钢纤维连续梯度分布对水泥基材料性能的影响

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水泥基材料中的钢纤维可有效抑制裂缝扩展,其阻裂效果直接体现在劈裂及弯曲等强度的提升上,而且材料受力过程中塑形特征明显,在强度提升的同时,其破坏形态也得到改善。材料力学性能的提升源于钢纤维的增强阻裂作用,因此,钢纤维的含量和空间分布是决定材料的力学性能关键。此外,掺入纤维会不可避免地影响材料基体内部结构,纤维含量和空间分布的改变都可能造成微观形貌和孔隙结构发生变化,进而影响材料力学和耐久性能。本文借助CT成像和定量表征、SEM和MIP技术,研究振捣作用下,不同纤维掺量和振捣时间的钢纤维砂浆基体内部纤维空间分布变化,探究其对材料力学行为、耐久性能及微观结构的影响,研究内容和主要结果如下:(1)水泥砂浆力学性能与纤维含量呈正相关。相同振捣时间下,随着纤维含量增大至2%,试件抗压、劈裂和弯曲强度提升率分别为35.75%、92.36%和231.59%,弯曲及裂后性能的提升效果明显。就振捣时间而言,随振捣延长,相比未过振捣试件,过振捣试件劈裂强度下降率可达10%,而弯曲强度和弯曲韧性指数提升率则达到15%以上,荷载-挠度曲线也愈发饱满,过振捣试件的弯曲及裂后性能提升巨大,而且经比较发现,低含量试件经振捣后,其强度能达到甚至超过含量更高,但振捣时间更短的试件。(2)材料耐久性能因振捣而改善,过振捣试件吸水率明显下降。振捣作用引发基体内组分迁移,纤维密度和孔隙结构在垂直方向上发生变化,进而形成耐久性能差异,试块下部吸水性能优于上部。(3)在振捣作用下,砂浆试件基体内的钢纤维在垂直方向上形成连续梯度分布。纤维的梯度分布现象受振捣时间和纤维含量影响,振捣时间越长,现象越明显,但随着纤维掺量增大,纤维的运移受自身限制,高掺量试件中纤维的梯度分布现象不如低含量试件明显。在振捣效果明显的试件中,基体顶部与底部的纤维体积分数差异可达20%,其底部纤维体积分数最高可达25%以上。(4)振捣作用引发了试件基体内钢纤维的定向偏转,纤维在振捣和边界作用等因素的影响下,逐渐朝试件长轴方向偏转,与开裂面垂直。纤维方向分布变化同样受纤维含量影响,现象随纤维含量增大而衰减。(5)振捣作用有效降低了基体孔隙率,细化了孔径分布,使基体微观结构更加致密,改善了基体内部包括界面过渡区的微观形貌和性能。振捣时间越长,孔隙结构优化程度越高。
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