干湿循环下铁尾矿碳纤维水泥基材料压敏及力学性能研究

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碳纤维水泥基材料(Carbon Fiber Cement-Based Materials,CCM)具有独特的压敏性能,合理集成后可用于结构的实时健康监测。目前,国内外学者对这种材料的耐久性以及如何提高其压敏性能的研究相对较少。为此,本文以合理掺量的铁尾矿取代部分天然砂,制备了新型的铁尾矿碳纤维水泥基材料(Iron Tailings Carbon Fiber CementBased Materials,ICCM),并通过试验与分析,研究了铁尾矿取代率对其压敏性能和力学性能的影响,同时研究了这种材料在干湿循环下的耐久性。主要研究工作和结果如下:(1)采用0.2%、0.4%和0.6%等不同掺量的碳纤维和15%、30%和45%等不同的铁尾矿取代率,制备了26组共78个CCM和ICCM试块,通过力学性能试验与分析,研究了不同工况下上述材料的主要力学性能。结果表明,不同工况下ICCM的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度等比CCM的均有所提高。当碳纤维掺量为0.4%且铁尾矿取代率为30%时,ICCM的抗压强度和劈裂抗拉强度与CCM的相比,分别提高了13.2%和10.6%。(2)通过可实时量测材料应力-电阻率变化率的电极法,进行了13组共39个试块的试验,研究了不同碳纤维掺量、不同铁尾矿取代率等对CCM和ICCM压敏性能的影响,采用应力(σ)-电阻率变化率(FCR)曲线和平均应力敏感系数()等,反映材料压敏性能变化的一般规律和敏感性。结果表明,随着碳纤维掺量和铁尾矿取代率的增加,材料平均应力敏感系数均呈先增大后减小的趋势,并当碳纤维掺量为0.4%且铁尾矿取代率为30%时,材料的平均应力敏感系数较大,与CCM相比,其值提高了约87.4%。(3)采用上述不同掺量碳纤维和不同取代率铁尾矿制备了234组共702个CCM和ICCM试块,通过在一般大气环境和硫酸盐环境下进行长期干湿循环试验。结果表明,在一般大气环境下和硫酸盐溶液-干湿循环环境下,在90次干湿循环后,硫酸盐环境下的ICCM相比于一般大气环境下,质量损失率增大370%,相对动弹性模量减小18.1%,抗压耐蚀系数降低10.3%,平均应力敏感系数下降11.8%。(4)通过核磁共振试验以及SEM扫描试验,研究了不同碳纤维掺量、不同铁尾矿取代率、不同干湿循环周期等对CCM和ICCM微观结构的影响。结果表明,0.4%的碳纤维掺量能够在材料受压/拉时一同承受荷载,抑制裂缝的发展,30%铁尾矿取代率能够优化级配提高材料的密实度。随着干湿循环周期的增加,在硫酸盐环境下,ICCM微观结构孔隙中的水泥产物先被SO42-反应生成膨胀结晶填充密实,随着硫酸盐腐蚀继续,腐蚀产物增多使材料内部产生裂缝,为硫酸根离子进入试件内部提供新通道,材料内部腐蚀情况加剧,宏观表现为材料表层砂浆以及边缘疏松开裂甚至脱落,导致各个性能指标下降,解释了ICCM受硫酸盐侵蚀破坏机理。
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