纤维磷酸钾镁水泥加固砂浆粘结性能及机理研究.docx

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1、福州大学硕士研究生论文开题报告论文题目纤维磷酸钾镁水泥加固砂浆粘结性能及机理研究姓名学 号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核 意见导师签名：年 月 日审核小组 意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确 是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年 月 日学位点 意见学位点负责人签名：年 月 日1.1 研究背景随着我国大量的钢筋混凝土结构不断老化，修补与加固日益成为热门的话题。据统计, 目前我国将近有50亿立方米混凝土结构建筑面临加固或维修。由于各种原因所引起的建筑结 构失效和功能失效，不仅影响了人们的正常生活，而且造成了巨大的经济损失。如

2、何对这些 受损结构进行可靠性鉴定并采取合理的措施加固、修复，使结构能够重新达到设计使用年限 或者更长的服役寿命，是当今建筑行业面临的严肃问题。早在上世纪的60年代，我国就已经开始了和水泥制品修补材料的研究和应用工作，但 由于当时混凝土建筑和水泥制品的数量不大，且使用期限比较短，因此修补材料的用量不大, 且使用期限比较短，因此修补材料的用量不大，只是在水工混凝土、桥梁维护和水泥制管厂 等有些应用，同时，受当时可选择原材料的限制，品种和种类也很少，主要以环氧树脂砂浆 为主，而且发展速度也很缓慢。到80年代后期和90年代时，由于混凝土建筑和水泥制品使 用数量的猛增，以及人们对建筑物质量意识的提高，使

3、得修补材料的研究和应用得到了很大 发展。从90年代至今，人们对各种纤维布加固混凝土结构进行了大量的试验研究和和理论分 析P，推动了混凝土结构修补加固向前发展。修补材料的应用已从过去单纯的混凝土破坏修 复，发展为混凝土结构和水泥制品的加固补强；混凝土结构和水泥制品的维护和提高耐久性; 新、老混凝土的裂缝修补；混凝土结构抗渗防潮修补；混凝土和水泥制品的耐腐蚀修补；道 路混凝土的耐磨修补等各个方面。国外多位学者研究表明3】，对于局部腐蚀破坏的混凝土 结构，在相应位置上采用修补加固材料进行修复，比推倒重建更加方便和节约成本。对于目 前国内大量的既有混凝土结构所面临的耐久性问题，采用新的设计方法来修补加

4、固已受损(或 未受损)的既有混凝土结构是一个迫切需要进行的举措。现在对于混凝土结构加固方法比较多，混凝土结构加固设计规范中介绍的具体有：增 大截面加固法、置换混凝土加固法、外加预应力加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材 料加固法、预应力碳纤维复合板加固法、增设支点加固法、预张紧钢丝绳网片一聚合物砂浆 面层加固法、绕丝加固法、植筋技术、锚栓技术、裂缝修补技术等。近年来发展起来的高韧性纤维水泥基复合材料DFRCC(DUCtile Fiber Reinforced Cement Composites, DFRCC)就是一种可用于加固领域的高性能水泥基复合材料，其中的代表性材料 ECC (Engin

5、eered Cementitious Composites)具有类似金属材料的拉伸强化性能，其极限拉伸 应变可达5%6%,几乎相当于钢材的塑性变形能力，是一种具有像金属一样可变性的混凝土 材料“2】。加固结构属于组合结构，新旧两部分存在着整体工作问题，而整体工作的关键在于 结合面能否有效的传递剪力。大量的研究表明，纤维可以减少混凝土的收缩变形“3,，而聚 合物可以改善混凝土的微观孔结构U5，。与传统的纤维聚合物复合材料加固相比，无机胶凝 材料一般具有耐久性好、耐火性优良、与旧混凝土粘结力好、价格低等优点，因此，采用无 机胶凝材料作为基体，与纤维材料结合形成复合材料来加固钢筋混凝土构件已成为结构

6、加固 领域的一个新的研究方向“力。磷酸镁水泥（MagneSiUm phosphate cement, MPe）作为一种新型胶凝材料近几年受到越来 越多的关注，那么当磷酸镁水泥用做ECC材料加固混凝土结构，其与旧混凝土结构界面粘结 性能如何？粘结机理是什么？这都需要我们进行深入研究。1.2 国内外研究现状磷酸镁水泥是由烧结氧化镁与可溶性磷酸盐、外加剂以及矿物掺和料按照一定比例，在 酸性条件下通过酸碱化学反应生成的以磷酸盐水化物为黏结相的新型无机胶凝材料，国外学 者又将其命名为 CBPCs（Chemically bonded phosphate ceramics） 0磷酸镁水泥是一种新型气硬性胶凝

7、材料，同时具有化学结合陶瓷的属性，具有一系列传 统结构材料无以比拟的性能：（1）凝结硬化迅速，早期强度高，3h强度可达50MPa以上I； （2）与旧混凝土有相近的弹性模量和膨胀系数，体积相容性好，粘结强度高U”（3）作为修补 材料使用，具有优异的耐磨性能，经5000转的磨损作用，磨蚀深度仅在0.3Omm左右，耐磨 度高出普通硅酸盐水泥制品的1倍a。】；（4）对钢筋的防锈性能好，同等条件下，钢筋的锈蚀 率仅为普通硅酸盐水泥的22.8%和矿渣水泥的48.6%12叫（5）抗盐冻剥蚀性能好，40次冻融循 环后才出现表面剥蚀现象（6）耐热性能好，理论上至少可以经受1300C；超过8（XrC时， 硬化水泥

8、石转为类似陶瓷的结构，强度反而提高I； （7）可以有效胶结除聚合物以外的各种废 弃物，掺量大，有利于环保，降低成本并提高磷酸镁水泥的性能12叫（8）镁质原料来源广泛， 中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，其菱镁矿资源总量31.45亿吨，还有探明储量在40亿 吨以上的白云石矿，这些资源不但丰度高，还容易进行许多自然循环，这意味着磷酸镁水泥 有着无穷无尽的镁质原料来源。力学性能同样优异的磷酸钾镁水泥（MKPC）因克服了磷酸 镂镁水泥（MAPC）水化反应和成型时会放出气味难闻的氨气的缺陷而逐渐引起人们的广泛 关注。本课题所研究的水泥基体就是磷酸钾镁水泥。对于修补加固材料来说，最关键的因素是修补固材料能

9、否和基质混凝土充分有效的粘结 侬-26,其粘结界面区是“一条铁链强度最薄弱的环节，影响粘结性的因素很多，一般可以归 结为以下主要影响因素：（1）结合面处理方法；（2）修补材料的选择和应用；（3）粘结剂的 选择和使用；（4）老碎基层的质量；（5）新补碎的养护条件；（6）修补结构所处使用环境PL 对于这些影响纤维修补加固砂浆粘结性能的因素，国外学者做了非常多的研究，具体如下：年份作者研究内容2008Kang1281认为亲水性PVA纤维是一种非常适合作为水泥基加固材料或聚 脂强力砂浆的聚合物纤维，因为PVA纤维能与聚合物和水泥基 体形成良好的胶结。2009XU29)2009Sahmaran13320

10、10Skourup131,2011Mallatf321通过剪切和弯折实验，研究了修补砂浆与基体的粘结性能，得出 了粘合面的粗糙程度和湿度条件会影响修补砂浆的粘结性能，还通过电镜扫描，研究了其粘合界面区，指出合成纤维和增稠剂不 会改变水泥水化产物的本质，但是硅灰的加入会改善界面区和界 面转换区的力学性能，会得到更好的粘结效果。2013LUo网通过正交试验，往修补砂浆中加入聚乙烯醇(PVA)纤维和亲水 性环氧树脂，对其的粘结性能和韧性做出了研究，试验结果表明： PVA纤维的强度对其断裂韧性、粘合强度和冲击韧性影响最大； PVA纤维均匀的分散在砂浆中，在适当的荷载下能与亲水性环氧 树脂和水泥基体共同

11、受力，当开裂拔出时，PVA纤维能充当连接 开裂砂浆之间的桥梁，继续承受荷载。国内学者同样对此做，研究，具体如下：年份作者研究内容2001韩菊红以)研究了粗糙度对新老混凝土粘结性能的影响，均得出粗糙度对新 老混凝土的粘结性能有明显的影响，提高粘结界面的粗糙度能明 显改善新老混凝土的粘结性能。但是当粗糙程度到达一定强度 时，其对新老混凝土粘结性能的影响程度减弱。2005马东歧田2009张作旺Ml2008刘德春13刀根据化学“相似相溶”原理，用水镁石纤维作为水泥基道路修补砂 浆的增强材料，由于纤维水镁石和硅酸盐水泥同属极性物质，二 者具有良好的化学相容性，其接触界面之间有很大的界面粘结 力，研究结果

12、表明甲基纤维素在掺量合适的情况下，能使砂浆既 保水又不会降低后期水泥胶砂的抗折强度，甲基纤维素酸由于其 保水功能要吸附大量的水，使得在水泥水化的初期参与水泥水化 的水分减少，会使早期的水化反应延缓。2010梅迎军138)研究了钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维三种不同种类纤维和SBR 乳液在单掺、复掺时对砂浆与混凝土基体之间界面粘结强度的影 响，结果表明不同种类的纤维砂浆在复掺SBR乳液的情况下， 均能有效改善纤维砂浆与基体之间界面粘结性能，且随着乳液掺 量的增加作用效果更好。纵观国内外学者对修补砂浆粘结性能的研究，磷酸镁水泥在修补材料上有着独特的优势。 MPC基材料与老混凝土有较高的粘结强度，这是因

13、为MPC中的磷酸盐能与普通硅酸盐水泥混 凝土中的水化产物或未水化的熟料颗粒反应生成具有胶凝性的磷酸钙产物，使粘结界面附近 除了物理粘结外，还存在很强的化学粘结作用；MPC基材料硬化时收缩变形小，有较好的体 积稳定性，同时还具有优良的抗冻性和抗盐冻剥蚀性能，这均缘于该水泥的需水量很小，使 得硬化体内部结构密实。由于MPC中的磷酸盐会与钙、硅和铝类氧化物玻璃相反应生成具有 较高密实度和强度的无定形水化物，MPC与富含钙、硅和铝元素的无机掺合料和无机骨料有 较好的界面结合作用，掺粉煤灰和无机钙硅质细骨料的MPC砂浆的抗折强度远高于硅酸盐水 泥砂浆的抗折强度【。已经有一部分学者注意到了磷酸镁水泥这种新

14、型水泥，并对其修补领 域做出了研究。汪宏涛31，杨全兵等提出了 MPC是一种非常有研究价值、节能环保的潜在新型修补 材料，可以广泛应用于道路、桥梁、机场跑道的快速修补等。周正伟】研究了以MPC为胶 凝材料的修补剂混凝土路面的路用性能。但外国学者”判经过多次实验，发现这种胶凝材料 在用于修补时，终凝时间太快，稠度高，较大面积修补施工时可操作性较差。周启兆呻研究 了影响磷酸镁水泥作为路面修补剂时终凝时间和抗压强度的主要关系。可见MPC大多用在路面修补上面,也有少量以MPC为基体的纤维增强复合材料的研究: 掺适量钢纤维可以有效改善MPC基材料的韧性并保持良好的耐久性MS；与硅酸盐水泥基材 料比较，M

15、PC基材料与纤维有更好的粘接强度和相容性，由玻璃纤维、聚丙烯纤维和钢纤维 增强的MPC基复合材料的力学性能和耐久性均优于硅酸盐水泥复合材料,掺适量的聚丙烯纤 维或钢纤维可使MPC基砂浆表现出应变硬化特性和较高的弯曲韧性,且在湿热环境下仍保持 较好的稳定性；MPC硬化体的PH值小于10,对玻璃纤维不存在腐蚀现象ML纤维能够控制收缩开裂M8】，减少泌水14叫防止翘曲变形15叫在模型实际加载时能提高断 裂韧性网和提高抗冲击性阳。基于以上的研究成果，当纤维磷酸钾镁水泥砂浆应用到修补加固领域，有必要对其粘结 性能做出深入研究。国内对砂浆的粘结强度测试方法如下:试验方法文献编号拉伸法53、54剪切试验单面直剪图】、双面直剪【56,57、Z型剪切58)弯曲强度试验40、53拔出试验钻芯拉拔15力、直接拉拔馔】斜剪试验59缺口梁断裂试验34、35劈拉试验53、58、60、61、推出试验法621.3纤维磷酸钾镁水泥加固砂浆粘结性能及机理研究的意义及作用纤维磷酸钾镁水泥加固砂浆能充分发挥磷酸镁水泥在修补加固方面的优越性，掺入纤维 后各方面性能得到了提高，具有较高的抗压、抗折强度，养护时间短，早期强度高，将其用 到混凝土结构加固上具有广泛的前景。与纤维硅酸盐水泥加固砂浆相比，纤维磷酸钾