纤维混杂增强水泥基复合材料的研究.pdf

同济大学混凝土材料研究国家重点实验室

博士学位论文

不同几何尺寸纤维混杂增强水泥基复合材料的研究

姓名：王成启

申请学位级别：博士

专业：材料学

指导教师：吴科如

20030901
摘要同济大学博士学位论文随着现代工程结构向大跨度，高耸、重载方向发展，高强混凝土已得到广泛应用。水泥基复合材料的固有的弱点是脆性大，随着水泥基复合材料的强度的提高，水泥基复合材料的固有的弱点更加突出．采用纤维与水泥基材料复合是改善水泥基复合材料的性能和制备高性能水泥基复合材料的有效途径．纤维增强水泥基复合材料增强机理的研究是实现这一途径的理论基础．目前，纤维增强水泥基复合材料的增强理论主要有：纤维间距理论、复合力学理论和多缝开裂理论。本文对这三种理论进行了讨论与分析，指出了三种理论均存在一定的局限性．纤维增强水泥基复合材料的增强理论还需要不断完善与发展．由于水泥基复合材料具有多层次结构特点，而用于增强水泥基复合材料的纤维也具有多尺度的特点，因而，本文提出了从不同层次结构的水泥基复合材料与不同几何尺寸纤维增强作用的匹配关系的角度来探讨纤维增强水泥基复合材料的增强理论的新思路．本文选用了碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同尺寸的纤维，分别研究它们在不同结构层次的水泥基复合材料(净浆、砂浆、混凝土)中的增强作用，查明了不同几何尺寸纤维与其对水泥基复合材料不同层次结构增强作用效果之间的关系。在此基础上，对不同几何尺寸的纤维在水泥基复合材料的不同层次结构上的混杂增强效应进行了试验与分析．探索开发高性能水泥基纤维增强复合材料的新途径．目的在于为纤维增强水泥基复合材料的优化设计提供一定理论基础．研究了碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维对净浆基体增强作用效果。测试了不同水胶比的不同几何尺寸纤维净浆的力学性能，研究表明了净浆基体组成对不同几何尺寸纤维净浆的力学性能产生重要影响．从不同几何尺寸纤维净浆力学性能，声发射，荷载与挠度曲线几个方面，系统比较了三种不同几何尺寸纤维对净浆的增强作用．发现了纤维直径在净浆中的增强作用具有显著差异，具有纤维增强尺寸效应．根据断裂力学理论，证磺了不同凡何尺寸纤维在净浆中的增强尺寸效应，并研究了不同几何尺寸纤维净浆的长期力学性能，表明了净浆基体强度的变化会导致超细纤维碳纤维净浆的长期力学性能下降。研究了碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维对砂浆基体增强作用效果．试验研究了碳纤维、微细钢纤维，普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维砂浆的力学性能，并与三种不同几何尺寸纤维净浆的力学性能进行比较．研究表明了细骨料的含量对不同几何尺寸纤维砂浆的纤维增强作用效果有明显影响．着重研究了砂胶比对不同几何尺寸的纤维对砂浆的增强作用的影响，发现了砂胶比的变化对不同几何尺寸纤维的增强作用具有不同的作用效果．随着砂胶比的增加，碳纤维与微细钢纤维
研究了碳纤维，微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维对混凝土的增强作用不断减小，而普通钢纤维的增强作用不断增加。实验发现砂浆中也存在纤维增强的尺寸效应．采用断裂表面能理论，探讨并分析了该几何尺寸效应的机理．基体增强作用效果。测定了不同骨料粒径的不同几何尺寸纤维混凝土的力学性能，这些参数包括劈拉强度(fl。)、断裂韧性(1【。。)、断裂能(G，)．发现了不同几何尺寸的纤维的增强作用与骨料粒径问具有一定的对应关系。骨料粒径对碳纤维的增强作用没有显著的影响，但对微细钢纤维和普通钢纤维的增强作用产生一定的影响。研究了水胶比对不同几何尺寸纤维混凝土的力学性能的影响，结果表明了在混凝土基体中它们的增强作用对水胶比的变化具有不同的敏感性．对不同几何尺寸纤维混凝土的劈拉强度、抗弯性能进行了系统的比较与分析，表明了纤维的几何尺寸对混凝土的增强作用有重要影响。分析了不同几何尺寸纤维混凝土的荷载与挠度曲线和声发射特性，发现了不同直径的纤维对混凝土的裂前与裂后具有不同的增强、增韧作用。随着纤维直径的不断减小，纤维对混凝土的裂前增强作用不断增加．表明了在混凝土申也存在显著的纤维增强尺寸效应。比较并分析了不同几何尺寸纤维混凝土的断裂特性，并根据纤维桥接应力理论，推导出纤维混凝土申纤维的脱粘能与拔出能公式，验证7在混在研究碳纤维、微细钢纤维、普通钢纤维三种不同几何尺寸纤维在净浆、砂浆、混凝土中的增强作用效果的基础上，研究了它们在净浆、砂浆、混凝土中的混杂增强效应．发现了在净浆层次中宜采用尺度较小的单一纤维增强，而在砂浆和混凝土中不同几何尺寸的纤维具有一定的混杂增强效应．探讨并分析了不同几何尺寸的纤维混杂增强作用的机理，并提出了纤维几何混杂增强水泥基复合材料的概念．这为开发高性能水泥基复合材料提供了一条有效途径．最后，建立了几何混杂纤维混凝土的物理模型，模型与试验结果相一致。关键词：几何尺寸，碳纤维，微