纤维增强乳化沥青—水泥混凝土的断裂性能研究

发布时间：2020-09-29 13:58

　　与水泥混凝土相比,乳化沥青-水泥混凝土模强比适中、塑性较好,且节能环保方便施工,能更好的适应大坝、钢桥面铺装等变形较大的服役环境,但仍存在抗弯拉强度与抗裂性不足,亟待改善提高。本文提出掺加PVA纤维的思路,提升其抗弯拉强度与抗裂性能,平衡强度、塑性与抗裂性的关系。本文首先在材料设计理论分析的基础上,根据相关文献,确定一组材料实验室配合比,制备出PVA纤维增强的乳化沥青-水泥混凝土,其中纤维含量为0.7kg/m~3,并对其进行弹模、强度、界面断裂能等基本性能参数测试。通过压汞试验(密度、孔径大小、分布、孔隙率)、扫描电镜(水泥水化产物、纤维几何形貌、分布)和能谱分析(化学元素)等进行微细观材料表征。其次,应用多尺度复合材料研究思路,基于二维图像数字化和双线性粘聚带本构关系,在集料-联结料和联结料-联结料界面插入二维零厚度粘聚界面单元,建立了细观有限元断裂模型,进行单轴拉伸断裂和三点弯曲梁动态开裂模拟分析,探讨PVA纤维对材料断裂能的影响。研究表明,纤维增强乳化沥青-水泥混凝土在细观尺度由集料、纤维-沥青水泥胶浆和孔隙构成。PVA纤维对材料孔隙率影响不大,但能提高孔隙尺寸的均匀性,增强孔隙填充和细化作用,从而在一定程度上改善材料的微观结构。纤维与乳化沥青、水泥、集料之间无化学反应,不会形成新的化学产物。小梁三点弯曲试验和单轴压缩试验证明,PVA纤维能够显著提高混合料的宏观抗弯拉强度(提升幅度一倍左右)和断裂能(提升幅度超过50%),但对抗压强度和弹性模量影响很小(提升幅度3%左右)。细观断裂分析结果显示,集料和联结料界面为材料薄弱相,断裂多从界面处开始扩展。PVA纤维可以有效提升混合料的抗拉强度,延迟预设裂纹的扩展。细观数值模拟的临界断裂荷载和对应跨中位移略小于试验值,而抗拉强度差别不明显。断裂能的数值模拟值略大于试验值。细观断裂分析与宏观试验结果比较吻合,说明二维细观断裂模型能较为准确地模拟宏观试验过程。通过以上研究,证明了纤维增强乳化沥青-水泥混凝土具有较好的抗裂效果,可为完善该类复合材料的综合性能提供理论参考,具有重要的潜在应用前景。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U444
【部分图文】：

乳化沥青,水泥混凝土,耐久性,服役性能

凝土类材料的服役性能提出了更为严苛的要求，要求其抗弯拉强度和抗裂性能较好，尽量避免脆性破坏。因此，国内外学者提出将乳化沥青掺入到水泥与集料中，并添加具有特定功能的外加剂组合搅拌，经过水泥水化硬化和沥青破乳胶结两个过程，形成乳化沥青-水泥混凝土（EmulsifiedAsphalt Cement Concrete，简称 EACC）这种新型的有机无机复合材料。它是一种新型的半刚性材料，在配比设计合理的条件下，这种材料具有较好的刚度、强度、高温稳定性和耐久性。此外由于这种材料采用冷拌工艺，可以降低能耗，因此对其性能进行深入研究具有很大的工程应用价值。该材料电镜扫描的细观几何形貌如图 1-1 所示。然而，现有的乳化沥青-水泥混凝土还存在着一些不足，如抗疲劳性能差、界面粘结强度差、抗裂性和耐久性有待提高等，因此本课题通过在乳化沥青-水泥混凝土中掺加纤维以改善其性能。

形貌,沥青混凝土,二维,形貌

图 1-2 水泥乳化沥青混凝土二维实测形貌根据国内外针对水泥乳化沥青混合料的现有研究成果，可以总结出其优点如下：乳化沥青破乳过程增加的水分能够提供给混合料的凝结硬化之用；施工工艺节能环保；水泥的加入加快材料固化；具有较强的抵抗水损害能力和稳定度；有较高的弹性模量，温度敏感性低，抵抗永久变形的性能大大提高。同时，这种材料还存在一些不足，如抗疲劳性能差，沥青和联结料之间的界面粘结强度差，虽然可以通过添加快硬性水泥来提高早期强度，但是其抗弯拉性能和耐久性依旧有待提高。研究表明[42]在乳化沥青水泥胶浆中添加适量的纤维有利于提升混合料砂浆的匀质性、抗压强度、抗冻性能和耐久性能。以此类推，为了提高乳化沥青-水泥混凝土的抗裂性和耐久性能，也可以在混合料中添加纤维达到增强的效果。在建筑工程材料中添加纤维常常能够改善材料的耐久性能，具体体现在：①提高材料的抗渗性；②提高材料的抗冻性；③增强材料的抗裂性；④改善材料的疲劳性能。向新拌状态下的混合料中添加高弹模纤维可以提高其自身的抗拉强度和断

技术路线图,粘聚,细观断裂,零厚度

供粘聚断裂能、粘结强度等分析参数，通过运用二维零厚度粘聚界面单元嵌入算法进行有限元细观断裂模拟，从而得到三点弯曲梁开裂过程动静态过程和单轴拉伸断裂过程，并探讨纤维相关的材料参数对材料断裂性能的影响。

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