【摘 要】
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地聚合物(Geopolymer)是一种新型绿色胶凝材料,其使用有利于减少自然资源的消耗及二氧化碳的排放,同时地聚合物具有硬化快,早强高、优异的耐酸性、耐久性、渗透性低、良好的耐化学性和优异的防火性能等优势。但地聚合物表现出与传统水泥基材料相似的脆性,这在很大程度上限制了地聚合物材料在实际工程中的应用。在地聚合物基体中掺加纤维是有效的增韧措施,利用纤维制成的纤维增强地聚合物复合材料(Fiber Re
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地聚合物(Geopolymer)是一种新型绿色胶凝材料,其使用有利于减少自然资源的消耗及二氧化碳的排放,同时地聚合物具有硬化快,早强高、优异的耐酸性、耐久性、渗透性低、良好的耐化学性和优异的防火性能等优势。但地聚合物表现出与传统水泥基材料相似的脆性,这在很大程度上限制了地聚合物材料在实际工程中的应用。在地聚合物基体中掺加纤维是有效的增韧措施,利用纤维制成的纤维增强地聚合物复合材料(Fiber Reinforced Geopolymer Composites,FRGCs)可以有效改善地聚合物基体韧性差、脆性大的缺点,甚至能够表现出良好的多重开裂行为和准应变硬化特性。本文以粉煤灰和矿渣为前驱体制备地聚合物基体,以PVA纤维和PE纤维两种纤维对其增韧,制备了一系列FRGCs试件,并对纤维表面进行纳米Si O2改性处理,以改善纤维/基体界面性能。本文的主要研究内容如下:(1)对FRGCs试件的宏观力学性能试验结果表明,适量纤维的掺加对地聚合物基体的抗压和抗折强度有较大的提升作用;在三点弯曲性能方面,PE纤维组试件最优,极限弯曲挠度可达2.5mm以上,极限弯曲强度最高超过10MPa,韧性更高,80%粉煤灰掺量基体的复合材料弯曲韧性最优,纤维掺量为1.8vol%和2.0vol%的试件弯曲性能优于1.5vol%;在单轴拉伸性能方面,PE纤维和涂油量较高(0.8%)的PVA纤维组试件均表现出应变硬化现象,最佳纤维掺量为1.8vol%,80%粉煤灰掺量基体的复合材料拉伸延性最优,最高可达4.6%。(2)对基体流变性能和纤维分散性能的分析结果表明,粉煤灰的掺加能够降低浆体的屈服应力和塑性黏度,有利于纤维在基体中的分散;涂油量较高(0.8%)的PVA纤维在试件断面单位面积的数目随纤维掺量的增加先增多后减少,掺量为1.8vol%时纤维数目最多;纤维分散系数均大于0.5,分散效果均较为均匀,其中掺量为1.8vol%时最大,纤维分散最为均匀;纤维改性后的单位面积数目及纤维分散系数均有所提高,分散更加均匀。(3)通过单纤维拔出试验对FRGCs的纤维/基体界面性能进行了研究,结果表明,PVA纤维经疏水纳米Si O2改性后滑移硬化阶段加长,纤维从被拔断转变为拔出;PE纤维经亲水纳米Si O2改性后从原先的恒定摩擦或滑移软化转变为滑移硬化。界面性能参数计算结果显示,对于PVA纤维,通过疏水纳米Si O2改性,可以有效降低纤维与基体之间的化学脱粘能Gd,增大摩擦粘结强度τ0;对于PE纤维,通过亲水纳米Si O2改性,可以显著提高纤维与基体之间的化学脱粘能Gd,增大摩擦粘结强度τ0。(4)对纤维经纳米Si O2改性前后FRGCs的力学性能进行对比研究,结果表明,纳米Si O2改性后的FRGCs试件的弯曲韧性和拉伸延性均有所提升,其中对于弯曲性能,PVA纤维组试件的弯曲挠度最大提高了约37%,PE纤维组试件最高提升了约29%;对于拉伸性能,PE纤维组试件的提升幅度要高于PVA纤维,极限拉伸应变最高提升了约50%。
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