全场定向钢纤维增强水泥基复合材料设计、制备及力学性能研究

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水泥基复合材料抗拉强度低、脆性大,在受到拉应力作用下容易开裂。掺加钢纤维可以有效抑制外荷载作用下水泥基复合材料中裂缝的出现和扩展,改善其抗拉性能、抗裂性和脆性。传统钢纤维增强水泥基复合材料中钢纤维随机乱向分布,在受力过程中,部分与主应力方向不一致的钢纤维不能充分发挥其增强增韧的作用,造成钢纤维增强作用下降。近年来制备出的单向定向钢纤维增强水泥基复合材料中,钢纤维呈单一方向分布,当其与主应力方向一致时,钢纤维可发挥最大增强作用。在实际工程中,结构构件在受力状态下的主应力方向并不是单一方向,一般随位置变化,若使构件中钢纤维方向也随主应力而变化,所有位置均与主应力方向保持一致,将会最大限度地提高钢纤维的增强、增韧作用,材料和构件性能进一步提高。为此,本文设计、制备并测试和分析纤维方向与受力状态下试件主应力方向一致的全场定向钢纤维增强水泥基复合材料。首先,建立试件在荷载作用下的有限元模型,确定受力状态下试件的主应力方向分布,作为钢纤维的设计方向。其次,研究了全场定向钢纤维增强水泥基复合材料的制备方法,通过电磁场调控钢纤维,制备了全场定向钢纤维增强水泥基复合材料试件,并分析了钢纤维的定向效果以及其在试件断面上的分布形式。最后通过四点弯曲试验和单轴拉伸试验测试和分析了全场定向钢纤维增强水泥基复合材料试件的抗弯和轴拉性能。结果表明,有限元数值模拟技术可以从理论上设计钢纤维方向,使其与试件在受力状态下的主应力方向一致。通过电磁场制备的全场定向钢纤维增强水泥基复合材料试件中,钢纤维的实际方向与设计方向基本一致,并且全场定向比随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料试件断面上钢纤维分布密度增加。钢纤维取向和分布形式对水泥基体的抗弯强度和抗拉强度有较大的影响,与随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料试件相比,全场定向钢纤维增强水泥基复合材料试件的力学性能显著提升。
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