Kevlar纤维增强水泥基复合材料力学性能研究

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现代建筑对土木工程材料的性能要求越来越高,而传统水泥基材料存在韧性差、脆性大、抗拉强度低等先天缺陷。因此,提高水泥基材料的柔韧性与弯曲变形能力,对于现代建筑结构的发展具有重要意义。纤维增强水泥基复合材料是制备高强高韧性水泥基材料的主要途径之一。芳纶纤维作为一种新型高强、高模、高韧性的纤维增强材料,近几年广泛应用于建筑结构的加固补强领域,而直接将芳纶纤维掺入水泥基体中以增强水泥基复合材料性能的研究相对较少。本文选用一种最具代表性的芳纶纤维——Kevlar纤维作为水泥基复合材料的增强材料,将Kevlar纤维直接掺入到水泥基体中制备Kevlar纤维增强水泥基复合材料(Kevlar fibers reinforced cementitious composites,as referred KFRCC),旨在研究Kevlar纤维对水泥基复合材料的力学性能影响。试验选取1mm、3mm、6mm、12mm、120mm五种不同长度的Kevlar纤维,在不同的Kevlar纤维长度下,根据水泥基复合材料成型时的工作性,确定Kevlar纤维的体积掺量,设计1%、2%、4%、6%、8%五种不同的纤维体积掺加比例,通过KFRCC胶砂试件折压试验、薄板弯曲试验、圆饼冲击试验,研究Kevlar纤维的长度与掺量对水泥基复合材料抗折性能、抗压性能、弯曲性能及抗冲击性能的影响。试验结果表明:对于KFRCC的折压性能,Kevlar纤维的加入可以有效改善KFRCC胶砂试件基体内部的应力集中分布,使KFRCC胶砂试件的折压性能得到明显提升,但随着Kevlar纤维掺量的不断增大,各纤维长度下KFRCC胶砂试件的折压性能在达到峰值后开始出现削弱。Kevlar纤维长度为1mm、3mm、6mm、12mm、120mm时,KFRCC胶砂试件的抗折性能分别在纤维体积掺量为6%、2%、2%、2%、1%时取得最优,且较基准组分别增长56.69%、89.33%、104.72%、118.99%、320.91%;Kevlar纤维长度为1mm、3mm、6mm、12mm时,KFRCC胶砂试件的抗压性能分别在纤维体积掺量为6%、4%、2%、2%时取得最优,且较基准组分别增长19.05%、21.20%、20.80%、18.67%;而120mm Kevlar纤维长度的KFRCC胶砂试件的抗压性能反而低于基准组,其在纤维1%、2%掺量时分别较基准组削弱5.87%与27.37%。对于KFRCC的弯曲性能,基准无纤维组的开裂荷载即为破坏荷载,初裂挠度即为最大挠度,而Kevlar纤维的掺入,KFRCC的荷载与挠度均出现不同程度的增长。Kevlar纤维长度为1mm、3mm、6mm、12mm时,KFRCC薄板的极限弯曲强度值与最大挠度值均在纤维体积掺量为4%时取得最值,最值分别为5.94Mpa/1.48mm、6.67Mpa/2.87mm、6.89Mpa/6.98mm、9.91Mpa/8.04mm;Kevlar纤维长度为120mm时,KFRCC薄板弯曲的荷载-挠度曲线呈现“锯齿状”上升现象,且在纤维体积掺量为2%时极限弯曲强度值与最大挠度值取得最值,最值分别为17.23Mpa/11.48mm;Kevlar纤维的长度越长,薄板弯曲时,纤维总体利用效率越高,KFRCC的弯曲韧性表现越好,120mm Kevlar纤维长度的KFRCC弯曲韧性明显优于其它各纤维长度组,且其在1%掺量时的韧性增强最为显著。对于KFRCC的抗冲击性能,基准无纤维组圆饼试件在受冲试验时,基本表现为“一冲即破”,破坏形态大致为“一字形”,呈现明显脆性破坏,而Kevlar纤维组圆饼试件的破坏形态主要呈现“三叉星形”与“T字形”,且12mm、120mm纤维长度的KFRCC圆饼试件在受冲破坏后,其各部分仍由纤维联结,试件仍可保持为一个整体;Kevlar纤维长度一定时,KFRCC的抗冲击性能与Kevlar纤维的体积掺量呈正相关关系,Kevlar纤维掺量一定时,KFRCC的抗冲击性能随长度的增长出现先削弱后增强的趋势,拐点大致发生在纤维长度为6mm处,即在纤维长度为1mm、3mm、6mm时,KFRCC的抗冲击性能与Kevlar纤维长度呈负相关关系,在纤维长度为6mm、12mm、120mm时,KFRCC的抗冲击性能与Kevlar纤维长度呈正相关关系。
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