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柔性纤维与力学性能的深度互动

更新时间: 2024-11-26 14:35:10  查看次数: 60    
柔性纤维作为添加到混凝土里的一种材料,早在 20 世纪 80 年代就开始用来让混凝土的各种性能变得更好了。它和刚性纤维不一样,柔性纤维的弹性模量比较低,在 3D 打印的时候,如果受到骨料和浆体的挤压,就会发生形状变化、弯曲,这样在试件做好之后,纤维在材料里就是乱糟糟分布的,这就有可能提高 3D 打印混凝土的力学性能,还能让材料力学性能在不同方向上的差异变小。这一章用了不同种类、长度和掺量的 3D 打印柔性纤维来增强混凝土,然后用不同测试方向的力学性能,来说明柔性纤维对 3D 打印混凝土基体力学性能在不同方向上有什么影响。研究参考了页岩力学性能测试的方法,用三向抗压强度、双向抗折强度来表示 3D 打印混凝土的力学性能。结合之前的研究结果来看,虽然 3D 打印纤维增强混凝土材料的流变性能会因为纤维的种类、掺量和长度改变而变化,但是用不同的挤出速度来配合之后,就能得到打印质量一样的 3D 打印混凝土试件。这个时候,虽然试件打印质量相同,但是不同的流变性能会让试件里面的孔隙率不一样。林晖在研究里说过,混凝土里的空气含量会随着 PVA 纤维掺量增加而变大;张悦也说过,PP 纤维掺量增加的时候,新拌混凝土的坍落度会慢慢变小,泌水率慢慢降低,含气量慢慢变大。这些研究结果就是说,柔性纤维掺量变多会让混凝土里的空气变多。
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3D 打印混凝土和普通混凝土比起来,多了一个挤出成型的步骤。在 5.3.3 节里,对于纤维掺量比较高、流变性能指标比较高的材料,匹配了比较快的挤出速度,在快速搅拌挤出的时候,螺旋桨叶片对材料的高速剪切会让材料里的空气变得更多,有比较长或者掺量比较大的纤维的试件,孔隙率可能比没掺纤维的基体大很多。总的来说,柔性纤维增强 3D 打印混凝土力学性能的时候,影响的原理主要有这两个方面:3D 打印混凝土里的柔性纤维是乱乱地分布的,挡在裂缝要发展的方向上的纤维能阻止材料裂缝变大,让材料的力学性能变好,让材料力学性能在不同方向上的差异变小;纤维加进去会让材料本身的空气含量变高,如果用比较长或者掺量比较大的纤维来增强材料性能,就会对 3D 打印混凝土的流变性能有比较大的影响,在 3D 打印的时候又会让材料的空气含量变高,等硬化之后,试件整体的孔隙率就变大了,这样可能会让材料的力学性能变差。在正常使用的素混凝土里,应力是靠材料变形来消除的,但是如果应力比材料能承受的最大应力还大,材料的变形也超过了极限,就会产生小裂缝,随着应力再变大,小裂缝就会变成大裂缝,而且在裂缝的尖端还会不断产生新的小裂缝,让裂缝朝着一定的方向发展。和素混凝土不一样,纤维增强混凝土里有不同方向分布的纤维,当裂缝在纤维增强混凝土里发展的时候,挡在裂缝发展方向上的纤维会挡住裂缝发展。这个时候裂缝要么改变方向,要么被纤维释放一部分应力。挡在裂缝发展方向上的纤维因为自身弹性模量和它与基体结合效果不一样,会出现被拉伸、断裂或者被拉伸然后从基体里拔出来断裂的情况,这样就消除了材料受到的应力,让材料整体的力学性能变好了。