目錄1課題的背景和意義1.1傳統(tǒng)水泥基材料的缺點及補償措施1.2高性能水泥基材料的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀簡介1.3纖維高性能水泥基材料的發(fā)展史及應(yīng)用1.4橡膠粉高性能水泥基材料的發(fā)展及應(yīng)用1.5纖維及橡膠粉對高性能水泥基材料的作用機理及優(yōu)點1.6粉煤灰對水泥基材料的作用機理及優(yōu)點1.7硅灰對水泥基材料的作用機理及優(yōu)點1.8本課題研究的意義2課題的基本內(nèi)容及初步分析3課題研究的目標4擬采用的研究思路和試驗方案5進度安排開題報告題目：纖維橡膠粉高性能水泥基材料應(yīng)用技術(shù)研究材06：指導(dǎo)教師：宋少民教授1課題的背景和意義1.1傳統(tǒng)水泥基材料的缺點及補償措施傳統(tǒng)混凝土中，混凝土內(nèi)應(yīng)力大且復(fù)雜，抗拉伸強度低，能量吸收性差，因脆性而容易產(chǎn)生裂縫。裂縫控制成為一個令人棘手的問題。同時存在收縮大、抗拉強度與抗壓強度比值小，以及斷裂韌性低的弱點，隨著水泥基材料抗壓強度的大幅度提高，十縮與脆性問題也更為突出等問題⑴。雖然在高性能混凝土中，由于摻加礦粉、粉煤灰、膨脹劑等起到了一定的改善效果，但由于混凝土的多種不確定性因素，導(dǎo)致混凝土澆筑后仍存在裂縫。當混凝土的應(yīng)變達到3%。時，普通混凝土的承載能力仍能保持一半以上，但同樣的應(yīng)變值加于高性能混凝土?xí)r，則實際承載力已近于零，即這時在高強混凝土中可觀察到裂縫的形成。而且大部分裂縫發(fā)生在早期，且對混凝土耐久性影響深遠⑵?；炷林袚饺肜w維，使混凝土在受力過程中纖維與混凝土共同受力變形，纖維的牽連作用使混凝土開裂而不斷，并能進一步承受荷載，使混凝土的抗折強度和抗拉強度有了充分的保證。當所用纖維的力學(xué)性能、幾何尺寸與摻量等合適時，可使復(fù)合材料的抗拉強度有明顯的提高⑹。在西方一些國家中，在混凝土中摻加纖維能起到很好的作用，同時將廢舊輪胎制成的橡膠粉以一定摻量加到混凝土中，填充孔隙改善水泥與骨料的界面狀況，能夠約束微裂縫的產(chǎn)生和擴展，并形成吸收應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)變形中心，可吸收抗震動能，從而明顯改善混凝土的抗沖擊性，提高混凝土的抗震性能⑶。進而達到混凝土的增韌減脆和抑制十縮變形。1.2高性能水泥基材料的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀簡介1990年年5月，在美國國家標準與技術(shù)研究所(AIST)和美國混凝土協(xié)會(ACI)主辦的第一屆高性能混凝土?xí)h上，首次提出了高性能混凝土(HighPerformanceConcrete,簡稱HPC）的概念⑷。認為HPC是同時具有某些性能的均質(zhì)混凝土，必須采用嚴格的施工工藝與優(yōu)質(zhì)原材料，配制成便于澆搗、不離析、力學(xué)性能穩(wěn)定、早期強度高、并具有韌性和體積穩(wěn)定性的混凝土；特別適合于高層建筑、橋梁以及暴露在嚴酷環(huán)境下的建筑物。HPC必須具備高耐久性、高工作性、同時高性能混凝土必須具有較高的韌性、良好的體積穩(wěn)定性和長期的力學(xué)穩(wěn)定性。高性能混凝土的高韌性要求其具有良好地抵抗地震荷載、疲勞荷載及沖擊荷載的能力，混凝土的韌性可通過在混凝土中摻加引氣劑、采用高性能纖維混凝土或摻加橡膠粉等措施得到提高。高性能混凝土的體積穩(wěn)定性表現(xiàn)在其優(yōu)良的抗初期開性，低的溫度變形、低徐變及低的自收縮變形⑸。高性能混凝土的性能的提高和改善基本上都可以通過摻加摻合料、改善配合比、改良骨料級配及摻加高效外加劑得到。1.3纖維高性能水泥基材料的發(fā)展歷史及應(yīng)用近十幾年來，隨著化學(xué)纖維工業(yè)在世界范圍內(nèi)的高速發(fā)展，合成纖維的應(yīng)用范圍已日益擴大。由于水泥是當今消耗最大的建筑材料，而水泥砂漿與混凝土中又存在抗拉強度低、干縮率大、變形能力低、脆性大和抗沖擊性差等缺點，將某些抗堿性強、力學(xué)性能優(yōu)良的合成纖維用不同方式與水泥砂漿或混凝土相復(fù)合，能在不同程度上改善后者的力學(xué)與物理性能，并提高它們的使用價值和耐久性。因此，研究用某些合成纖維作為水泥基體的增強材料已引起廣泛重視。在1992年7月RILM召開的第四屆纖維水泥與纖維混凝土國際學(xué)術(shù)會議及1996年在廣州召開的纖維增強混凝土國際學(xué)術(shù)會議上，有關(guān)合成纖維混凝土方面的論文約占全部論文的40%。在我國近10年來召開過8屆全國纖維水泥與纖維混凝土學(xué)術(shù)會議。2002年11月在鄭州市召開全國第九屆纖維水泥與纖維混凝土學(xué)術(shù)會議，論文中有聚丙烯腈等許多合成纖維混凝土的研究成果。國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議是洞察本行業(yè)科技發(fā)展動向的窗口，由此不難得知，用合成纖維作為水泥基體的增強材料已受到國內(nèi)、外同行的高度重視⑻。纖維增強水泥基復(fù)合材料是由水泥凈漿、砂漿或水泥混凝土作基材，以非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維作增強材料組合而成的一種復(fù)合材料［1］。在纖維增強水泥基復(fù)合材料中，纖維的主要作用在于阻止微裂縫的擴展，具體表現(xiàn)在提高復(fù)合材料的抗拉、抗裂、抗?jié)B及抗沖擊、抗凍性等［6］。纖維混凝土是當代迅速發(fā)展的新型復(fù)合建筑材料，尤其以鋼纖維混凝土及合成纖維混凝土發(fā)展最快。鋼纖維對混凝土具有顯著的阻裂、增強和增韌作用⑵。而在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維能有效改善混凝土材料的物理性能，具有較好的抗?jié)B和抗凍性，并能減少混凝土的早期干縮及塑性裂紋，提高混凝土的抗裂性⑺。纖維混凝土作為一種新型建筑材料，它將合成化學(xué)纖維和傳統(tǒng)的混凝土相結(jié)合，可有效防止混凝土因早期十縮，塌沉所引起的內(nèi)蘊裂縫。纖維混凝土的應(yīng)用范圍很廣，在高層、大跨建筑工程，高速公路路面,荷載較大的倉庫地面、機場等結(jié)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用。1.4橡膠粉高性能水泥基材料的發(fā)展及應(yīng)用橡膠粉混凝土也擁有普通混凝土所不具備的特殊性能，它包括：輕質(zhì)、增韌減脆、隔震減震、保溫防水、延性和韌性好等，目前已有學(xué)者定義橡膠水泥混凝土為“彈性混凝土”［20］。目前國際上對橡膠粉應(yīng)用到混凝土方面的技術(shù)發(fā)展是快速的，主要的技術(shù)路線是通過摻加合理的橡膠粉可以對混凝土的韌性和抗裂性能進行改善，通過對橡膠粉的表面處理，采用適當?shù)呐浜媳仍O(shè)計，研究混凝土中橡膠粉和粉煤灰雙摻對以高性能混凝土理念配制的混凝土性能的影響，對其力學(xué)性能和耐久性能進行試驗。人們經(jīng)常將橡膠粉末或橡膠顆粒以一定的比例代替部分骨料或水泥摻加到混凝土中，但是試驗結(jié)果表明，這種混凝土的力學(xué)性能有很大下降。橡膠粉（顆粒）的摻量在10%以下時，可以改善混凝土抗?jié)B性能;摻量超過10%時,抗?jié)B性能就出現(xiàn)下降的趨勢（1）橡膠混凝土的力學(xué)性能比基準混凝土要低，配比不同的橡膠混凝土的力學(xué)性能下降的程度不同。（2）摻橡膠粉（顆粒）對混凝土的抗凍性能有很大提高，其中，摻橡膠粉比摻橡膠顆粒對改善抗凍性能的效果要好，橡膠混凝土的抗?jié)B標號均可達到P12。（3）橡膠粉（顆粒）的摻量在10%以下時，可以改善混凝土抗?jié)B性能;摻量超過10%時，抗?jié)B性能就出現(xiàn)下降的趨勢。橡膠粉與橡膠顆粒對改善抗?jié)B性能的區(qū)別不明顯［21］。將橡膠粉應(yīng)用于瀝青混凝土的研究是非常成功的，橡膠瀝青混凝土有較好的抗滑性能，減少了道路的疲勞開裂，延長了使用壽命［16,17］。橡膠混凝土在未來的應(yīng)用前景十分光明，預(yù)期可以廣泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：道路工程，高抗震地區(qū)建筑，要求振動阻尼高的場所，如基礎(chǔ)工程和火車站等，抗沖擊和抗爆炸的部位，如高速公路的圍檔及碉堡等，建筑裝飾材料，自流平填料等"⑼。1.5纖維及橡膠粉對高性能水泥基材料的作用機理及優(yōu)點微集料彈性效應(yīng)混凝土體系可以看成連續(xù)級配的顆粒堆積體系，橡膠粉等體積代替部分砂，而且橡膠粉具有良好的彈性。粗骨料間隙由細集料及橡膠粉填充，并增加了界面的連接彈性。細集料間隙由水泥顆粒填充，水泥顆粒間隙由粉煤灰微粉效應(yīng)發(fā)揮作用,使混凝土形成自緊密體系。以上這些作用聯(lián)合互補，增加了混凝土裂縫擴展的阻力和增加了混凝土的韌性，降低脆性,減小了干縮率。由此從總體結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)上提高了混凝土的抗裂能力，減小了混凝土裂縫的發(fā)生［10］。均勻分散的纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)⑵］，起到了支撐集料的作用，其效果是阻止粗、細集料的沉降，減少混凝土表面的析水和離析。從而可以有效降低由于基材收縮引起的內(nèi)力，而且單位體積中纖維根數(shù)多，與水泥基體粘結(jié)面達，纖維與水泥基體之間界面粘結(jié)力會增大混凝土抵抗收縮變形的能力。水泥基材料與鋼纖維是緊密結(jié)合在一起,鋼纖維將限制水泥基體產(chǎn)生過大的變形，于是在基體與鋼纖維之間的界面部分便產(chǎn)生了剪應(yīng)力和剪應(yīng)變，并將所承受的載荷合理分配到鋼纖維和水泥基體這兩個組成部分上。鋼纖維通過界面上沿其軸向的剪應(yīng)力傳遞載荷，會受到比基體中更大的拉應(yīng)力,這就是鋼纖維能增強混凝土基體的主要原因,鋼纖維的增強作用可歸結(jié)為3個方面：顯著提高混凝土的韌性或能量吸收能力；提高混凝土的抗拉極限或抗拉強度或應(yīng)變；改善混凝土控制裂紋的能力例。關(guān)于聚丙烯纖維在混凝土/砂漿中的作用機理，現(xiàn)存在兩種理論:美國Romualdi的“纖維間距機理”和英國Swamy的“復(fù)合材料機理”。根據(jù)這兩種理論,聚丙烯纖維在混凝土/砂漿中主要有以下三種作用：①提高混凝土/砂漿的抗拉強度；②阻止混凝土/砂漿中微裂紋的擴展并延緩新裂紋的出現(xiàn)；③提高混凝土/砂漿的變形能力從而改善其韌性、抗沖擊性［24］。其次還有聚丙烯纖維的增稠效應(yīng)增稠效應(yīng)能減少混凝土的離析、泌水，但不利于混凝土的振動密實，為了防止因摻聚丙烯纖維造成混凝土強度下降，應(yīng)隨著纖維摻量的提高而適當延長混凝土的振動時間。阻裂效應(yīng)聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)是指對混凝土早期塑性開裂的抑制作用，也是聚丙烯纖維的最主要的效應(yīng)。界面效應(yīng)：由于聚丙烯纖維的細度小、比表面積大，在混凝土中分散后獲取很大的纖維基材界面，因聚丙烯纖維的不親水性，造成纖維基材界面呈弱界面效應(yīng)，對混凝土強度不利。摻入粉煤灰、礦渣微粉等活性材料是改善纖維基材界面常用的方法［13］。1.6粉煤灰對水泥基材料的作用機理及優(yōu)點粉煤灰效應(yīng)：利用粉煤灰的火山灰活性、形態(tài)和微集料等三大效應(yīng),用粉煤灰超量取代部分水泥，水灰比降低、用水量減少。粉煤灰每摻入10%，降低水化熱7%，明顯降低了混凝土的溫差，減少了溫度應(yīng)力，混凝土的抗拉強度、極限拉伸提高，彈性模量降低。同時粉煤灰取代部分水泥，使粉煤灰混凝土需水量少、十縮率?。?0］。1.7硅灰對水泥基材料的作用機理及優(yōu)點硅粉作為一種微細礦粉，具有較強的火山灰活性及其較小的粒徑和較大的比表面積，它能夠大大改善硬化水泥漿體微結(jié)構(gòu)。探求出合理有效的硅粉摻量，這對再生混凝的實際生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)作用。由于聚丙烯纖維具有不親水性，纖維與基材界面的水灰比往往高于基材本身,形成弱界面效應(yīng),不利于混凝土的強度，而摻入硅粉后,硬化水泥漿體與骨料的界面性能得改善，聚丙烯纖維在界面處的粘結(jié)力得以提高，增加了纖維的界面脫粘強度，在混凝土的受力過程中，纖維不易被拔出，表現(xiàn)為拉斷，這就充分發(fā)揮了聚丙烯纖維的抗拉強度大的特點。由于混凝土抗壓強度提高幅度較劈拉強度要高，混凝土的拉壓比將會減少，進而導(dǎo)致混凝土的脆性增加，這是硅粉摻入所帶來的負面影響uh。1.8本課題研究的意義向混凝土中添加一定量的聚丙烯纖維，既能保證混凝土仍然具有良好的施工性能，而且也能很好的達到增韌減脆的目的;鋼纖維對混凝土有很好的增韌效果，但是鋼纖維對混凝土的施工性能有很大的不利影響，不利于內(nèi)部氣體的排除，容易增加混凝土內(nèi)部的宏觀缺陷，但可以通過使用高效減水劑、優(yōu)質(zhì)礦物摻合料以及合適的振搗工藝得到改善。橡膠粉是利用廢棄的橡膠制品通過機械粉碎得到的回收產(chǎn)品，在混凝土中添加橡膠粉，對混凝土的韌性有一定的改善作用，應(yīng)該說對混凝土硬化早期的開裂有很好的改善作用。它能夠很好的緩解混凝土硬化早期由于各種因素造成的拉伸應(yīng)力，減少宏觀裂縫的發(fā)生與發(fā)展。當混凝土受到?jīng)_擊荷載的作用時，橡膠粉將成為混凝土內(nèi)部的吸能中心，提高混凝土的抗沖擊能力［12］°研究表明，橡膠粉以一定的摻量加入到混凝土中，能填充其中的孔隙，改善水泥與骨料的界面狀況，約束微裂縫的產(chǎn)生和擴展，并形成吸收應(yīng)變能的結(jié)構(gòu)變形中心，可吸收震動能，從而明顯改善混凝土的抗沖擊性，提高混凝土的抗震性能［14］。橡膠集料摻量達到一定程度的混凝土斷裂模式不同于普通混凝土的脆性斷裂，而是呈塑性屈服破壞形態(tài)，反復(fù)加載至破壞循環(huán)多次都不會完全破碎，能量吸收能力比普通混凝土增加25%以上，極限拉、壓應(yīng)變遠遠大于普通混凝土［12］。隨著國家建設(shè)的不斷發(fā)展和人們對工程質(zhì)量要求的日益提高，我們有理由相信,纖維混凝土將展示出它超群的優(yōu)勢。能夠有效提高混凝土的抗裂能力、大大提高混凝土的防水抗?jié)B性能、增強抗沖擊及抗震能力、增強抗凍能力、提高混凝土抗沖擊耐磨性、具有良好的外觀，該產(chǎn)品可使混凝土工程質(zhì)量顯著提高,使混凝土建筑壽命大大延長，極大地減少工程維護費用［15］。在混凝土中摻加纖維能夠很好的改善混凝土的斷裂韌性和沖擊韌性，而橡膠粉對于混凝土的韌性也有一定的改善作用，對于硬化早期的混凝土，橡膠粉對混凝土的抗裂性可能有更好的改善效果。同時橡膠粉混凝土也是一種綠色混凝土，它不僅能對混凝土的韌性有改善作用，也能夠減輕橡膠產(chǎn)品的廢棄物對環(huán)境造成的巨大污染壓力。將纖維和橡膠粉以合適的摻量、尺寸摻入到混凝土中，將極大地改善混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性。如果將此項技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)中，將使結(jié)構(gòu)的延性、韌性和抗震性能得到大幅度的提高，進而可以更好的促進我國民經(jīng)濟的發(fā)展和我國資源的可持續(xù)發(fā)展。2課題的基本內(nèi)容及初步分析纖維橡膠粉高性能水泥基材料是指在將水泥基材料高性能化的前提下，將可以改善水泥基材料工作性能、力學(xué)性能和耐久性能的纖維和橡膠粉摻入其中。本課題對摻入纖維和橡膠粉的水泥凈漿、砂漿和混凝土的各方面性能的進行研究。希望能在，使用優(yōu)質(zhì)礦物摻合料，高效減水劑，優(yōu)化配合比等技術(shù)路線的前提下，能將傳統(tǒng)的混凝土的干縮變形，裂縫控制和脆性破壞等方面的不利于結(jié)構(gòu)方面的因素加以改善，進而可以達到混凝土的增韌減脆，改善其抗震性能。主要研究內(nèi)容：（1）、橡膠粉物理性質(zhì)及表面處理（2）、鋼纖維、聚丙烯纖維物理性質(zhì)及力學(xué)性能（3）、粉煤灰、硅灰及減水劑的物理性質(zhì)（4）、水泥、砂子、石子的物理學(xué)性能（5）、水泥砂漿的性能研究a、工作性能b、力學(xué)性能（6）、纖維橡膠粉高性能混凝土性能研究1）、纖維橡膠粉高性能混凝土的配置a、配置高性能混凝土的途徑b、摻合料的作用c、外加劑的作用2）、纖維橡膠粉高性能混凝土的工作性3）、纖維橡膠粉高性能混凝土力學(xué)性能研究4）、纖維橡膠粉高性能混凝土耐久性能研究a、混凝土早期收縮性能；b、混凝土抗氯離子滲透性能；c、混凝土抗?jié)B性；d、混凝土抗凍融破壞性能；e、混凝土抗硫酸鹽侵蝕；f、混凝土抗碳化性能；、纖維橡膠粉高性能混凝土的增韌減脆性能研究a、高性能混凝土脆性原因分析b、改善高性能混凝土韌性的措施c、鋼纖維、聚丙烯纖維、橡膠粉對混凝土斷裂性能的影響d、鋼纖維、聚丙烯纖維、橡膠粉混凝土增韌減脆的機理探討、纖維橡膠粉高性能混凝土抗震性能研究3課題研究的目標通過對傳統(tǒng)水泥基材料脆性原因的分析，從而獲得增韌減脆的途徑；通過配置纖維橡膠粉高性能混凝土，了解礦物摻合料、高效減水劑對混凝土的影響及作用機理；研究鋼纖維、聚丙烯纖維以及橡膠粉對改善混凝土韌性的作用效果；通過分析纖維及橡膠粉對混凝土的增韌機理，從而獲得進一步優(yōu)化、改進增韌措施的技術(shù)方法。通過構(gòu)件試驗，分析纖維橡膠高性能混凝土構(gòu)件的隔震抗震性能。4擬采用的研究思路和試驗方案廣泛閱讀國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)資料，經(jīng)過分析、論證、優(yōu)化、集成；采用絕對體積法法，通過把不同原材料、水膠比、粉煤灰摻量、膠凝材料摻量、橡膠粉摻量、纖維摻量、砂率以及不同養(yǎng)護條件下配制的混凝土在和易性、表觀密度、力學(xué)性能、耐久性能方面進行對比，研究水膠比、膠凝材料總量、橡膠粉摻量、纖維摻量、砂率、養(yǎng)護制度對耐久性能影響規(guī)律，進而探討它們在摻加纖維和橡膠粉高性能混凝土中的行為特點與機理。本課題采用高性能混凝土技術(shù)路線:低水膠比、高效減水劑與摻加粉煤灰與硅灰。原材料性能分析；配合比設(shè)計；試驗制作試塊，并養(yǎng)護；檢測試塊的性能：體積密度、抗壓強度、抗折強度、抗疲勞強度、彈性模量測定試驗、氯離子滲透試驗、抗?jié)B試驗、碳化試驗、抗凍性、干縮性、微觀分析等；主要試驗：抗凍性試驗；抗壓強度試驗；抗?jié)B性試驗；硫酸鹽侵蝕試驗；碳化試驗；干燥收縮性試驗；SEM試驗；抗疲勞試驗彈性模量測定試驗5進度安排2007年12月一2008年1月：原材資源調(diào)查分類、取樣、檢驗、分析；2008年2月一2008年6月：混凝土配合比、力學(xué)性能、耐久性研究；2008年7—8月：混凝土微結(jié)構(gòu)研究，對各類試驗數(shù)據(jù)進行分析、歸納，探討各原材在混凝土中的行為特征與機理；2008年9—11月：撰寫與修改畢業(yè)論文。參考文獻沈榮熹崔琪李海清新型纖維增強水泥基復(fù)合材料中國建材工業(yè)出版社黃承逵纖維混凝土結(jié)構(gòu)機械工業(yè)出版社陳波張亞梅陳勝雷張才華橡膠混凝土性能的初步研究東南大學(xué)材料科學(xué)與工程系CarinoNJ,CliftonJR.Highperformanceconcrete:researchneedstoenhanceitsuse.ConcreteInternational,1991(19).黃榮華陳輝關(guān)于高性能混凝土若干問題的討論湖南省建筑工程集團總公司湖南長沙410004西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院四川成都610031賈哲姜波等纖維增強水泥基復(fù)合材料研究進展西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院710049虞孝偉張其努等摻聚丙烯纖維抗裂防滲混凝土的研制與應(yīng)用吳江公興混凝土有限公司江蘇吳江215221馬俊纖維增強水泥基符合材料的新發(fā)展東莞市虎門鎮(zhèn)建筑質(zhì)量監(jiān)督站廣東東莞511700龍廣成謝友均李建廢舊橡膠顆粒改性水泥混凝土及其工程應(yīng)用中南大學(xué)土木建筑學(xué)院土木工程材料研究所410075孟云芳王德志韓靜云粉煤灰橡膠粉改善混凝土抗裂性能研究寧夏大學(xué)水利和土木工程學(xué)院寧夏銀川750021吳建華馬石城聚丙烯纖維再生混凝土力學(xué)性能影響因素的試驗研究湘潭大學(xué)湖南大學(xué)劉剛高強混凝土的斷裂脆性及其增韌減脆措施試驗研究馬安淺析聚丙烯纖維在混凝土中的作用江蘇省南通市建設(shè)混凝土有限公司南通