高延性水泥基復(fù)合材料的制備、性能及基本理論研究.pdf

1、高延性水泥基復(fù)合材料（HDCC）是一種具有應(yīng)變硬化、多縫開裂和高延性等特性的新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。概念提出之始，是以微觀力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過取得基體韌度、界面粘結(jié)和纖維特性三者的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)高延性。然而細(xì)觀力學(xué)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常大的系統(tǒng)工程，同時(shí)水泥基復(fù)合材料本身也是一種十分復(fù)雜的材料，因此從原材料性能的影響規(guī)律和優(yōu)化配合比，以材料的宏觀力學(xué)性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，從經(jīng)驗(yàn)的和定性的初步設(shè)計(jì)開始，實(shí)現(xiàn)HDCC最優(yōu)的材料制備技術(shù)顯得很

2、有必要。斷裂韌度反應(yīng)了基體抵抗開裂的能力，也是高延性水泥基復(fù)合材料（HDCC）的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。Li等指出當(dāng)聚乙烯醇纖維體積摻量為2％，HDCC基體的斷裂韌度Jm應(yīng)低于0.01 kJ/㎡。纖維和基體界面粘結(jié)應(yīng)力一定時(shí)，基體的開裂韌度越低，越容易產(chǎn)生多縫開裂現(xiàn)象。
　　 影響HDCC性能的因素非常多，除了原材料品種及性能與配合比參數(shù)如水膠比、膠砂比、粉煤灰含量和其他摻合料的影響外，還受養(yǎng)護(hù)條件、流動(dòng)性、齡期等因素的影響。從而使得HDCC

3、的配合比設(shè)計(jì)非常復(fù)雜困難。本文全面系統(tǒng)研究了配合比設(shè)計(jì)參數(shù)、原材料優(yōu)選、拌合物流動(dòng)性及養(yǎng)護(hù)制度等對HDCC的力學(xué)性能尤其是拉伸延性的影響，同時(shí)測試了部分配合比的干燥收縮、氯離子擴(kuò)散性和水滲透性。從粉煤灰摻量、膠砂比、集料含量、纖維摻量、適當(dāng)?shù)念w粒狀材料、水泥品種、粉煤灰品種、防水劑、外加劑摻量及品種、拌合物流動(dòng)性、不同養(yǎng)護(hù)制度等方面，優(yōu)化了特定材料下的材料制各技術(shù)。所制備的HDCC最大延性達(dá)5％左右，達(dá)到國際先進(jìn)水平。在配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上

4、，綜合眾多因素，本文全面系統(tǒng)研究了配合比設(shè)計(jì)參數(shù)等對HDCC基體的斷裂韌度的影響規(guī)律。測試了不同齡期的基體抗壓強(qiáng)度、斷裂韌度等，深入揭示了水膠比、粉煤灰含量、灰砂比等配合比關(guān)鍵參數(shù)和粉煤灰品種，橡膠微粉等對HDCC基體斷裂性能的影響規(guī)律和機(jī)理。充分表明了微觀結(jié)構(gòu)決定著材料的宏觀行為。因此在斷裂韌度的基礎(chǔ)上，選擇了部分基體的配合比，制備了微觀測試樣品，系統(tǒng)進(jìn)行了MIP、XRD和納米硬度等微觀性能的分析，并借助裂端位錯(cuò)行為的分子動(dòng)力學(xué)理論，

5、分析了<20nm微孔對斷裂性能的影響，并采用擬合與微觀力學(xué)分析方法，得出了孔隙率和微孔含量與斷裂性能之間的定量關(guān)系。
　　 研究結(jié)果表明：HDCC的拉伸應(yīng)變易產(chǎn)生離散性。要獲得較好的延性，宜適當(dāng)降低基體的斷裂韌度，使用高摻量粉煤灰，較高水膠比、較低膠砂比、適當(dāng)摻量的硅灰、橡膠微粉和EVA乳膠粉等。然而使用高摻量粉煤灰，較高水膠比、橡膠微粉等均會(huì)降低強(qiáng)度，但高摻量粉煤灰，由于其活性效應(yīng)，使后期的延性得不到有力的保證，為降低粉煤灰長

6、期活性的影響，宜使用圓形顆粒含量高，能充分發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)的低活性粉煤灰或其他摻和料，同時(shí)充分注意養(yǎng)護(hù)條件的影響。養(yǎng)護(hù)條件對低水膠比、高摻量粉煤灰的HDCC延性影響很大，宜使用小于7d的水養(yǎng)護(hù)制度。一定范圍內(nèi)降低砂含量，對強(qiáng)度的影響不大。摻加EVA乳膠粉對強(qiáng)度無不利影響，且略有利于延性和抗?jié)B性的提高。使用硫鋁酸鹽水泥的HDCC顯示出較好的長期性能。齡期對斷裂韌度的影響高于對抗壓強(qiáng)度的影響，這使得HDCC的長期性能難以保證。因此如要以確保HD

7、CC延性的穩(wěn)定性，應(yīng)特別注意斷裂韌度隨齡期的增長變化規(guī)律。
　　 隨著水膠比的增大，基體的平均納米硬度和彈性模量均降低；隨著齡期的增長，從7d到28d齡期，平均納米硬度和彈性模量先略有降低。繼續(xù)在熱養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下（60±5℃，相對濕度大于95％以上）養(yǎng)護(hù)至28d時(shí)，其平均納米硬度又進(jìn)一步的增長。摻加粉煤灰的配合比，即使熱養(yǎng)護(hù)28d后，其基體的平均納米硬度仍然低于7d齡期時(shí)的不摻粉煤灰的對比組。粉煤灰摻量的不同使得基體早期的納米硬度差

8、別較大，但在長期熱養(yǎng)護(hù)后，其基體納米硬度相近。本文分析總結(jié)了齡期對各級(jí)孔含量及分布的影響，提出養(yǎng)護(hù)28d齡期前主要改善>50nm大毛細(xì)孔含量及分布，中期28d齡期后主要改善<200nm的毛細(xì)孔和微孔含量及分布，而后期的熱養(yǎng)護(hù)則僅改善<20nm微孔含量及分布。粉煤灰品種對微孔分布具有一定的影響。粉煤灰摻量（80％）過高，其28d前孔隙率和毛細(xì)孔含量顯著增加，但長齡期孔隙率和毛細(xì)孔含量均降低。當(dāng)粉煤灰摻量為30％～70％時(shí)，摻加粉煤灰有利于

9、降低各齡期水泥基體的孔結(jié)構(gòu)。砂的添加，對基體納米硬度的影響不大，降低了各齡期的孔隙率，使得大孔含量略有增加。摻粉煤灰的基體，即使熱養(yǎng)護(hù)28d，其Ca（OH）2含量均顯著低于7d齡期時(shí)的不摻粉煤灰的CON組。橡膠粉的摻加，大大降低了基體的納米硬度：顯著的增大了基體的孔隙率和大孔含量，且粒徑越小，孔隙率和大孔含量則增加越多。
　　 斷裂韌度與孔隙率xp或固相含量xs的相關(guān)關(guān)系大大低于抗壓強(qiáng)度；提出<20nm微孔對抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性的

10、具有正效應(yīng)?？紤]孔徑<20nm孔含量x2的影響，置信水平可大大提高，所擬合的斷裂韌度與孔隙率xp和孔徑<20nm孔含量x2的相關(guān)關(guān)系為：抗壓強(qiáng)度y1=5.2316xp-1.5833X20.1601；R2=0.9400，斷裂韌度y2=0.07387Xp1.0779x20.1002，R2=0.8166。并借助裂端位錯(cuò)行為的分子動(dòng)力學(xué)理論，提出微孔的存在，增加了裂紋尖端鈍化的幾率，同時(shí)也可能改變裂紋尖端的發(fā)展方向，從而使得裂紋呈“Z”字形發(fā)展