混凝土帆布制備技術(shù)與性能研究.pdf

1、在自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭等緊急情況發(fā)生時，人類需要依靠臨時帳篷作為庇護所，而現(xiàn)有臨時帳篷多為帆布搭建而成，安全性能低，無法像混凝土建筑一樣提供安全、有效的保護。本文從復(fù)合材料設(shè)計思想出發(fā)，將三維間隔織物與水泥材料進行復(fù)合，制備出一種凝結(jié)時間小于2.5小時，10天抗壓強度超過40MPa、抗折強度超過5MPa，10天彈性模量大于1.6GPa，并且防水、防火的新型復(fù)合材料——三維間隔織物增強水泥基復(fù)合材料布(3DSpacerFabricReinfor

2、cedCementitiousComposites，3DSFRC，簡稱混凝土帆布，ConcreteCanvas，CC)?；炷练嫉某尚褪┕ぬ攸c是預(yù)先將水泥粉體填充到三維織物中，再對織物表面進行封裝處理，使得水泥粉體不會漏出，待使用時直接將混凝土帆布覆蓋或包裹在結(jié)構(gòu)或物體表面，然后在三維織物表面澆水，水泥粉體與水發(fā)生水化反應(yīng)，數(shù)小時內(nèi)混凝土帆布硬化成堅固的建筑構(gòu)件。
　　針對上述性能要求，本文從以下三個方面開展了研究工作:(1)適

3、用于混凝土帆布體系的高強無機基體開發(fā);主要研究了各種水泥砂漿、凈漿基體及其改性方法、高強硫鋁酸鹽水泥熟料摻石膏對混凝土帆布的力學(xué)性能的影響;(2)研究三維間隔織物的幾何格局對混凝土帆布抗壓、抗折強度的影響，并嘗試從復(fù)合材料理論的角度闡述其機理;(3)混凝土帆布應(yīng)用性能研究，主要包括長期存儲方法、混凝土帆布干燥收縮性能以及加水量和環(huán)境溫濕度對混凝土帆布性能的影響。具體情況如下:
　　(1)無機基體開發(fā):本文首先在三維間隔織物的纖維種

4、類和幾何格局保持不變的條件下，采用五種水泥砂漿基體進行混凝土帆布性能探索，結(jié)果表明砂漿基體制備的混凝土帆布加水前容重約為1450kg/m3，10天正面、側(cè)面抗壓強度和抗折強度分別約為18MPa、30MPa和4MPa左右，而傳統(tǒng)加水?dāng)嚢璩尚偷幕w10天抗壓強度達到50MPa，同齡期的混凝土帆布樣品正面抗壓強度只有傳統(tǒng)攪拌成型基體樣品的36％～40％。而單純的水泥凈漿基體制備的混凝土帆布強度有大幅提升，其中625CAC和725CSA水泥凈漿

5、制備的混凝土帆布10天正面抗壓強度分別達到了29MPa和35MPa，與砂漿基體制備的混凝土帆布相比提升幅度達到45％和75％。
　　在水泥砂漿基體和單純凈漿基體制備的混凝土帆布強度水平不高的情況下，本文嘗試采用水泥凈漿基體改性進行混凝土帆布的制備，探索了三種凈漿粉體的改性方法，分別是:(1)摻混合材改性;(2)摻膨脹劑改性;(3)三元水泥復(fù)合改性。研究結(jié)果表明，水泥凈漿改性沒有大幅提升混凝土帆布的力學(xué)性能。
　　總體而言，采

6、用常規(guī)標(biāo)號的水泥(625CAC、725CSA)凈漿基體制備的混凝土帆布力學(xué)性能不能達到性能目標(biāo)。因此，本文采用825高強硫鋁酸鹽水泥熟料摻石膏（硬石膏、半水石膏、二水石膏）作為水泥基體制備混凝土帆布，研究了石膏種類及摻量對硫鋁酸鹽水泥熟料制備的混凝土帆布力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，825CSA水泥熟料在摻20％～30％硬石膏、30％半水石膏的情況下，所制備的混凝土帆布性能優(yōu)異，10天正面抗壓強度達到40MPa左右。同時，本文從微觀層面研究

7、了石膏種類及摻量對825CSA水泥熟料水化放熱特性及水化產(chǎn)物的影響，揭示了825CSA水泥熟料摻石膏改性對混凝土帆布體系的增強機理。結(jié)果表明，隨著硬石膏摻量和細度的增加，825CSA水泥熟料的水化放熱速率越快，且硬石膏摻量越大，825CSA水泥熟料的水化放熱總量越大;同時，隨著石膏摻量的逐漸增加，825CSA水泥熟料的水化產(chǎn)物主要由單硫型硫鋁酸鈣(C3A·C(S)·12H，即AFm)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殁}礬石(C3A·3C(S)·32H，即AFt

8、)。
　　(2)織物幾何格局對混凝土帆布性能的影響:在高強水泥基體開發(fā)取得了一定的成果基礎(chǔ)之上，本文進行了適用于混凝土帆布的三維間隔織物研究。探究了三維織物幾何格局對混凝土帆布力學(xué)性能的影響，本文在選定一種水泥材料條件下，采用了五種幾何格局(15mm-Ⅰ、15mm-Ⅱ、15mm-Ⅲ、15mm-Ⅳ、20mm)的三維織物來制備混凝土帆布，研究了不同幾何格局對混凝土帆布的抗壓、抗折強度的影響;抗壓和抗折強度試驗結(jié)果表明，15mm-Ⅰ制備

9、的混凝土帆布強度較高;混凝土帆布試件側(cè)面抗壓強度高于正面抗壓強度，主要是因為三維織物中間樁紗纖維整體上呈豎直方向分布，混凝土帆布試件正面受力時，纖維在基體橫向變形方向上的有效纖維長度為cos(π/2-π/6)，而側(cè)面受力時，纖維在橫向變形方向的有效長度則為cos(π/6)，從而造成側(cè)面與正面力學(xué)性能的差異。
　　(3)混凝土帆布的應(yīng)用性能開展了研究:主要涉及混凝土帆布長期存儲方法及存儲性能研究、混凝土帆布收縮變形研究、加水量及環(huán)境

10、溫濕度對混凝土帆布力學(xué)性能的影響。1）混凝土帆布長期存儲方法研究采用了四種封存材料(PE-Ⅰ、PE-Ⅱ、鋁箔-Ⅰ、鋁箔-Ⅱ)對混凝土帆布進行封存，分別存儲3、6、9、12個月，測試存儲后的混凝土帆布力學(xué)性能（目前只有3、6個月的數(shù)據(jù)），結(jié)果顯示存儲3個月后，除鋁箔-Ⅱ型存儲的混凝土帆布力學(xué)性能有15％的降低，其余三種材料存儲的混凝土帆布力學(xué)性能基本不變;存儲6個月后，PE-Ⅰ、PE-Ⅱ、鋁箔-Ⅰ三種材料存儲的混凝土帆布力學(xué)性能有5％左右

11、的降低，鋁箔-Ⅱ型則降低18％左右。2）混凝土帆布收縮變形研究了CC試件硬化后收縮變形行為，探討了三種水泥基體(825CSA+20％C(S)、825CSA、625CAC)對CC變形的影響，以及不同織物格局對CC收縮變形的影響，同時比較了CC試件與水泥基體試件的變形差異，研究表明，CC825CSA+20％CaSO4收縮變形低于CC825CSA+0％CaSO4和CC625CAC;三種織物格局制備的CC，其中CC15mm-Ⅰ硬化后變形最小。3