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《东华大学》 2010年 博士论文
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改性聚丙烯纤维混凝土的工程性能研究

刘卫东  
【摘要】:本论文首先阐述了在混凝土工程中应用纤维以及开发研制新型合成纤维的必要性,总结了聚丙烯(PP)纤维混凝土的相关基础研究以及添加聚丙烯纤维的作用和优点,介绍了改性聚丙烯纤维在工程领域中的应用情况及其发展趋势,以及合成纤维工程应用发展状况和市场预测,简述了目前国内外改性纤维混凝土工程应用的最新进展以及纤维混凝土增强理论,为研制和开发改性纤维及其工程应用功能,解释改性纤维在混凝土工程应用中性能改善的机理提供参考依据 论文通过在PP切片中加入添加剂,结合异型纺丝技术,研制出两种聚丙烯纤维即改性聚丙烯纤维和刚性聚丙烯纤维;描述了纤维在混凝土中所起到的关键作用和选用原则,并对改性聚丙烯纤维及纤维水泥进行了老化试验研究。论文探讨了纤维单丝拔出的力学模型,进行了改性PP纤维从混凝土基体中拔出试验,并分别研究了埋入长度、水灰比、龄期等因素对拔出强度的影响;分析探讨了纤维拔出理论依据及其破坏细观机理。 针对路面混凝土的性能要求,论文重点对改性聚丙烯纤维混凝土进行了耐磨损及抗冲击试验,讨论了掺入改性聚丙烯纤维对混凝土抗冲击、耐磨损性能的影响;分析了改性聚丙烯纤维混凝土抗冲击性能,研究了龄期和纤维掺量对纤维混凝土材料耐磨性能的影响,探讨了纤维混凝土耐磨损机理;进行了纤维混凝土磨损表面的形态学分析,发现改性聚丙烯纤维混凝土具有优良的抗冲击、耐磨损性能,为聚丙烯纤维混凝土性能研究提供了参考依据。 论文介绍了对改性聚丙烯纤维混凝土水工特性进行的室内试验研究情况,分析了其抗冲刷、抗渗透、抗冻融性能的细观机理。工程实践表明:改性聚丙烯纤维混凝土具有良好的抗冲耐磨能力、抗裂防渗及抗冻融破坏性能,采用改性聚丙烯纤维混凝土施工技术能够充分发挥纤维的工程效益。论文对改性聚丙烯纤维混凝土材料改性机理方面的研究和探索,对于纤维混凝土技术的推广和发展,提高混凝土的耐久性,解决冻土地区公路水泥路面的抗冻性和水害等问题具有实际应用价值。 论文介绍了国外学术界混凝土韧性测试的几种标准和计算方法,并说明了各种标准的特点;对刚性聚丙烯纤维混凝土的弯曲韧性进行了试验研究,分析了纤维的掺入对混凝土强度和韧性的影响,研究了刚性聚丙烯纤维对混凝土弯曲韧性的改善,以及纤维体积掺量、形状、弹性模量等对混凝土弯曲韧性的影响,并与改性聚丙烯纤维混凝土进行了对比试验研究,可供纤维混凝土韧性试验研究及推广应用刚性聚丙烯纤维混凝土的相关工程设计借鉴。 论文提出了采用刚性聚丙烯纤维来提高、改善透水混凝土的强度和耐久性,这既解决了钢纤维容易锈蚀而导致强度下降的缺点,又克服了柔性聚丙烯纤维使多孔混凝土透水功能减弱、对混凝土收缩变形限制不利的问题,还增强了透水混凝土抗压、抗弯强度,且有利于混凝土基体透水功能的提高。本文着重研究了不同纤维、添加物硅粉和聚合物、不同配合比设计等因素以及施工方法和搅拌工艺,对刚性聚丙烯纤维增强透水混凝土主要性能的影响,在此研究的基础上提出了对垂直立体绿化混凝土技术的应用研究探讨,并全面分析了透水混凝土技术体系的研究与应用前景,为今后的深入研究与应用提供了参考 论文通过混凝土快速冻融循环试验,研究了冻融循环对纤维混凝土材料损伤特性的影响规律,分析了纤维混凝土冻融损伤破坏的细观机理,结合细观损伤力学的方法建立了纤维混凝土冻融损伤本构模型。利用超声波法对混凝土试件进行损伤参量的测试。研究分析和测试计算显示:纤维混凝土冻融损伤模型计算值与实测值基本吻合,本构模型预测的混凝土损伤特性符合试件实际冻融破坏情况,超声损伤参量的变化能够较好地反映纤维混凝土冻融损伤规律。聚丙烯纤维能够有效抑制混凝土的冻融损伤劣化程度,在一定强度范围内,改性聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时混凝土抗冻性最佳 通过实验研究和理论分析以及工程实践,在改性聚丙烯纤维和纤维混凝土的工程应用性能及其理论机理方面得到以下结论: 1.关于聚丙烯纤维的研究:(a)多微孔改性PP纤维的掺入到混凝土中可有效地改善混凝土的早期收缩性能和提高混凝土抗压、抗弯强度,改性纤维可用于增强道路混凝土和水工混凝土。(b)成功地研制成适用于混凝土增韧的刚性聚丙烯纤维,可用于增强透水混凝土和需要增韧的混凝土。 2.关于聚丙烯纤维的拔出强度:(a)纤维的拔出强度随埋入长度的增加而增大,纤维的优选长度宜在9-13mm之间。(b)混凝土基体水灰比在0.28-0.44之间变化时,纤维的拔出强度基本保持不变。(c)纤维经过改性处理后可以提高纤维的拔出强度,这是由于经表面处理后,纤维表面粗糙程度的增大,有利于与混凝土基体间的界面粘结,故纤维拔出强度得到提高。(d)纤维的拔出强度随龄期的增加而增大,这是因为混凝土基体的强度随龄期的增加而增加,而且随着水泥水化的不断进行,界面处产生的水泥水化产物有助于纤维与基体的粘结,因此纤维的拔出强度显著提高。 3.关于聚丙烯纤维混凝土的抗冲击耐磨损性能:混凝土的强度是决定其耐磨性的主要因素,从聚丙烯纤维混凝土不同龄期所表现出不同强度的耐磨状况可以看出,本研究所用表面改性的Ⅱ型聚丙烯纤维性能较好,它与水泥基体有较强粘结力,磨损过程中纤维从水泥基体中脱离需要消耗足够的能量,从而提高混凝土材料的耐磨损性能及抗冲击性能。总之,聚丙烯纤维的掺入使混凝土取得显著的增韧和阻裂效应,纤维不仅抑制了混凝土裂缝的引发和扩展,而且保证了混凝土基体内部的连续性和整体性,使得聚丙烯纤维混凝土即能抗冲击破坏又具有良好的耐磨损性能。 4.关于聚丙烯纤维混凝土的水工特性:以聚丙烯纤维混凝土作为水工混凝土工程材料,能够达到抗裂防渗、抗高速水流冲刷、抵抗冻融剥蚀破坏的目的,该项研究为水工混凝土建筑物的修补和防护工程提供可借鉴的试验数据和参考资料。因此,聚丙烯纤维混凝土可应用于有抗冻融以及抗冲刷、抗渗透要求的工程中,使混凝土建筑物充分发挥工程效益。 5.关于聚丙烯纤维混凝土的弯曲韧性:刚性聚丙烯纤维混凝土具有更加良好的韧性,纤维掺入混凝土中可使其弯曲韧性明显提高,纤维体积掺量的增大,混凝土的韧性和延性随之增加,而且混凝土应变范围较大,对抗压强度影响不大。与普通混凝土相比,刚性聚丙烯纤维混凝土的弯曲韧性提高96%,抗弯强度提高38%。这种弹性模量的刚性纤维即可作为非结构性补强材料来控制塑性收缩裂缝,也可在设计时考虑其作为结构性补强材料改善构件延性和承载力。在工程应用方面刚性聚丙烯纤维价格低廉,与基体的粘结力强,将其应用于喷射混凝土工程中,纤维分散均匀,混凝土回弹率降低,可使混凝土的力学性能及施工性能得到很大的改善。 6.关于纤维增强透水混凝土技术:采用刚性聚丙烯纤维来提高透水混凝土材料的强度和耐久性,既解决了钢纤维容易锈蚀而导致的强度下降的缺点,又克服了柔性聚丙烯纤维弹性模量较低使多孔混凝土透水功能减弱、对混凝土干缩变形限制不利的问题,还增强了透水混凝土的抗压、抗弯强度,且有利于混凝土基体透水功能的提高,其研究成果有利于推动透水混凝土技术的发展,尤其是以这种透水基体为研究基础的垂直立体绿化混凝土技术体系的试验研究具有实用价值。 7.关于聚丙烯纤维混凝土的冻融损伤模型:所建立的纤维混凝土冻融损伤模型计算值与实测值基本吻合,应用该模型预测的混凝土损伤特性与测试试件冻融破坏情况相符,可以用超声法来直接检测混凝土结构抵抗冻融破坏的状况,超声损伤参量的变化能够较好地反映纤维混凝土冻融损伤规律。聚丙烯纤维掺量为0.9kg/m3时,纤维混凝土的抗冻融性能最佳,混凝土的冻融损伤度最小,预期达到的冻融次数最大。聚丙烯纤维可使混凝土的拉应力显著提高,在一定范围内纤维掺量越大,混凝土抗拉强度增加越大,改性聚丙烯纤维能够有效抑制因冻融循环而引起的混凝土裂纹的形成、扩展及其冻融损伤劣化程度。


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