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《湖南大学》 2018年
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织物增强水泥基复合材料力学行为的试验研究

刘赛  
【摘要】:织物增强水泥基复合材料(Textile Reinforced Concrete,TRC)是借助现代先进纺织技术将纤维编织成不同形式的纤维编织网复合到水泥基体中。TRC复合材料本身的耐久性,强度、自重等性能相比于传统的混凝土材料较优。TRC复合材料在结构工程及桥梁工程实际应用中优势尤为突出,纤维织物代替了钢筋,在一定程度上使得其水泥基材料的耐久性得到进一步提升。也正因为如此,TRC复合材料中织物层的保护层厚度可以非常薄,在一定程度上节约了水泥基基体材料使用,大大减少了结构体的自重,基于以上的优势和良好的耐久性能,织物增强水泥基复合材料得到广泛的应用。当今时代的快速发展,绿色新型建筑材料不断涌现,其中水泥材料是大众化、不可缺少的,水泥材料在现场的湿作用中,必然会对现场环境造成不良影响。根据最新国务院出台的十三五规划战略,快速实现国家可持续发展战略,使得新型建筑材料不断的发展与进步,TRC复合材料综合来看具有如下明显优势:低碳、环保、节能,满足现代社会可持续发展的战略需求。为了进一步推动织物增强混凝土这一具有轻质、高强、良好耐久性及良好增强和控裂等特性材料的研究工作及其在土木结构工程中的实际应用,本文介绍了国内外有关TRC水泥基材料的研究进展和应用领域。TRC水泥基复合材料作为绿色建材具有很大的发展潜力,制备简易成本低廉,灵活的可控设计性,其在绿色建材改性上可明显增加基体韧性,抗冲击性能。本文在国内外研究综述的基础上,主要是通过织物增强的水泥复合材料其拉伸试验,拔出试验,弯曲试验和横向冲击试验,研究变量包括:不同纤维织物类型、不同短切纤维体积掺量(Vol.%)、不同加载速率(Static~4.5m/s)、环境条件(-50°C~100°C)和织物的提前预拉力情况来研究TRC水泥基复合材料其力学性能影响。结果表明:在TRC复合材料基体中加入的织物层数为六层时,相比与四层织物,其TRC复合材料试样的拉伸性能较好,弯曲性能参数和横向抗冲击性能参数也同样有明显的提升。织物增强水泥基复合材料力学性能的拉伸测试时,静态拉伸过程采用数字图片处理技术(Digitial Image Correlation,DIC),DIC图像分析得到拉伸试样裂缝发展的定性、定量关系。另外,相比于耐碱玻璃纤维织物增强TRC复合材料试样的力学性能,玄武岩纤维织物对基体的增强、增韧明显,其力学性能有明显的提升趋势。动静态三点弯曲测试中,随着加载初始应变率水平不断增大,TRC弯曲试样的弯曲强度和能量吸收有明显提升。动态冲击速度1.0~4.5m/s范围内时,当冲击速度不断的增大,TRC复合材料试样的弯曲强度及韧性有明显的增大趋势。另外,弯曲荷载作用下TRC复合材料试样的破坏形貌完整性好,具有明显的抗冲击性能。TRC拉伸试样测试结果表明,TRC拉伸试样存在明显的拉伸应变硬化现象,并且在拉伸的过程中不断出现微裂纹,呈现多裂纹分布破坏形态。拉伸试样的标距为100mm,综合测试试样来分析,在标距100mm内平均出现五条裂缝。纤维织物从基体中被拔出时,玄武岩织物和耐碱玻纤织物对比可得,耐碱玻璃纤维拔出力明显不及玄武岩纤维拔出力水平,主要由于耐碱玻璃纤维本身的拉伸强度较低,从破坏形态来看,两种纤维拔出破坏差别较大。在静态拔出条件下,玄武岩纤维的最大拔出力-变形曲线较平滑,但是动态测试时,玄武岩纤维的动态拔出力-变形曲线波动更为明显。通过对TRC复合材料试样的拉伸测试,弯曲试验,拔出测试和冲击测试得到其各种试验下的强度性能,并进行Weibull损伤累计分析,其结果能够较好的服从累积损伤概率函数的分布。整体上来看,TRC复合材料试样对于温度较为敏感。温度测试范围(-50°C~100°C)内,随着温度的不断的升高,温度在织物增强水泥基复合材料的力学性能变化中起到一定的消弱作用,其原因在于温度的提升损伤了TRC复合材料的界面粘结性能。TRC复合材料的界面性能的低温敏感性较明显,当试样温度处于低温状态(-50°C)时,其拔出力和初始拔出力相比于较高温时要大很多。当温度在-25到50°C区间内变化时,温度环境的不断升高,最大拔出力呈现了降低的趋势,同样的弯曲强度和最大的横向冲击力有类似的降低趋势,温度的升高在一定程度上对织物增强水泥基复合材料的界面产生影响,界面性能的损伤在宏观力学性能上呈现出了其力学性能降低的趋势。当测试环境温度不断升高时,冲击速度不变的前提下,TRC复合材料试样的力学性能都出现了不同程度的下降,且较高的温度点时,往往对TRC复合材料的力学性能影响较大,此种情况下纤维束与基体间的界面出现了不同程度的脱粘。需要指出的是,弯曲时某些温度点时,玄武岩纤维试样的强度出现了先降低再升高的现象,在玄武岩纤维织物增强TRC复合材料试样时,弯曲强度出现了两个波动点,且四层和六层增强TRC复合材料试样波动点吻合,表明具有较好的温度稳定性,其中温度点50°C时为玄武岩织物增强TRC复合材料弯曲试样的较敏感点。但是,弯曲荷载作用下时,耐碱玻纤织物增强TRC复合材料试样其弯曲强度指标呈现出随温度的提升单调递减,且可较好的采用指数函数拟合趋势。在TRC复合材料横向冲击试验中(0.77~4.62 m/s),当测试条件为低温环境时,耐碱玻璃纤维织物增强水泥复合材料的最大冲击力存在较大波动。低温条件使得水泥基体内部微孔洞被冰充满,另外由于其基体内部本身缺陷的不同,造成了纤维织物增强水泥基复合材料不同的损伤状态。尤其是低温时,当动态拔出速度在1.0~4.0 m/s下,不同温度条件的变化(-25~50°C)对于拔出性能影响较为明显,得到了不同温度条件下拔出性能变化规律。不同温度下,动态条件时TRC的界面强度一定的提高,拔出力学性能存在温度敏感性。弯曲力学性能,抗冲击力学性能,静动态对比分析结果表明,其相关力学性能同样存在温度敏感性,但是温度对于峰值弯曲应变的影响不显著。冲击力学性能参数统计中,不同温度下,随着冲击速度的变化,TRC试样的最大冲击力和能量吸收变化明显。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TU528

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