【正文】 ............................................................ 21 多元纖維復(fù)和增韌水泥漿的制備及性能研究 1 1 緒論 纖維增強(qiáng)無機(jī)脆性材料的發(fā)展可以追溯到一千多年前。而纖維在水泥漿中的分散程度不同，形成的水泥石的強(qiáng)度不同，纖維分散越均勻，其水泥石的強(qiáng)度就越大，水泥石的壽命就越長(zhǎng)，水泥石所獲得的性能也越好?？梢?CF 即模量高而延伸率低，目前研究的熱點(diǎn)集中在碳纖維加固的試驗(yàn)研究，并存在著一股盲目追求以碳纖維高強(qiáng)高模特性提高構(gòu)件承載力之勢(shì)，這與實(shí)際工程應(yīng)用又有著很大的矛盾 [5]。單一 FRP 的性能差別越大，其混雜效應(yīng)就越為明顯，材料設(shè)計(jì)的自由也越大。 表 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥漿流動(dòng)度的影響 稠化溫度（ ℃ ） 流動(dòng)度（㎝） 平均值 （ ㎝ ） 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 6 從表 可以看出，隨 著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，水泥漿的流動(dòng)度有所下降，因?yàn)闇囟鹊纳呒铀倭怂酀{的水化速率，使得它的流動(dòng)度有所降低。水泥漿靜置兩小時(shí)后形成的上層水應(yīng)用吸管吸走或輕輕傾倒出去，并在適當(dāng)大小的量筒中測(cè)量，測(cè)量值用毫升表示，此值即為水泥漿的自由水含量。 ① 碳纖維 如圖 所顯示本實(shí)驗(yàn)采用的是 平均長(zhǎng)度為 1200181。 （ 4）抗折、抗壓強(qiáng)度 根據(jù)公式 和 來計(jì)算水泥石的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度 ，加入碳纖維的水泥石在恒溫水浴箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完畢在水泥石把持較濕潤(rùn)的狀態(tài)下測(cè)取水泥石的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。而影響纖維分散的均 勻性的因素有很多，主要影響因素有：鋼纖維的體積率、長(zhǎng)徑比和品種、水灰比、攪拌和振搗方式。 小結(jié) 國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究發(fā) 現(xiàn)，在水泥漿中加入鋼纖維，可以使得水泥石基體獲得很好的增強(qiáng)、增韌和阻裂的作用，可顯著的改善其脆性的性質(zhì)。 復(fù)合纖維與單一纖維增韌效果 根據(jù)復(fù)合材料領(lǐng)域的研究結(jié)可知 ，當(dāng)纖維體積含量 11%時(shí)的情況下， FRP 的縱向拉伸性能取決于纖維強(qiáng)度。圖 是在體式顯微鏡下 HFRP 的分布情況，從圖中可以看到鋼纖維的周圍有細(xì)小碳纖維的分布著，在本實(shí)驗(yàn)中采取的是用長(zhǎng)短大小和類型均不同的 CF和 SF，在對(duì)水泥石的增韌中 SF 是起到一個(gè)維持整體結(jié)構(gòu)完整性的作用。先分如下幾個(gè)方面總結(jié)得到的主要結(jié)論： （ 1） 通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)論證了纖維增韌油井水泥石的可行性； （ 2） 水泥漿中加入碳纖維后，其對(duì)提高水泥石抗折強(qiáng) 度的效果優(yōu)于鋼纖維 ，當(dāng) CF 加量為 3%時(shí)其對(duì)水泥石的增韌效果最好； 鋼纖維水泥石抗壓強(qiáng)度 較 高，明顯優(yōu)于未加纖維的水泥石 ； （ 3） 綜合來看，纖維混雜起到了很好的作用，復(fù)合纖維水泥石的性能要優(yōu)于單一纖維水泥石 。 另外 2020 級(jí)的同個(gè)實(shí)驗(yàn)室的同學(xué)給予的熱情參與和很大的幫助。當(dāng)纖維水泥受到很大的沖擊載荷時(shí)，水泥基體破碎，但水泥漿中分布著的纖維將破碎的水泥基體束縛在一起，從而仍保持完整的結(jié)構(gòu)。并且纖維可以阻止水泥基體中微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。由于問題的復(fù) 雜性，迄今尚無普遍意義的實(shí)用的 HFRP 力學(xué)模型和相應(yīng)的混雜效應(yīng)理論 [19]。 由圖 可以看出隨著加量百分比的增加抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，是因?yàn)榧尤脘摾w維后，它對(duì)整個(gè)水泥石基體起到了一個(gè)支撐的作用。 （ 4）礦物細(xì)摻料 由于鋼纖維（圖 ）比重較大，為了使得 SF 在水泥漿中不出現(xiàn)沉積現(xiàn)象需加入微硅粉提高水泥漿穩(wěn)定性，以有助于懸浮鋼纖維，并使其均勻分散。 表 單一碳纖維配方 成分編號(hào) CF 甲基纖維素 Landy906L Landy806L 微硅 Landy19L C01 C02 C03 C04 C05 C06 % % % % % % % % / / % % % % % % % % % % % % % % / / 1% 2% 2% 1% % % % % % % 當(dāng)只能用普通砂漿機(jī)來制備碳纖維水泥漿，則必須同時(shí)加入礦物細(xì)摻料與表 面活性劑，在二者的協(xié)同作用下可以使得碳纖維分布得更均勻，水泥漿制好后進(jìn)行直接澆筑，進(jìn)行振搗使其更密實(shí) [12]。 單一碳纖維增韌 原材料與配合比 碳纖維是一種含碳量 90%以上的纖維狀無機(jī)碳化合物，具有抗拉強(qiáng)度高、彈性模量高、耐高溫 、耐腐蝕、抗疲勞、導(dǎo)電性能好與熱膨脹系數(shù)小等。sn； （ 越接近于 0 越好 ） Φ300 —轉(zhuǎn)速為 300r/min 時(shí)粘度計(jì)的讀數(shù)； Φ100 —轉(zhuǎn)速為 100r/min 時(shí)粘度計(jì)的讀數(shù)； 表 常規(guī)密度水泥漿的流變性 溫度 Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 Φ3 n K 50℃ 60℃ 70℃ 80℃ 90℃ 220 210 209 198 180 135 130 130 126 107 105 103 100 98 87 71 71 68 60 58 16 16 14 8 / 10 11 8 / / 從表 可以看出， G 級(jí)純水泥漿的流性指數(shù)隨著溫度的升高也一直升高，根據(jù)稠度系數(shù)的變化來看，在 60℃和 90℃ 的時(shí)候稠度系 數(shù)接近于 0。養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，采用 DKZ5000 型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)和 YA 300 電子液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)來測(cè)取其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。 HFRP 的某些性能偏離混 合定律的計(jì)算結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為混雜效應(yīng)，向增加偏離稱為正效應(yīng)，向減少偏離稱為負(fù)效應(yīng) [9]。 綜上所述， HFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)方法的研究具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值， 從另一個(gè)方面 促進(jìn)和提高我國(guó)的土木科技水平，具有廣泛的應(yīng)用背景以及很好的社會(huì) 效益和經(jīng)濟(jì)效益。 1963 年，美國(guó) Romualdi 首次發(fā)表了 “纖維阻礙機(jī)理 ”，促進(jìn)鋼纖維增強(qiáng)混凝土的開發(fā)。鑒于石棉網(wǎng)中所含有的微細(xì)纖維有害人體，從 80 年代開始，若干發(fā)達(dá)國(guó)家相繼限制了或者停止了石棉網(wǎng)纖維增強(qiáng)水泥的應(yīng)用，從而推廣了無石棉纖維增強(qiáng)水泥制品的研制和開發(fā)，無石棉纖維增強(qiáng)水泥制品的主要品種除了 玻璃纖維增強(qiáng)水泥（ GRC） 以外，還要木漿纖維增強(qiáng)水泥、木漿纖維增強(qiáng)硅酸鈣 以及聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥等品種 [1]。 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 2 實(shí)驗(yàn)原理 （ 1）單一 FRP 的特點(diǎn) 從查閱的相關(guān)資料來看，從材料上來講中外研究還停留在單一纖維材料加固的方法研究上。這種 HFRP 的性質(zhì)不是單一纖維復(fù)合材料的代數(shù)和。 水泥漿常規(guī)性能測(cè)試 根據(jù) API SPEC10 配制常規(guī)密度水泥漿后， 分別在 50℃ ～ 90℃ 下測(cè)出 1d～ 5d 的 55 組抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的數(shù)據(jù)，為以后的數(shù)據(jù)對(duì)比奠定基礎(chǔ)。因?yàn)闇囟壬咧?，水泥漿的水化速率不一，導(dǎo)致水泥漿漿體流變性有所變化，所以其流性指數(shù)和稠度系數(shù)也存在一定的差異。碳纖維的研發(fā)始于 20 世紀(jì) 50 年代中期，只要用于制作碳纖維增強(qiáng)樹脂（ carbon fibre reinforced plastic,CFRP） ,由于聚丙烯晴纖維所作原料制成的 PAN 基碳纖維（ PAN—based carbon fibre）的價(jià)格十分高，故 CFRP 的應(yīng)用十分局限 [11]。 圖 碳纖維 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 10 物理力學(xué)性能 （ 1） 碳纖維水泥拌和物的流動(dòng)度 表 加入碳纖維后水泥漿的流動(dòng)度 編號(hào) 流動(dòng)度（㎝） 平均值（㎝） C01 C02 C03 C04 C05 C06 由表 可見，碳纖維加入水泥漿后與純的水泥漿的流動(dòng)度 ㎝相比有所降低，其原因 是因?yàn)榧尤肓?CF后在漿體中形成了纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它對(duì)周圍的漿體起到了一定穩(wěn)定的作用，降低了它的流動(dòng)度。 通常情況下，按鋼纖維的體積率不得小于 %， 但是 也不可以太大， 因?yàn)?其中鋼纖維的體積率小到一定程度的時(shí)候?qū)⒉黄鹪鰪?qiáng)作用， 當(dāng)體積率太大時(shí)會(huì)破壞水泥石自身的性能。在抗折和抗壓性能測(cè)試的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)崩裂，維持了整個(gè)水泥石基體的完整性。目前對(duì)于HFRP 在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域上的應(yīng)用研究主要研究方法應(yīng)是針對(duì)一特定體系進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，模型設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究和理論處理，得出設(shè)計(jì)與控制特定應(yīng)用范圍內(nèi)的混雜復(fù)合材料性能的定量方法。這種阻裂作用既存在于水泥基體的 未硬化的塑性階段，也存 在于水泥基體的硬化階段。 另外，纖維材料在油井水泥中應(yīng)用最大的缺點(diǎn)就是混拌及泵送問題，若要充分發(fā)揮纖維材料在油井水泥石中的拉筋及搭橋作用就必須保證纖維材料適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)徑比，纖維材料長(zhǎng)度過短難以達(dá)到增韌目的，必須要求 HFRP 的流動(dòng)性要好，如果長(zhǎng)度過長(zhǎng) 又 難以混和均勻，下灰時(shí)易堵死出灰口，攪拌時(shí)難以攪拌均勻，泵送也較為困難；因此，纖維增韌劑材料開發(fā) 及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用應(yīng)保證油井水泥的混拌及泵送問題，否則難以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)推廣應(yīng)用 [22]。在此向你們表示我最誠(chéng)摯的感謝 ! 感謝我的母校西南石油大學(xué) ! 感謝家人多年對(duì)我的支持和關(guān)愛 ! 。 結(jié)論 通過前段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究、理論分析以及工程實(shí)踐，我們達(dá)到了一定的目標(biāo)，并取得了階段性的成果。 （ a）脆性破壞 b)脆性和纖維拔出 (c)不規(guī)則破壞 圖 SF在水泥石中的分布 圖 (a)脆性破壞 (b)脆性和纖維拔出 (c)不規(guī)則破壞 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)論文 18 圖 是在體式顯微鏡下碳纖維在水泥石中的分布情況，可以看出單一的碳纖維在水泥石中分布得比較均勻，在測(cè)取抗折強(qiáng)度后水泥石的斷面圖上用肉眼都可看見有 CF 的分布。其中由于器械的缺乏，有一定的機(jī)械誤差存在。 （ 4）流動(dòng)度 由于鋼纖維自身的體積比較大，要在水泥漿中分布均勻，需要水泥漿有很好的懸浮功能，在測(cè)試其流動(dòng)度的時(shí)候發(fā)現(xiàn)與原水泥漿的 19 ㎝相比略有下降。 表 單一鋼纖維中各組分加量 編號(hào) SF Landy906L Landy806L 微硅 Landy19L S01 S02 S03 S04 S05 S06 1% % 2% 3% 4% 5% % % % % % % % % % % % % 1% 2% 2% 2% 2% 3% % % % % % % 鋼纖維加入水泥漿后，要盡可能保持鋼纖維在水泥漿中分布的均勻性。 （ 3）流變性的測(cè)定 在水泥漿中加入碳纖維后攪拌均勻，用 六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得相應(yīng)轉(zhuǎn)數(shù)下的數(shù)據(jù)，再 根據(jù)流變性的計(jì)算公式 和 得出： 表 加入碳纖維后水泥漿的流變性 轉(zhuǎn)數(shù) Φ600 Φ300 Φ200 Φ100 Φ6 Φ3 讀值 n K 200 126 105 66 16 10 由表 可以看出加入 CF 后的水泥漿的流變性能與純水泥漿（見表 ）相比，其因?yàn)樘祭w維的加入流變性能有所降低 ，但降低幅度很小，原因是纖維在水泥漿中的加入會(huì)對(duì)水泥漿的流動(dòng)有一定阻礙作用，但碳纖維由于自身直徑和長(zhǎng)度均很小，所以影響不大。但這種纖維太昂貴，難于用于世紀(jì)工程中推廣。然后再在一夸脫的攪拌器中高速攪拌 35 秒，最后把水泥漿注入一個(gè)潔凈、干燥的 250 毫升刻度玻璃量筒中，并用塑料薄膜或類似材料多元纖維復(fù)和增韌水泥漿的制備及性能研究 7 密封玻璃量筒，以免水分蒸發(fā)。將配到好的水泥漿充分?jǐn)嚩?20 秒鐘，迅速注入錐體內(nèi)，并迅速刮平，緊接著將錐體垂直方向迅速上提，待水泥漿在玻璃板上攤開成圓餅狀后，測(cè)量攤餅垂直方向的直徑，取平均值作為水泥漿流動(dòng)度。 HFRP 由不同的纖維混雜而成，其性能基本介于各種單一 FRP 之間。表 列出了 碳 纖維詳細(xì)拉伸力學(xué)性能。 20 世紀(jì) 60 年代以