PBO纖維與碳纖維混雜加固修補混凝土實驗研究

1、PBO纖維與碳纖維混雜加固修補混凝土實驗研究屈慕超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是容易產(chǎn)生裂縫，裂縫在各種作用下發(fā)展為破損，嚴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行加固改性，有效的抑制混凝土裂紋的產(chǎn)生和擴展,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到四倍以上。2、課題背景 混凝土的固有弱點是容易產(chǎn)生裂縫，裂縫在各種應(yīng)力作用下不斷擴大，裂縫的發(fā)展嚴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。為了促進經(jīng)濟的快速發(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)以千億計的資金。隨著使用時間的增加，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。本項目首次將PBO纖維和碳纖維混雜，并采取恰當?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，它獨特結(jié)構(gòu)特征賦予了纖維優(yōu)異的特性：極高的拉伸強度和拉伸模量、卓越的阻燃性和熱穩(wěn)定性耐化學(xué)

4、介質(zhì)性能等；CF憑借高強的彎曲強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，通過混雜作用的取長補短，無疑是增強混凝土性質(zhì)最理想的材料?，F(xiàn)今國內(nèi)外尚無實驗采用這兩種纖維混雜增強混凝土。 采用高性能纖維加固技術(shù)提高混凝土建筑的安全性能，對機場道路、高架橋、高速公路及其重要建筑物的維修、保護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2） 纖維復(fù)合材料片材對混凝土屈服載荷增強效果的影響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。由于纖維的阻裂作用，纖維混凝土的斷裂韌性得到改善，彎曲強度也隨之提高。當應(yīng)變達到素混凝土的應(yīng)變極限時，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)件彎曲強度提高幅度較大；2）使用粘接劑對混凝土性能的增強均有所提高，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效果不同，PBO纖維和碳纖維混雜增強混凝土的增強效果，要高于單一纖維增強的混凝土，說明在增強混凝土結(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，取得最佳增強效果（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混凝土實驗中，混凝土機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，當構(gòu)件承受一定彎曲載荷使其彎曲應(yīng)變達到碳纖維極限應(yīng)變時，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效果 兩種纖維混雜增強混凝土，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短，充分得到體現(xiàn)。5）纖維不同體積含量對混凝土的增強效果不同，纖維總體積含量為0.9%時，取得最佳增強效果。大量實驗數(shù)據(jù)表明纖維片材的加入使混凝土的抗折強度有了大幅度的提高，在纖維含量達到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效果不是很明顯，在綜合考慮了各項因素之后，得到初步結(jié)論：本次試驗的最優(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，完成實驗預(yù)期目標（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效果4.2體會：1) 思路決定出路。實驗前弄清楚實驗方案，明確下一步的目標，不僅要知道怎么做還要知道為什么這樣做，正如本項課題，最終結(jié)論是通過一項項對比推出的，需要提前設(shè)計好實驗方案。同時試驗周期很長，因此更需要在實驗前明確思路，少做無用功。實驗過程中多與導(dǎo)師交流，及時解決出現(xiàn)的各種問題，一步實驗結(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計劃。2) 細節(jié)決定成敗?；瘜W(xué)實驗必須細心，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)護還是后期的實驗測定都需要嚴格按照步驟操作，任何一個失誤都有可能讓當前的步驟失敗，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)實驗有所幫助，而且那種小心謹慎認真務(wù)實的精神對我們今后人生的發(fā)展也大有裨益。3) 態(tài)