PBO纖維與碳纖維混雜加固修補(bǔ)混凝土實(shí)驗(yàn)研究

1、PBO纖維與碳纖維混雜加固修補(bǔ)混凝土實(shí)驗(yàn)研究屈慕超1，梁希鳳1，張煜梓2(1-哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院；2-哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院材料學(xué)院)指導(dǎo)教師：張春華副教授1、課題研究目的混凝土是土木建筑工程中最重要的材料，但混凝土的固有弱點(diǎn)是容易產(chǎn)生裂縫，裂縫在各種作用下發(fā)展為破損，嚴(yán)重影響混凝土的耐久性、結(jié)構(gòu)的使用壽命及安全性。目前最有效的方法是加入纖維對混凝土進(jìn)行加固改性。 PBO纖維(聚對苯撐苯并二噁唑)具有極高的拉伸性能、熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗蠕變性質(zhì)和耐化學(xué)介質(zhì)性能等。碳纖維具有突出的界面粘接性和抗壓性,這兩種纖維是混凝土加固改性的最理想材料。本項(xiàng)目首次采用混雜PBO纖維、碳纖維兩種高性能的纖維復(fù)

2、合材料片材對混凝土進(jìn)行加固改性，有效的抑制混凝土裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,從而使混凝土拉伸性能、彎曲性能和沖擊性能等方面得到大幅度提高,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)兩種纖維的混雜比和混雜方式,確定最佳制備工藝參數(shù),使改性后的纖維混凝土抗沖擊參數(shù)等與素混凝土相比達(dá)到四倍以上。2、課題背景 混凝土的固有弱點(diǎn)是容易產(chǎn)生裂縫，裂縫在各種應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)大，裂縫的發(fā)展嚴(yán)重影響了混凝土的耐久性、結(jié)構(gòu)的使用壽命及安全性。如何有效的解決水泥的裂縫問題，目前國際上基本一致的認(rèn)識是，纖維混凝土是提高混凝土抗裂性的有效方法。在混凝土中加入纖維，賦予混凝土一定的韌性，以改善混凝土的抗裂性能、抗沖擊性和疲勞耐久性。為了促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國

3、各級政府每年都對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入數(shù)以千億計(jì)的資金。隨著使用時(shí)間的增加，基礎(chǔ)設(shè)施的安全性能會出現(xiàn)不同程度的降低，恢復(fù)和提高舊基礎(chǔ)設(shè)施的性能，使其滿足經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的需要，已經(jīng)成為一個迫切需要解決的問題。目前國際上主要采用丙烯晴纖維、玻璃纖維、碳纖維或鋼纖維等對混凝土加固改性，但單一的纖維改性已經(jīng)難以滿足人們對建筑越來越高的技術(shù)要求。本項(xiàng)目首次將PBO纖維和碳纖維混雜，并采取恰當(dāng)?shù)姆绞綔y定纖維混凝土的拉伸、彎曲、沖擊等表征改性效果提高。PBO纖維(聚對苯撐苯并二噁唑)是近年來研究開發(fā)出來的一種高性能聚合物纖維，它獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征賦予了纖維優(yōu)異的特性：極高的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量、卓越的阻燃性和熱穩(wěn)定性耐化學(xué)

4、介質(zhì)性能等；CF憑借高強(qiáng)的彎曲強(qiáng)度彎曲模量及其突出的界面粘接性和抗壓性，廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。從理論上分析，這兩種纖維性能互補(bǔ)，通過混雜作用的取長補(bǔ)短，無疑是增強(qiáng)混凝土性質(zhì)最理想的材料?，F(xiàn)今國內(nèi)外尚無實(shí)驗(yàn)采用這兩種纖維混雜增強(qiáng)混凝土。 采用高性能纖維加固技術(shù)提高混凝土建筑的安全性能，對機(jī)場道路、高架橋、高速公路及其重要建筑物的維修、保護(hù)和加固具有重要的意義。3、研究主要內(nèi)容1） 纖維的含量、纖維的混雜比和纖維的幾何參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)2） 纖維復(fù)合材料片材對混凝土屈服載荷增強(qiáng)效果的影響3） 纖維復(fù)合材料片材對混凝土破壞吸收能的影響4、結(jié)論及體會4.1結(jié)論：1）纖維復(fù)合材料片材的加入使混凝土的破壞形

5、式由素混凝土的脆性斷裂改變?yōu)轫g性斷裂，屈服載荷和破壞吸收能對比于相應(yīng)的素混凝土都大幅度增強(qiáng)。由于纖維的阻裂作用，纖維混凝土的斷裂韌性得到改善，彎曲強(qiáng)度也隨之提高。當(dāng)應(yīng)變達(dá)到素混凝土的應(yīng)變極限時(shí)，由于裂紋影響因素的改善，復(fù)合材料并不立即斷裂，應(yīng)變會繼續(xù)上升直至基體開裂，從而纖維混凝土獲得高的彎曲強(qiáng)度和具有“塑性”。 隨著纖維體積含量的增加，纖維復(fù)合材料片材的阻裂作用越大，所以高含量的纖維混凝土構(gòu)件彎曲強(qiáng)度提高幅度較大；2）使用粘接劑對混凝土性能的增強(qiáng)均有所提高，聚酰胺對于纖維復(fù)合材料片材的粘接作用強(qiáng)于二乙烯三胺；3）不同纖維織物形式制成的復(fù)合材料片材對混凝土的增強(qiáng)效果不同，纖維含量一定，但是纖維

6、織物在縱向上卻存在一定的能量損失，因此單向纖維的增強(qiáng)效果要優(yōu)于纖維織物；4）纖維不同混雜比對混凝土的增強(qiáng)效果不同，PBO纖維和碳纖維混雜增強(qiáng)混凝土的增強(qiáng)效果，要高于單一纖維增強(qiáng)的混凝土，說明在增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)抗彎性能方面，兩種纖維的混雜發(fā)揮了正效應(yīng)，并在體積比為CF:PBOF=2:1時(shí)，取得最佳增強(qiáng)效果（如圖1）。從材料力學(xué)理論角度分析，在PBO纖維和碳纖維復(fù)合材料片材混雜增強(qiáng)混凝土實(shí)驗(yàn)中，混凝土機(jī)體最下層承受最大的拉應(yīng)力，混凝土形變最大，因此將具有極高拉伸模量的PBO纖維置于底層，當(dāng)構(gòu)件承受一定彎曲載荷使其彎曲應(yīng)變達(dá)到碳纖維極限應(yīng)變時(shí)，碳纖維與其周圍的混凝土基體首先發(fā)生一級斷裂失去承載能力，此

7、時(shí)最下層PBO纖維會繼續(xù)承載受力，使得混凝土試件承載應(yīng)力時(shí)間明顯延長，大幅度提高混凝土試件的破壞吸收能；圖1 纖維復(fù)合材料片材對混凝土屈服載荷的增強(qiáng)效果 兩種纖維混雜增強(qiáng)混凝土，如果碳纖維含量過多，則纖維復(fù)合材料片材的脆性為混凝土性能的主要限制因素；而如果PBO纖維含量過多，則纖維與混凝土基體的界面粘接強(qiáng)度則成為混凝土性能的主要限制因素。因此兩種纖維間存在最優(yōu)混雜比，使得二者的性能取長補(bǔ)短，充分得到體現(xiàn)。5）纖維不同體積含量對混凝土的增強(qiáng)效果不同，纖維總體積含量為0.9%時(shí)，取得最佳增強(qiáng)效果。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明纖維片材的加入使混凝土的抗折強(qiáng)度有了大幅度的提高，在纖維含量達(dá)到0.9%后，繼續(xù)增加纖

8、維體積含量對于混凝土抗折性能的增強(qiáng)效果不是很明顯，在綜合考慮了各項(xiàng)因素之后，得到初步結(jié)論：本次試驗(yàn)的最優(yōu)纖維混雜比CF:PF=2:1，最優(yōu)纖維體積含量為0.9%，混凝土試件在此條件下的屈服載荷為素混凝土的4.24倍，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)（如圖2）。圖2 纖維復(fù)合材料片材對混凝土破壞吸收能的增強(qiáng)效果4.2體會：1) 思路決定出路。實(shí)驗(yàn)前弄清楚實(shí)驗(yàn)方案，明確下一步的目標(biāo)，不僅要知道怎么做還要知道為什么這樣做，正如本項(xiàng)課題，最終結(jié)論是通過一項(xiàng)項(xiàng)對比推出的，需要提前設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)試驗(yàn)周期很長，因此更需要在實(shí)驗(yàn)前明確思路，少做無用功。實(shí)驗(yàn)過程中多與導(dǎo)師交流，及時(shí)解決出現(xiàn)的各種問題，一步實(shí)驗(yàn)結(jié)束后盡快總結(jié)，和小組成員，導(dǎo)師共同商討。盡早制定下一步的試驗(yàn)計(jì)劃。2) 細(xì)節(jié)決定成敗?；瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)必須細(xì)心，無論是纖維片材的纏繞、涂膠、成型，混凝土試件的澆注、震蕩、養(yǎng)護(hù)還是后期的實(shí)驗(yàn)測定都需要嚴(yán)格按照步驟操作，任何一個失誤都有可能讓當(dāng)前的步驟失敗，甚至導(dǎo)致整組試件出現(xiàn)問題，對比討論出現(xiàn)偏差。在做科技創(chuàng)新的過程中，我們養(yǎng)成的良好操作習(xí)慣，不僅對我們以后的化學(xué)實(shí)驗(yàn)有所幫助，而且那種小心謹(jǐn)慎認(rèn)真務(wù)實(shí)的精神對我們今后人生的發(fā)展也大有裨益。3) 態(tài)