影響。

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本文編號：2829817