关键词：
尾矿砂
PVA纤维
水泥基复合材料
力学性能
摘要：
韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料,是以矿业废弃的尾矿砂部分替代细骨料、以粉煤灰部分替代水泥胶凝材料,采用ECC技术制备的PVA纤维增强水泥基复合材料,具有节约天然砂资源、降低水泥用量、保护环境等特性。本研究在课题组前期工作的基础之上,选用50%尾矿砂和54%粉煤灰的大比例替代率制备韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料,参考国内外试验方法开展了立方体抗压、薄板拉伸、薄板弯曲、双面剪切和冲击韧性等力学性能试验研究,获得了该复合材料的基本静动态力学性能,分析了纤维与基体的相互作用及增韧机理,讨论了纤维掺量和水胶比二元因素对增韧性能的影响,开展了该复合材料三点弯曲试验及挠度损伤研究。本文完成的主要工作和取得的主要成果如下:(1)通过理论分析和试验研究,确定了韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料的配合比和可行的制备工艺,合理选择纤维、水泥、骨料及添加剂等原材料,有效解决了PVA纤维在水泥基体中分散问题。试验表明,本研究确定的配合比和制备工艺是可行的。(2)针对韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料,开展了基本静态力学试验,获得了该复合材料抗压、拉伸、弯曲和抗剪切等强度指标和韧性指标,以及各类试验过程中的形变特性。在不同试验中,该复合材料均表现出了良好的强度、延性和韧性,在拉伸和弯曲试验中出现明显的假应变硬化现象,在拉应力状态下破坏时呈现多缝开裂特性,这些都是水泥基复合材料延性变形的典型特征,表明该复合材料具有很强的能量吸收能力。(3)采用落锤冲击圆板法和扫描电子显微镜试验,对韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料开展了冲击韧性试样和冲击破坏的微观特性研究,通过宏观与微观相结合的方法确定了该复合材料抗冲击破坏机理及配比关键参数的影响。扫描电子显微镜试验表明,PVA纤维在尾矿砂PVA水泥基复合材料内部呈乱向均衡分布,纤维分布姿态和间距合理,纤维与水泥基体粘结状态良好,冲击试验呈现纤维拉出和纤维断裂两种破坏形态,破坏形式合理。(4)从双线性模型的角度出发,引入以挠度为因变量的损伤模型,并通过三点弯曲试验,进行了韧性尾矿砂PVA水泥基复合材料的损伤分析,并讨论了水胶比对于损伤的影响。试样显示,不同水胶比的各组试样的起裂损伤变量值和失稳损伤变量值相差不大,尽管失稳挠度随着水胶比的提高有所增大,但损伤状态并没有因此得到改善。(5)基于试样断口纤维破坏形态,分析了有裂缝基体中纤维的桥接及能量传递作用,揭示了纤维将开裂基体释放的应力传递给周围未开裂的基体的过程,研究了纤维阻裂增韧机理。在试验配比范围内,讨论了纤维掺量和水胶比对材料力学性能及其交互影响。
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