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短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料的力学性能研究

胡海涛  
【摘要】:本文选用短切芳纶纤维作为水泥基复合材料的增强材料,通过二步法制备了短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料,研究了其在准静态和高应变率下的力学性能。准静态下主要研究了外加剂、纤维长度和掺量对试样力学性能的影响,同时考虑到纤维与水泥基材的界面粘结比较差,对芳纶纤维表面进行低温等离子体技术改性处理,研究了不同处理功率和处理时间对芳纶纤维和短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料力学性能的影响;高应变率下利用分离式霍普金森压杆装置研究了短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料的动态力学性能,纤维掺量和应变率对试样的动态力学性能的影响也做了初步研究。 短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料准静态力学性能的研究表明:羧甲基纤维素钠的加入能够有效地促进纤维在水中的分散,进而促进其在水泥砂浆中的分散;硅微粉的加入能够填塞或细化水泥基体中的大空隙,提高试样的密实度,二者都能进一步提高试样的压缩强度;当使用短纤维增强水泥砂浆时,纤维太短或太长都不能有效的提高试样的弯曲强度,当纤维长度为5~8mm时,试样的弯曲强度相对最大,提高了近20%;纤维掺量对水泥砂浆试样的力学性能影响很大,当纤维掺量增加到5vol%时,试样的弯曲强度从2.6MPa增加到8.3MPa,压缩强度也从29.5MPa增加到54.3MPa;继续提高纤维掺量,试样的弯曲强度不再随纤维掺量的增加而增加,而压缩强度反而下降,综合考虑试样的弯曲和压缩性能,纤维掺量取5vol%最佳。为改善芳纶纤维与水泥砂浆基体的界面粘结,本文对芳纶纤维表面进行了低温等离子体处理,处理功率选择50~150W,处理时间选择5~25min。结果表明:低温等离子体处理能够有效地改善芳纶纤维的表面形貌,增强纤维与水泥基体的界面粘结。当处理功率为100W,处理时间20min时,纤维的表面处理效果相对较好,既能有效改善纤维的表面形貌,同时纤维本身的拉伸强度下降也不是很严重;掺入一定量的经低温等离子体处理后的芳纶纤维能够进一步提高水泥砂浆试样的弯曲强度,当处理功率为100W时,试样的弯曲强度从8.3MPa提高到了10.5MPa,提高了26.4%;当处理时间为20min时,试样的弯曲强度从8.3MPa增加到9.7MPa,提高了近17%;继续提高处理功率和延长处理时间,试样的弯曲强度反而下降。 本文利用φ14.5mm分离式霍普金森压杆装置研究了短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料在高应变率下的动态力学性能,应变率选择了900~1800s-1。结果表明:水泥砂浆是一种应变率敏感材料,试样的动态压缩强度和破坏应变能密度随着应变率的升高明显提高,应力-应变曲线呈现由硬化向软化过度的趋势;当纤维掺量为3vol%时,短切芳纶纤维增强水泥砂浆复合材料的增强效果最好;增强效应随着应变率的增加而降低,增韧效应随着纤维掺量和应变率的增加而提高;应变率对纤维增强水泥砂浆复合材料动态压缩应力-应变曲线的上升段影响较小,而对下降段影响比较显著,随着应变率的升高,下降段逐渐变缓,试样的破坏应变能密度增加,增韧效果也明显提高。


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