应变硬化水泥基复合材料配合比设计及性能优化

作     者：姚丽萍 

作者单位：湖北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张运华

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：SHCC 颗粒级配 配合比设计 应变硬化性能 性能优化 

摘      要：水泥基复合材料是最重要的建筑材料之一,具有强度高、成本低等突出优势,但其应用于基础设施建设时抗拉强度低、抗变形能力弱、脆性大的缺点也十分突出。因此,如何提高水泥基复合材料的延性,提高其抗变形能力,增强其安全性能和耐久性能,始终是本技术领域关注的难点与热点问题。根据微观力学、断裂力学和统计学基本原理设计的应变硬化水泥基复合材料(SHCC)在拉伸和剪切荷载下呈现很高的延性,最大拉伸应变达到3%。SHCC在国外也得到了广泛的应用如美国、日本和欧洲等,显示出广泛的应用前景。而SHCC采用的普通细骨料级配单一,配制的SHCC性能不稳定,以及进口PVA纤维成本过高,限制了SHCC在我国的推广应用。论文针对以上问题研究了SHCC基体中细骨料的用量与级配对基体工作性能的影响规律,探讨了细骨料级配与用量对SHCC应变硬化性能的影响规律;提出了基于细骨料级配与用量的SHCC配合比设计方法,比较了不同PVA纤维对SHCC不同龄期力学性能的影响,得到以下结论:(1)随着细石英粉掺量(0%-40%)的增加,SHCC基体扩展度依次降低,综合考虑基体的流动性与粘聚性,细石英粉最佳掺量为10%;随着粗石英粉掺量(0%-27%)的增加,SHCC基体扩展度依次降低,综合考虑基体的流动性与粘聚性,粗石英粉最佳掺量为9%;(2)随着细骨料用量(砂胶比)的增加,基体最佳工作性能条件下水胶比依次增加,砂胶比用量由0.36增加至0.84时,最佳用水量由0.32增加至0.41。SHCC拉伸应变随着砂胶比的增加而先增加后降低,当砂胶比为0.60时,SHCC拉伸应变达到最大值。SHCC最优配合比为:水泥:粉煤灰:细骨料:水:减水剂:PVA纤维=1:2:0.6:0.355:0.0036:2vol%。(3)随着养护龄期由7d增加至90d,三种PVA纤维制备的SHCC应变硬化性能先增加后降低,56d和90d龄期应变硬化性能下降幅度较大,且K-SHCC的应变硬化性能优于CW-SHCC和WW-SHCC的应变硬化性能。(4)随着甲基硅油掺量的增加(0-4%),SHCC极限拉伸应变提高,开裂裂缝条数增加,残余裂缝宽度降低,SHCC应变硬化现象变得显著;而极限拉伸应力降低,抗折强度与抗压强度降低,SHCC力学性能降低;SHCC基体抗折与抗压强度降低而断裂韧性提高,同时纤维的分散系数增加;甲基硅油的加入,提高了SHCC基体的韧性与纤维的分散均匀性,改善了纤维/基体界面性能,提高了SHCC延性,但同时也减低了SHCC的强度。当综合考虑延性与强度时,甲基硅油最佳掺量为2%。