纤维增强磷石膏轴心受拉应力-应变曲线研究.pdf
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1、第 卷第 期粉 煤 灰 综 合 利 用 年 月 材料科学纤维增强磷石膏轴心受拉应力应变曲线研究 邹庆余,周理,胡松,徐一峰,尹超(贵州大学建筑与城市规划学院,贵州 贵阳;铜仁学院农林工程与规划学院,贵州 铜仁;贵州省山地人居智慧与绿色建造工程研究中心,贵州 贵阳)摘 要:为研究纤维增强磷石膏的受拉应力应变曲线,将磷石膏粉、水泥、纤维的质量比设定为、及 ,以水灰比(、)为变化参数,制作了 个棱柱体试块。通过轴向单调拉伸试验,分析了纤维增强磷石膏的受拉应力应变曲线、抗拉强度、峰值应变等力学指标。对归一化曲线进行拟合,给出了应力应变曲线的数学表达式。研究表明,受拉应力应变曲线呈非线性变化,且水灰比越
2、低,曲线越陡峭;当水灰比从 增加至 及 时,轴心抗拉强度分别降低了 及 ;峰值拉应变受水灰比影响较小,应变测量值位于 区间。关键词:纤维;磷石膏;轴心受拉;应力应变;试验研究中图分类号:文献标志码:文章编号:():,(,;,;,):,(,),;,;,:;基金项目:国家自然科学基金资助(项目批准号:),贵州省基础研究计划(黔科合基础 ),贵州大学引进人才科研基金资助项目 ()号。作者简介:邹庆余(),男,硕士研究生。主要从事绿色建筑材料及其应用研究。通信作者:周理(),男,博士,副教授。主要从事绿色建筑材料及其应用研究。收稿日期:粉煤灰综合利用 卷材料科学 引言磷石膏是磷化工业副产品。目前,磷石
3、膏排放主要集中在巴西、印度、中国等发展中国家,全球每年的磷石膏排放量大约为 亿吨。然而,应该注意到磷石膏的资源化利用率较低,大量磷石膏处于堆存状态,这不仅占用了大量的土地资源,还会对空气、水体、土壤等造成污染。因此可见,如何有效地提升磷石膏的综合利用率将是磷化工业可持续发展的关键。近年来,国内外学者提出将磷石膏用作土壤改良剂、采空区回填材料、路基材料及制备建筑制品等。目前,利用磷石膏所制备的建筑制品主要有砌块砖、自流平砂浆、保温材料、隔音吸音材料、内置模块、墙体等。由此可见,在建筑工程中使用磷石膏是实现材料综合利用的有效途径之一。应该注意到:磷石膏在建筑工程中应用的关键在于材料的力学性能。为此
4、,国内外学者对磷石膏的力学性能进行了广泛地研究,主要涉及磷石膏的抗压强度、抗折强度、弹性模量及泊松比、受压应力应变曲线等。在建筑工程中,材料的受拉应力应变曲线反映了拉力与变形之间的基本关系,对结构或构件的弹塑性全过程分析及破坏机理研究具有重要意义。迄今为止,有关磷石膏受拉力学行为的研究鲜有报道。对磷石膏受拉力学行为开展研究,可更好地促进磷石膏在工程中的应用与推广。本研究在磷石膏掺料中加入一定量的纤维用以提升材料的抗拉能力。以水灰比为变化参数设计制作了 个棱柱体受拉试块。通过轴心拉伸试验,分析了试块的破坏特征、应力应变曲线、承载力及峰值应变,并采用归一化方法拟合了磷石膏的受拉应力应变曲线,研究成
5、果可为工程应用提供参考。试验 试块设计试块制作所采用的原材料分别为磷石膏、水泥、纤维和水。其中,磷石膏采用贵州磷化集团生产的袋装磷石膏粉,含量为;水泥采用 级普通硅酸盐水泥;纤维采用聚丙烯纤维,纤维直径为 ,长度为,产 品 说 明 中 显 示 的 纤 维 抗 拉 强 度 为。水灰比是影响磷石膏制备的关键因素之一。在本研究中,依据水灰比的变化共设计了 种类型的配合比,每种配合比各制作 个试块,试块尺寸均为 。各试块的详细信息如表 所示。试块制作时,先将称量好的水倒入搅拌桶,然后将纤维均匀地撒入水中,搅拌约 分钟,确保纤维分散。随后将固体原料倒入搅拌桶,搅拌约 分钟。然后将搅拌好的浆体倒入模具,制
6、作磷石膏试块。表 试块基本信息 试块类型磷石膏粉 水泥 纤维 水灰比 试验装置试块浇筑完毕后,在室内环境中养护。根据()混凝土物理力学性能试验方法标准所建议的方法对试块进行轴向拉伸试验。正式试验前,将试块烘干至恒重。在各试块侧面中部沿纵向粘贴应变片,用于测量试块在拉伸过程中的纵向应变。随后在试块两端安装专用夹具,确保夹具与试块中心对齐。待夹具安装完毕后,将试件连同两端夹具与万能试验机铰接夹具紧固连接。随后,启动试验机,开始拉伸试验。图 显示了试验装置及连接细节。图 试验装置 期邹庆余等:纤维增强磷石膏轴心受拉应力应变曲线研究 材料科学 破坏现象各试块在拉伸过程中的破坏现象基本一致。在试块加载前
7、期阶段,试块四周未见明显的开裂现象。当加载临近破坏荷载时,在试件的侧面出现横向裂缝,且裂缝开展速度很快,迅速贯通整个截面,试件裂开成两段。从各试块的破坏特征来看,贯通的横向裂缝基本位于试块端部,在距离试块端部约 处。而试块中部未发现开裂现象,如图 所示。发生这种破坏的原因可能为:磷石膏试块端部采用专用夹具夹持,夹具在夹持过程中产生了一定的侧围力,进而对试块形成一定的剪切效应。试块拉伸时,在轴向拉力及剪切效应的共同作用下,靠近专用夹具处的截面,其应力率先达到材料拉伸强度,从而形成横向贯通裂缝,试块随即发生破坏。图 试块破坏特征 数据分析 受拉应力应变曲线各试块在拉伸过程中的应力根据试验机荷载传感
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