PE纤维/沙漠砂工程水泥基复合材料制备及基本力学性能研究

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高延性水泥基复合材料(Engineered cementitious composites,简称ECC)由于克服了普通混凝土抗拉强度低、延性差等不足,成为土木工程领域主要的研究方向之一。作为制备传统ECC不可或缺的主要原材料—石英砂,资源紧缺,且价格偏高,用河砂替代一定程度上缓解了石英砂短缺的局面。但近年来,随着国家河砂资源开采政策的变化,河砂也出现了供不应求、价格逐年递增的现象,这严重制约了ECC的理论研究和工程应用。因此,基于地方资源的ECC制备与性能研究逐渐成为学者关注的焦点。本文从基体材料配比、纤维长度和掺量、骨料类别与养护制度等方面,系统进行了基于地方沙漠砂、粉煤灰资源的聚乙烯(PE)纤维-全沙漠砂高延性水泥基复合材料(简称为PE-DSECC)的制备与基本力学性能研究。研究成果不仅丰富了ECC的相关理论,而且对基于地方资源制备ECC具有积极的指导和参考意义。本文主要的研究内容和结果如下:(1)研究了基体材料对PE-DSECC性能的影响。以粉煤灰掺量、沙漠砂掺量和硅粉掺量为因素变量,以材料流动度和抗压、抗折以及单轴拉伸性能为指标,进行了基体材料配比优化研究。结果表明:粉煤灰的掺入会削弱PE-DSECC的抗压性能,但当粉煤灰掺量为2.0时,材料的抗折性能以及单轴拉伸性能最优,当其掺量为3.0时,材料的流动度最大;沙漠砂掺量的增大不利于PEDSECC流动度的改善,但对材料基本力学性能的发展有利,当沙漠砂掺量为1.55时,材料的单轴拉伸性能最好;掺入硅粉会降低PE-DSECC的流动度,但当硅粉掺量为0.4时,材料的抗压、抗折强度以及单轴拉伸性能最佳。(2)研究了纤维特征参数对PE-DSECC性能的影响。以纤维长度、掺量为因素变量,进行了PE-DSECC宏观性能和微观结构研究。结果表明:增加纤维长度和掺量,材料的工作性能变差;纤维掺入基体中能明显提升材料的力学性能,但三种不同长度的纤维,基于最佳力学性能所需的纤维掺量是不一样的。当掺入长度为18mm的掺量为1.5%的纤维时,PE-DSECC力学性能最优,其纤维端部较为完整,纤维表面刮痕较浅。(3)研究了骨料类别对PE-ECC性能的影响。以原状、水洗沙漠砂以及河砂和石英砂为变量,从宏观性能和微观结构两方面分析了PE-ECC的性能。结果表明:利用原状沙漠砂制备的ECC与其余三种砂制备的ECC性能相比,抗压强度和单轴极限拉应变最优,其余力学性能稍差;纤维端部和表面受到破坏最小,骨料与基体接触较好,水化程度接近其余三种ECC,但其孔结构较差。(4)研究了养护制度对PE-DSECC性能的影响。以养护方式和养护龄期为变量,采用宏观力学性能和微观结构为分析指标,研究了不同养护制度下材料性能的差异机理。结果表明:综合抗压、抗折等基本力学性能,90℃水浴养护最佳,其基体中的纤维拔出长度最长,水化程度最优,无害孔所占比例最大。随养护龄期的增长,材料火山灰反应速率明显加快。
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