混杂纤维增强磷酸镁水泥基复合材料性能试验研究

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磷酸镁水泥(Magnesium Phosphate Cement,MPC)具快硬、早强、粘结性强和相容性好等诸多优点,适用于建筑物的快速施工、应急抢修和加固等。但MPC在抗裂性和变形性等方面存在不足,应用于路面、桥面等高冲击或弯曲荷载条件下易发生脆性破坏。将纤维掺入MPC中提升其韧性,能充分发挥MPC在修补加固领域的优越性能,但单一纤维改善MPC多方性能受限。为突破单掺纤维增强磷酸镁水泥基材料的局限性,本文选用端钩型钢纤维(HSF)、微细钢纤维(MSF)、聚乙烯醇纤维(PVAF)和玄武岩纤维(BF)四种纤维,进行两两混杂掺入MPC中,研究纤维不同掺入方式对MPC基础力学性能的影响,选择强度表现优异的试验组进一步研究韧性特征和耐久性能,并结合微观测试分析纤维逐级阻裂效应及增强增韧机理。研究的主要内容与结论如下:(1)纤维掺量及混杂方式对MPC强度及混杂效应的影响。纤维对抗压强度的增强效果从优到劣为:MSF>BF>PVAF;对抗折、劈拉强度的增强效果依次为:MSF>BF>PVAF。纤维混杂方式对MPC强度提升效果依次为:HSF+MSF>HSF+BF>HSF+PVAF>PVAF+BF。纤维混掺组中抗压强度大部分为负混杂效应,抗折、劈裂强度除PVAF+BF的组合方式外其他混掺组基本为正混杂效应。(2)纤维掺量及混杂方式对MPC韧性特征的影响。纤维单掺组随HSF掺量增加韧性特性不断增强,1.5%为最优掺量。纤维混杂组的韧性随纤维总掺量的增加而增强,断裂韧性从大到小依次为:HSF+MSF>HSF+BF>HSF+PVAF>PVAF+BF;冲击韧性从优到劣依次为:HSF+PVAF>HSF+BF>HSF+MSF>PVAF+BF。双参数的Weibull分布可以合理地描述钢纤维混杂增强水泥基材料的N1和N2。(3)纤维掺量及混杂方式对MPC耐久性能的影响。对单掺组而言,随HSF掺量的增加耐磨度先增加后减小,在掺量为0.5%时达到最大值;抗渗压力值随HSF纤维掺量的增加而增大,掺量为1.5%时达到最大值。对双掺组而言,耐磨性能从优到劣为:HSF+BF>HSF+MSF>HSF+PVAF>PVAF+BF;抗渗压力值从大到小为:HSF+BF>PVAF+BF>HSF+PVAF>HSF+MSF。试件在冻融循环20-80次质量损失较小,超过80次后,质量损失迅速增大;冻融循环120次后,单掺HSF的情况下,随纤维掺量的增加抗压强度损失率先增大后减小,H15抗压强度损失最小为17.7%;对于纤维混掺组,抗强度损失的纤维组合方式从小到大依次为:HSF+PVAF>HSF+BF>HSF+MSF>PVAF+BF。(4)素MPC材料存在先天性缺陷,易在缺陷处产生应力集中,发生脆性破坏。分散在基体内的纤维会因弹性模量的差异呈现不同破坏形式,主要为拔出破坏和断裂破坏,纤维混杂能产生协同增强作用。纤维掺入MPC中未产生新化合物,主要Mg O、Si O2和Mg(NH4)PO4?6H2O三种。但纤维对MPC水化产物生成量有一定影响,单掺HSF时水化产物衍射峰略有降低,HSF+MSF与HSF+PVAF两种混掺方式的水化产物生成量有所降低,HSF+BF与PVAF+BF两种混掺方式的水化产物生成量有所增加。(5)HFRMPC材料破坏和纤维发挥阻裂效应可划分成三个阶段:裂纹开始扩张前的微观阻裂阶段,亚微观裂缝稳定发展的多尺度阻裂阶段,宏观裂缝失稳扩张的纤维增强增韧阶段。小尺寸的MSF、BF和PAVF在抑制微裂缝产生与发展上有优势,大尺寸的HSF在控制宏观裂缝扩张上起主要作用,纤维在不同结构层次、不同受力阶段起逐级阻裂作用。纤维理论耗能效果与力学试验中实际耗能相符,该理论能够准确预测混杂纤维的耗能效果。
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