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《东华大学》 2010年
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黄麻纤维用于混凝土增强的研究

于湖生  
【摘要】:水泥混凝土是近代最广泛使用的建筑材料,一直为工程界所青睐。但混凝土的脆性等自身缺陷也限制了它的应用范围和效果。在混凝土中掺入纤维能够从微细观机制上改善材料的性能,提高混凝土的抗拉强度、韧性及抗裂性等性能。对于高强高模即高性能纤维混凝土和某些合成纤维混凝土已有较多的研究,而天然植物纤维增强混凝土无论是在理论还是在工程应用方面的研究和比较成熟的成果还非常少见。随着国际上对环保纤维重视程度的日益提高,利用天然植物纤维增强混凝土有着非常广阔的发展前景。 本文首次选用了黄麻纤维(落麻)作为混凝土的增强材料,研究了黄麻纤维对混凝土增强(抗裂)的细观机理及细观机理和宏观特性之间的关系。建立了黄麻纤维混凝土的纤维桥联应力分析和预测纤维混凝土的单拉曲线的细观力学模型,运用该模型预测了黄麻纤维混凝土单拉试件的应力—位移全曲线。 首先研究了黄麻纤维的基本性能和黄麻纤维混凝土的抗裂性能。分析了黄麻纤维改善混凝土抗裂性的细观机理以及纤维混凝土的细观结构对其抗裂性的影响。研究表明黄麻纤维的性状有利于改善纤维混凝土的抗裂性能,掺入黄麻纤维的砂浆与素砂浆相比其平均开裂指数降低了82.1%,抗裂性能明显改善,其效果取决于纤维的性状,同时也取决于纤维砂浆的细观结构特征,具有一定的规律性,即纤维模量高的纤维砂浆的开裂指数显著低于纤维模量低的纤维砂浆的开裂指数;纤维体积含量高的抗裂效果明显好于纤维含量低的;其它条件相同,纤维细度变细,其抗裂效果也随之明显改善,而纤维长度变长,其抗裂效果变差。根据建立的纤维阻裂力学模型,利用ANSYS软件,采用了有限元分析方法计算并总结了纤维的性状,纤维砂浆的细观结构特征对基体抗裂性能的影响规律,其结果与上述试验结果规律一致,说明利用ANSYS软件,建立相关的有限元模型对纤维砂浆的抗裂机制进行分析不失为一种有效的方法。又从界面力学角度研究了纤维与混凝土基体之间的粘结性能以及纤维的表面性质对混凝土抗裂性能的影响,通过对黄麻纤维和聚丙烯纤维的轴向拉拔曲线适当处理得到了两种纤维局部粘结和局部滑移曲线,建立了四线性和三线性两种纤维的简化粘结本构模型,较好的模拟了纤维从混凝土中的拔出过程。 其次对黄麻纤维混凝土的劈裂拉伸性能进行了研究。掺入黄麻纤维的砂浆与素砂浆相比其劈拉强度有10%-15%的提高。黄麻纤维砂浆本身各个方向的劈拉强度无显著差异,即黄麻纤维砂浆的力学性质是各向同性的。说明基于本文试验方法黄麻纤维在砂浆中是三维随机分布的。而纤维的性状和纤维砂浆的细观结构对劈拉强度的影响规律与其对纤维砂浆抗裂性能的影响规律相同。 然后基于自行设计的纤维拉拔实验,通过对几组黄麻纤维轴向和斜向拔出试验曲线的理论假设和数学简化,建立了砂浆中黄麻纤维三维随机分布的细观拉拔模型,通过该模型预测的黄麻纤维混凝土单拉应力-位移理论曲线与试验曲线基本相符,说明该模型是可行的。对其它相似类型的纤维可以采用同样方法从理论上预测该纤维混凝土的单拉曲线。 最后总结了本文的研究成果。对黄麻纤维混凝土相关性能的继续研究作了展望。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TU528.572

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