椰子纤维磷酸镁水泥断裂性能研究

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磷酸镁水泥(Magnesium Phosphate Cement,简称MPC)具有快凝早强、体积稳定性好及耐久性优异等特点,在快速修补加固领域具有广泛的应用潜力。然而,磷酸镁水泥自身脆性大、易开裂的问题限制了其应用范围。课题组通过前期基础力学性能研究[1-3]发现掺入椰子纤维(Coir fiber,简称CF)这种天然植物纤维可以改善MPC脆性大易开裂的缺点。然而,为保证CF-MPC在实际工程中的合理应用,避免材料由于微观缺陷在循环往复荷载作用下发展成的宏观裂缝,不能仅局限于传统强度试验及理论。因此如何保证CF-MPC在服役期间处于稳定状态而不发生裂缝失稳扩展具有重要的工程价值。本文通过宏观力学试验,研究CF-MPC界面粘结性能及断裂性能的影响并结合微观测试探明纤维作用机理。主要内容如下:(1)通过纤维轴向拉拔试验研究不同预处理方式(水域浸泡温度及水域浸泡时间)对CF力学性能(抗拉强度、应力-应变曲线、弹性模量及断裂伸长率)的影响。研究结果发现,经过预处理后的CF抗拉强度和弹性模量均随着水域浸泡温度及浸泡时间的增加均呈现先上升后下降的趋势,然而经过预处理后CF的断裂伸长率随着水域浸泡温度及浸泡时间的增加均呈现出不同程度的降低。此外,结合了微观测试手段(SEM、EDS等)进一步从微观层面上定量分析并阐明了各影响因素下CF的化学组分变化对CF自身力学性能的影响机制。(2)通过纤维单丝拉拔试验研究不同预处理方式(水域浸泡温度和水域浸泡时间)及纤维埋置长度对CF-MPC界面粘结性能(界面粘结承载力、拉拔荷载-位移曲线及界面破坏能量)的影响,发现CF-MPC界面粘结承载力随着水域浸泡温度的增加呈现上升趋势,但是水域浸泡时间的变化对CF-MPC界面粘结承载力影响并不明显;此外发现当纤维埋置长度超过10mm后,埋置长度的变化对界面粘结承载力影响不大,但是,CF-MPC界面破坏能量却纤维埋置长度的增加呈现上升趋势;CF-MPC界面破坏能量随着浸泡温度的增加呈现先上升后下降的趋势,但是浸泡时间的变化对CF-MPC界面破坏能量的影响并不明显。此外,通过微观测试手段研究了不同预处理方式下CF表面微观形貌,进一步从微观层面上定量分析了各影响因素下CF表面微观形貌对界面粘结性能的影响机制及作用机理。最后通过斯皮尔曼相关系数分析了浸泡温度、浸泡时间及埋置长度对界面粘结承载力的相关性,进一步通过SPSS等计算分析软件建立了CF-MPC界面粘结承载力计算模型。(3)通过缺口梁三点弯曲试验研究不同纤维体积掺量及长度对CF-MPC断裂性能的影响。结果表明,当纤维长度较短时,CF-MPC断裂承载力随着纤维体积掺量的增加呈现出明显的上升趋势,然而过长的纤维掺入使得CF-MPC的断裂承载力在体积掺量超过3%后呈现下降的趋势;从断裂能上看,CF-MPC的断裂能随着纤维体积掺量及纤维长度的增加而增加;同时还发现,CF-MPC试件的起始断裂韧度的变化规律呈现出与CF-MPC断裂承载力相似的变化趋势,其中纤维长度为20mm掺量为4%时试件的起始断裂韧度达到最大,然而过长纤维(25mm和30mm)的掺入使得CF-MPC试件的起始断裂韧度在纤维体积掺量达到3%之后呈现出下降的趋势;CF-MPC的失稳断裂韧度及纤维桥联韧度随着纤维体积掺量及纤维长度的增加均呈现上升趋势。最后通过斯皮尔曼相关系数分析了纤维体积掺量及纤维长度同断裂能及断裂韧度增益比的相关性,并且进一步通过SPSS等计算分析软件建立了CF-MPC断裂能及断裂韧度增益比计算模型。
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