单向钢纤维增强水泥基复合材料制备技术与性能分析-结构工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 摘 要 钢纤维的掺入使水泥基材料的各项力学性能得到了显著的改善，研究表明钢纤维 方向对水泥基材料的力学性能有着很大的影响。从力学意义上讲，钢纤维对水泥基材 料最有效的增强状态是纤维方向与主拉应力方向一致或接近，而普通钢纤维水泥基复 合材料中钢纤维在水泥基材料中随机乱向分布。为了使钢纤维更加充分地发挥增强、 增韧作用，本文研究了制备单向分布钢纤维增强水泥基复合材料的方法，并对制备的 单向钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能进行了试验研究。 对钢纤维水泥浆拌合物施加磁感应强度均匀、方向一定的磁场，其中钢纤维受磁 场力作用发生转动，所有或绝大部分钢纤维的方向与磁场方向一致或接近，硬化后即 制备出了单向分布钢纤维增强水泥基复合材料。分析了钢纤维在磁场中的受力及其在 磁场作用下的运动状态，确定钢纤维的方向。据此计算钢纤维达到设计方向所需的磁 场磁感应强度及磁场作用时间，从而确定制备单向分布钢纤维增强水泥浆的方法。实 验研究显示，根据理论方法制备出的单向分布钢纤维增强水泥浆中，90%左右的钢纤 维方向与设计方向一致或接近，钢纤维方向系数达到 0.95 或更高。 从细观力学的角度研究了单向钢纤维增强水泥基复合材料的力学性能，重点考虑 了纤维方向对水泥基材料力学性能的影响。首先采用概率方法建立了钢纤维轴拉应力 模型，然后根据复合力学理论建立了单向钢纤维增强水泥基复合材料轴拉强度计算模 型。通过分析劈拉强度、抗折强度与轴心抗拉强度的关系，推导出劈拉、抗折强度理 论表达式。依据复合力学理论将钢纤维的软化曲线与水泥基材料的软化曲线叠加，得 到钢纤维增强水泥基复合材料软化曲线，对软化曲线下的面积进行计算得到单向钢纤 维增强水泥基复合材料的断裂能。通过劈拉、抗折、断裂能试验，将理论计算与试验 结果进行比较，对理论模型进行验证。实验表明，单向分布钢纤维增强水泥基复合材 料在抗拉、断裂性能方面都比乱向分布的钢纤维增强水泥基复合材料表现出了明显的 优势。 关键词：单向分布钢纤维水泥基复合材料 磁场 纤维方向 抗拉性能 断裂能 I ABSTRACT Studies have shown that adding steel fiber into cement-based materials improves the mechanical properties of cement-based composites significantly. Fiber orientation has a great impact on the mechanical properties of cement-based materials. From the mechanical sense, the most effective state of the steel fiber is the fiber orientation is same or close to the orientation of the principal tensile stress, but the steel fibers is randomly distributed in the ordinary steel fiber reinforced cement-based composites. In order to make the steel fibers give full play to its enhancement and toughening effect, this paper presents the concept of the aligned steel fiber reinforced cement-based composites. The aligned steel fiber reinforced cement-based composites is the composite in which the steel fibers are in the same direction and uniformly distributed in the matrix, in order to achieve full advantage of the efficiency of steel fiber by certain technology. By applying a uniform magnetic field to the freshly mixed steel fibre reinforced cement paste, all the steel fibres in the paste would have the same orientat