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混杂纤维轻骨料混凝土力学性能研究 第一章 选题的背景及意义 1.研究背景 混凝土材料虽然具有很高的抗压强度、较大的刚度以及较好的耐久性，但是它是一种拉压比很小的准脆性材料，因而给复杂的混凝土结构工程增添了许多不安全因素。采用纤维作为增韧材料的历史至少可以追溯到古埃及时代，然而纤维增强混凝土作为一种新型复合材料却是从20世纪70 年代才发展起来的。纤维增强混凝土材料在经过了几十年的发展，不论是在纤维品种，还是纤维增强机理研究以及纤维混凝土的推广应用上，都有了十足的长进。 混凝土材料是一种多相、多结构、多层次非均质结构复合材料。该复合材料从相角度上可以分为基相、分散相、结合相；从组织结构上可以分为三级，即：混凝土、砂浆、净浆；从尺寸层次上，它有小到微米级的CSH(半水硫酸钙)、粗到毫米级的砂子、大到厘米级的石子。 理论上，如果只是掺入单一纤维，势必仅能改善某一相、某一结构、某一层次上的性能；因此若要综合提高混凝土的整体性能，所掺入纤维也应是多层次混杂的。 2、选题的意义 采用单一纤维增强混凝土材料，可以通过提高纤维体积率、增加纤维长径比、提高纤维与基材的粘结力等方法，但是这些方法往往又受到限制，如：提高纤维掺量、增加长径比会受到现有搅拌工艺的限制，易发生纤维结团分散不均的现象。而且一种纤维往往只能在某些有限的方面发挥自己的优点，不可能面面俱到，如：低弹模纤维虽然增强效果并不十分理想，却能显著提高混凝土的延性和韧性。 采用单一纤维增强混凝土很难达到既增强又增韧的理想效果，而多种纤维混杂可以弥补单一纤维的不足，充分发挥各种纤维的优点达到逐级阻裂和强化的功能。 几种常见纤维混杂类型 混杂纤维增强混凝土的基本原理是将两种或多种纤维增强材料合理组合加入某一基材中，产生一种既能发挥不同纤维优点，又能体现它们之间协同效应的新复合材料，可明显提高或改善原先单一纤维增强复合材料的若干性能，并可降低成本。广义上从纤维品质角度出发，纤维混杂基本可分为两大类：一类是同种品质不同几何形态纤维混杂；另一类是不同品质不同几何形态的纤维混杂。从纤维混杂相个数角度来分，又分为二元混杂，三元混杂以及三元以上的多元混杂。以下为几种较为常见的纤维混杂形式 1：高弹性模量和高延性纤维混杂 高弹性模量纤维可以明显提高混凝土的初裂和最大荷载；高延性纤维则可明显改善混凝土的韧性和延性。这两种纤维在一定比例范围内混杂可以起到明显的增强与增韧效果。目前研究较多的是钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等高弹模纤维与聚丙烯纤维、乙纶、丙纶等低弹模延性较高合成纤维混杂。 2：不同尺度纤维混杂 不同尺度纤维对混凝土不同结构和尺寸层次进行改性，微细纤维主要起着对水泥基材的增强作用，阻止和延缓微裂纹在基材中的扩展；当基材局部产生大裂纹，微纤维在基材中被拔出而难以制止大裂纹时，大纤维则因其被拔出需消耗更大的能量而能够起到阻止大裂纹的扩张，从而改善混凝土的延性。姚武等的试验结果表明细小的碳纤维和较为粗大的钢纤维在低掺量下混杂，混凝土的力学性能和韧性都得到了显著改善。碳纤维起到了改善水泥净浆或砂浆性能的作用，钢纤维则提高了砂浆和混凝土的性能。孙伟等结果表明三种不同尺度、同一性质的钢纤维混杂，较单掺一种钢纤维的混凝土，在阻裂、减少收缩、提高抗渗性能等方面均有明显的效果。 3.不同耐久性能纤维混杂 耐久性较差的纤维可以用于保证在运输和安装等短期性能；耐久性好的纤维则可以用于提高混凝土在反复荷载作用下的强度和韧性。聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定，它能推迟混凝土的表面劣化，提高耐久性，在自然条件下存放10年没有发现有害的变化，且延性和断裂能随时间增加而增加。玻璃纤维抗碱能力差，纤维骨架中的二氧化硅易与混凝土中的CH(次甲基) 发生反应，导致纤维强度损耗殆尽。研究发现，玻璃纤维与聚丙烯纤维混杂水泥基材料与单一纤维水泥基材料的抗拉强度均有显著提高，同时由于掺加聚丙烯纤维使玻璃纤维保持最大应力的应变增加，韧性显著增加，在某一应变下的裂缝宽度也比单一聚丙烯纤维水泥基材料小。 第二章 试验方案及材料 1.试验主要原材料及其性质： 水泥: P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥; 粗骨料: 内蒙古锡林郭勒盟浮石轻集料, 其物理性能见表1。 细骨料: 中砂, 细度模数2.5, 含泥量2%, 堆积密度1465kg/m3, 表观密度2650kg/m3, 颗粒级配良好。 粉煤灰: 呼和浩特市化肥厂Ⅰ级粉煤灰。 减水剂: UNF-5 型高效减水剂。 引气剂: RSD-5 型引气剂。 碳纤维: 其主要性能见表2。聚丙烯纤