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摘要： 本文研究了增强材料对聚合物树脂混凝土(PC) 强度的影响,并探讨了试件尺寸对PC性 能的影响。
关键词： 填料; 增强材料; 聚合物树脂混凝土; 试件尺寸
0 引言
聚合物树脂混凝土材料以其优越的特性,如高强度、高阻尼等性能,已经应用于高精度机床、高水平数控机床的底座和导轨上,大大提高了加工精度,引起了机床制造行业的广泛关注。填料是聚合物混凝土材料的主要成分之一,它的加入可以减少树脂用量,降低成本,改善PC 的工作性能,如改善热膨胀系数和收缩率,增加热导率和机械强度,提高尺寸稳定性。本试验选用水泥、粉煤灰、Al2O3 粉末、CaO 粉末、玻璃纤维五种填料,研究了填料种类不同对PC性能影响。为了提高PC材料的性能,加入尼龙纤维作为“增强材料”,研究了增强材料对聚合物树脂混凝土劈裂抗拉强度的影响。试件尺寸对混凝土性能的影响,在混凝土性能测试中称之为“比尺效应”,本次试验对比尺效应也进行了研究。
1 试验材料及方法
本试验采用最佳配比即骨料、填料和粘接剂按8∶1∶1 混合使用。其中粗、细骨料采用最佳配比63∶37[1 ]的高强度花岗岩,粘接剂配方如表1 所示
表1 粘接剂配方
|
环氧胶 |
增韧剂 | 固化剂 | ||||
|
|
E - 44 | DBP | JA - 1 | ||
| 份数 | 30 | 70 | 14 | 18 | ||
PC 制作工艺如图1
图1 PC 制作工艺
分别采用水泥、粉煤灰、Al2O3粉末、CaO 粉末、玻璃纤维作填料,按上述工艺浇注成
2.11 填料对PC性能影响
在环氧树脂粘结剂、树脂混凝土中均加入填料以改善其性能,从复合材料角度分析,填料实际为一种增强材料。本文采用五种不同填料制取试样,性能测试如表2。
表2 填料对PC性能影响
| 试样组 | 填料 | 固化7天抗强度/ MPa | 固化7天抗折强度/ MPa | 固化7天抗折强度/ MPa |
| 1 | 水泥 | 27.7 | 56.5 | 85.5 |
| 2 | 粉煤灰 | 23.8 | 62.1 | 83.8 |
| 3 | 氧化铝 | 19.7 | 59.5 | 71.6 |
| 4 | 氧化钙 | 23.1 | 63.5 | 43.7 |
| 5 | 玻璃纤维 | 17.0 | 55.8 | 64.8 |
从表2 中数据可看出,在固化前期水泥和粉煤灰对提高PC抗折强度有明显优势,而在后期对提高PC材料抗压强度也有很大优势。综合考虑,水泥和粉煤灰是比较理想的填料。水泥和粉煤灰极为相似,是吸湿性材料。当水泥(或粉煤灰) 与粘结料充分混合,由于水泥的吸湿性使得粘结料的粘度提高,水泥与粘结料形成颗粒胶体,增大了胶体有效粘接面积,包裹在骨料的表面,并填充在骨料的空隙中。在固化前,水泥起到了润滑作用,使胶结料尽可能与骨料均匀混合。硬化时,水泥颗粒与骨料、胶结料三者粘结,减小了孔隙率,提高了PC 试样的强度。而CaO、Al2O3 粉末本身价格较贵,作填料制取的PC材料强度也不太高,没有多大使用价值。且CaO有很强的潮解作用,使制成的PC性能不稳定。另外,粉煤灰填料可以降低干燥收缩率,减小渗透性,改善抗介质侵蚀性,提高PC 制品的修整性[2] 。而且粉煤灰又是煤矿工业的副产品,来源广泛,价格便宜,故粉煤灰是较理想的聚合物混凝土填料。
2.1.2 尼龙纤维对PC材料劈裂抗拉强度的影响
在上述以粉煤灰为填料的PC中又加入尼龙纤维,以尼龙纤维作为增强材料制取试样,与未加入尼龙纤维的PC 对比,进行劈裂抗拉强度测试,结果见表3。
表3 尼龙纤维对PC性能影响
| 增强材料 | 劈裂抗拉强度/ MPa |
| 无 | 7. 0 |
| 尼龙纤维 | 8. 0 |
试验发现,尼龙纤维的加入使PC性能有所提高。从劈裂面来看,尼龙纤维已经完全断开,这说明尼龙纤维和PC良好粘合,在PC中起到一定增强作用。尼龙纤维是一种纤细并且柔韧的织状物材料,它的弹性模量较大,受力后不易变形[3] 。尼龙纤维通过与PC材料的复合作用提高了PC材料的强度,利用了尼龙纤维承受高强度应力的能力和基体高聚物的切变性及其与尼龙纤维的粘合性能来传递应力。当尼龙纤维与基体出现相同的应力变形时,纤维中的应力要比基体中的应力大得多,即尼龙纤维承担了大部分载荷。只有在纤维排列方向与载荷方向一致时,才起到增强作用。尼龙纤维与PC之间界面粘结力一定要高,否则基体中的剪切应力难以通过界面的粘结作用传递给纤维,尼龙纤维不能起到承受大部分载荷的作用,也就不能起到增强PC的作用。
2.1.3 试样尺寸对聚合物混凝土性能影响
试验采用三种不同尺寸的模具制备试样,结果如表4。
表4 不同尺寸试件的劈裂抗拉强度
|
尺寸/ cm |
劈裂抗拉强度/ MPa |
|
7. 07 |
6. 73 |
|
5. 50 |
7.23 |
|
4. 00 |
8. 00 |
由表面得到不同尺寸立方体试件与土木工程中常用的边长
表5 不同尺寸立方试件与标准件换算系数
|
试件尺寸/ cm |
比尺效应系数 |
|
7. 07 |
1. 00 |
|
5. 50 |
0. 84 |
|
4. 00 |
0. 67 |
由表5 数据可以得到图2
图2 PC 试样比尺效应
从图2可以看出试件尺寸和对应的劈裂抗拉强度换算系数呈线性关系,因此可以推算出研究范围内任一尺寸试件的劈裂抗拉强度。从表4中的数据可以看出,试样尺寸越大,劈裂抗拉强度反而低,其原因可归结到混凝土拉伸破坏模型上[4] 。因为混凝土未承受载荷前就存在微裂纹和缺陷,即“薄弱环节”,从统计理论来看,试件尺寸增加,“薄弱环节”出现的概率也增加,性能也会下降。实际生产中应考虑到这一方面。
3 结论
(1) 粉煤灰是一种比较理想的聚合物混凝土填料。
(2) 尼龙纤维作为增强材料可以显著提高PC的劈裂抗拉强度。
(3) 试件尺寸对聚合物混凝土性能有很大影响,试件尺寸增加,劈裂抗拉强度反而降低。
参考文献
[1]忻秀卿. 聚合物混凝土复合材料的技术进展[J] . 新型建筑材料,1992 ,19 (2) :28 - 29.
[2]陈义初,译. 粉煤灰的实际研究及其工程应用[M] . 北京:人民交通出版社,1992.
[3]陈正钧,等. 耐蚀非金属材料及应用[M] . 北京:化学工业出版社,1995 , (3) :86 - 89.
[4]姜福田. 混凝土力学性能测试[M] . 北京:中国铁道出版社,
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