钢纤维取向对界面过渡区微观结构及粘结性能影响的研究

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钢纤维增强水泥基复合材料中纤维-基体间粘结强度与其周围界面过渡区直接相关。界面过渡区的形成受多因素影响,由微区泌水作用理论可知界面过渡区的形成与钢纤维周围水的迁移规律直接相关,而钢纤维取向对水泥基复合材料拌合物中自由水迁移产生影响,必然影响其周围界面过渡区结构并影响纤维-基体粘结强度,而纤维取向对界面过渡区微观结构以及纤维-基体间界面粘结性能的影响机理有待进一步研究。本文从水化早期钢纤维取向对其周围自由水迁移的影响规律出发,研究不同纤维取向对水迁移和纤维周围水灰比重分布的影响。基于钢纤维周围水灰比分布规律,结合Powers模型分析不同纤维取向周围界面过渡区硬化后的孔隙率特征。以孔隙率计算结果为基础,基于损伤力学研究不同微观结构特征的界面过渡区对纤维-基体粘结强度的影响,最终建立钢纤维取向与纤维-基体粘结性能的近似本构方程,并验证方程的可靠性。研究表明:(1)钢纤维增强水泥基复合材料拌合物中钢纤维阻碍自由水的向上迁移,自由水流经钢纤维周围时粘性绕流导致流速降低,使得钢纤维下表面的水流速快于钢纤维上表面水流速,且随着纤维倾角增大,钢纤维上下表面流速差也随之增大。(2)自由水迁移携带一定量的水泥颗粒,其携带水泥颗粒的量与流速直接相关,流速越快,携带的水泥颗粒越多。钢纤维取向影响自由水流速与水泥颗粒分布,进而影响钢纤维周围水灰比的分布,并影响硬化后的界面过渡区孔隙率。(3)由于钢纤维取向影响自由水迁移速度和界面过渡区孔结构,因此亦影响硬化后的纤维-基体粘结强度。在纤维养护倾角为0°时纤维-基体间的粘结强度最低,纤维养护倾角为90°时,其粘结强度最高。0.5水灰比下纤维养护倾角为90°时的粘结强度较0°时高200%。本文揭示了钢纤维取向与界面过渡区微观结构以及宏观粘结性能之间的关系,在微观层面上进一步解释钢纤维取向分布对水泥基复合材料性能的影响机理,为预测纤维-基体间粘结强度提供方法,为改善界面过渡区以及提高纤维-基体界面粘结强度提供理论依据。
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