这是一篇土木工程博士论文代写范文，磷建筑石膏;玄武岩纤维;水膜厚度理论;纤维取向;纤维石膏板;砌体加固;为研究论点。本文采用玄武岩纤维-磷建筑石膏加固既有砌体结构研究时，采用了压剪试验这一简化的试验手段，在未来的研究中，可以考虑采用缩尺砌体墙低周往复试验更加全面地分析玄武岩纤维-磷建筑石膏对既有砌体结构的加固效果。
目录
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1“双碳”战略与石膏基低碳建材
随着全球气候变暖的加剧，人类社会正面临前所未有的环境挑战[1]。2020年 9月，中国政府积极响应全球气候治理的号召，提出了“力争2030年前实现碳达 峰、2060年前实现碳中和”的“双碳”战略目标。然而作为全球最重要的经济体之一和规模最大的工业国，在经济快速发展的同时，中国的碳排放接近全球碳排放总量的三分之一，实现“双碳”目标的压力是巨大的，图1-1反映了几年来中 国碳排放总量和占全球碳排放的比例。推动能源结构调整与技术升级，实现“3060”“双碳”目标，为中国的产业转型和产业升级提供了方向，同时也带来了巨大挑 战。
1.2 纤维-石膏基复合材料研究现
石膏是最古老的建筑材料之一，数千年来在建筑文化中占据着重要的地位。 时至今日，石膏基建筑材料以其轻质、保温、生产能耗低等特征，仍被大量使用。 而石膏基建筑材料存在强度低、不耐水等缺点也是被普遍认同的。近年来，国内 开始大量以工业副产石膏（脱硫石膏、磷石膏等）为原料生产建筑石膏，这类建 筑石膏的力学性能存在明显的不足。纤维增强作为建筑材料领域最常见的力学性 能改善技术，其在石膏基建筑材料中得到了广泛的研究和应用。
1.3 玄武岩纤维增强建筑材料研究现状
玄武岩纤维自1954年前苏联成功研制出玄武岩纤维以来，玄武岩纤维由于其优异的力学性能、耐高温性能、耐腐蚀性能，被广泛应用于各种复合材料的增强增韧。中国于2005年成功攻克玄武岩纤维的连续生产技术，其应用利于不断扩展。 玄武岩纤维由玄武岩岩石在1700℃的温度下熔化，经过拉丝、涂抹等工艺成型，相较于成型工艺类似的玻璃纤维，玄武岩纤维的成型工艺更加简单、不需要添加 外加剂，所以其更便宜、更环保[70]。玄武岩纤维由于其良好的力学性能、耐腐蚀性能、耐高温性能以及更低的造 价，被广泛应用于复合材料领域，这同样包括纤维增强建筑材料领域。玄武岩纤维与建筑材料领域常用的其他纤维材料性能对比见表1-2。
1.4 水膜厚度理论研究现状
1.4.1水膜厚度理论
在水泥基材料流变性能研究的领域，用水量、堆积密度和固体表面积是影响 水泥砂浆流变性能的最主要的参数，这是很早就形成的普遍共识。水膜厚度理论 将用水量、堆积密度和固体表面积三个参数统一为水膜厚度一个概念，解释了其
影响水泥基材料浆体流动性能的影响机理。在过去的80年时间里，水膜厚度理论历经假设提出、测试方法改进、证实与应用等阶段，逐步发展为完整的膜厚度理 论，在水泥砂浆、混凝土等性能设计中得到了广泛的应用。水膜厚度理论将水泥浆体中的水分为填充水和剩余水，填充水用于填充固体 颗粒间的空隙，不参与混凝土的流动，主要受到固体颗粒堆积密度的影响，剩余水则在固体颗粒表面形成薄膜并改善了混凝土的流动性，本质上水膜厚度反映的 是浆体中固体颗粒间的平均间距。
1.5 本文研究内容与技术路线
1.5.1研究内容
（1）已有研究成果的综述整理和分析了现有关于纤维-石膏复合材料的研究现状，重点阐述了纤维对复 合材料流动性能和力学性能的影响规律和机理；同时整理和分析了玄武岩纤维- 水泥复合材料的相关研究现状，为玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料的性能调控机理研究提供参考和借鉴；梳理了水膜厚度理论的发展及应用现状，分析了水膜厚度理论研究中的不足，为水膜厚度理论在玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料研究中的应用提供基础。
（2）修正水膜厚度理论，完善玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料流动性能调控机理针对传统水膜厚度理论中关于纤维表面亲水属性研究的不足，提出了剩余水分布系数，改进了水膜厚度的计算方法，并在玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料中 进行了验证；通过试验总结归纳了纤维参数对玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料的流动性能影响的规律；基于修正后的水膜厚度理论和纤维骨架效应建立了玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料的流动度计算模型，阐述了纤维对玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料流动性能影响的机理。
（3）探索和阐述玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料力学性能调控机理通过试验总结归纳了纤维参数对玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料的单轴抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、抗压强度的影响规律；基于复合材料力学理论给出了玄武岩纤维-磷建筑石膏复合材料单轴抗拉强度的计算模型，阐述了纤维对玄 武岩纤维-磷建筑石膏复合材料力学性能的影响机理。
第二章 试验原材料
2.1 主要材料
2.1.1磷建筑石膏
本论文试验所采用的磷建筑石膏粉由云南镟淦科技有限公司生产，其原材料磷石膏来自云天化集团，灰白色粉末，如图2-1所示。在电子显微镜下，磷建筑 石膏颗粒为菱形片状颗粒，如图2-2所示。采用Winner2005B激光粒度仪对试验所用的磷建筑石膏粉进行粒径分布测试， 测试介质采用无水乙醇。测试得到磷建筑石膏粉的粒径分布如图2-3所示。同时 测试得到磷建筑石膏粉的比表面积为Ag=1814.428cm2/cm3、颗粒密度为： ρ=2.67g/cm3。
2.2 其他材料
2.2.1减水剂
本文试验所涉及的减水剂为粉体聚羧酸系减水剂，由江苏兆佳建材科技有限公司提供，产品型号ZJ-PC8800。 2.2.2水泥本文试验所涉及的水泥为市售P.O 32.5普通硅酸盐水泥。 2.2.3砂本文试验所涉及的砂子为市售天然河砂。
2.2.4砖
本文试验所涉及砖为普通烧结砖，由云南晋宁胜达砖厂生产，标号MU20， 尺寸为240mm×115mm×53mm。 2.2.5高延性混凝土本文试验所涉及高延性混凝土由西安五和新材料科技集团股份有限公司提 供。
2.2.6界面剂
本文试验所涉及界面剂为市售合成树脂基水性界面剂，由马贝建筑材料有限公司生产，型号为Primer G。
第三章 基于水膜厚度理论的BF-PGC浆体流动性能试验研究
3.1 试验设计
3.2 玄武岩纤维对BF-PGC浆体流动性能的影响
3.3 玄武岩纤维对纤维-磷建筑石膏混合料堆积密度的影响
3.4 水膜厚度计算模型修正
3.5 水膜厚度对BF-PGC浆体流动度的影响
3.6 考虑纤维长度的BF-PGC浆体流动度影响模型
3.7 本章小结
第四章 基于复合材料力学理论的BF-PGC力学性能试验研究
4.1 试验设计
4.2 玄武岩纤维对BF-PGC单轴抗拉强度的影响
4.3 玄武岩纤维对BF-PGC抗折强度的影响
4.4 玄武岩纤维对BF-PGC抗弯强度的影响
4.5 玄武岩纤维对BF-PGC抗压性能的影响
4.6 本章小结
第五章 基于蒙特卡洛方法的薄板构件中纤维取向研究
5.1 试验设计
5.2 分层成型对BF-PGC力学性能的影响
5.3 薄板构件中纤维取向系数理论计算模型
5.4 薄板构件中纤维分布模拟方法
5.5 BF-PGC抗拉强度与纤维取向系数的关系
5.6 本章小结
第六章 BF-PGC板力学性能与耐火性能试验研究
6.1 试验设计
6.2 BF-PGC板与纸面石膏板性能对比
6.3 BF-PGC板直接燃烧试验
6.4 BF-PGC板高温后力学性能
6.5 BF-PGC板耐火机理分析
6.6 本章小结
第七章 基于压剪试验的BF-PGC加固既有砌体结构试验研究
砌体结构因其工程造价低，在某一时期被广泛应用于民房、工厂的建造，随 着社会的发展，城市中大量砌体结构被拆除取缔，但在农村地区，仍有大量砌体 结构的房屋在使用中。不仅如此，在木结构民居中其隔墙也普遍为砌体墙。历次 地震向社会展现了这些砌体结构或砌体隔墙对人民群众生命财产安全带来伤害 [158-159]。针对砌体结构的加固改造成为抗震领域研究的重点。几年来有学者提出 采用ECC抹面加固砌体结构的技术方案，并在实践中证明了其有效[160-161]。石膏基材料作为最常见的墙体抹灰材料，借鉴ECC抹面加固砌体结构的思路， 本章考虑将BF-PGC应用于既有砌体结构的加固，让BF-PGC同时发挥抹灰装饰 和抗震加固的功能。为探究BF-PGC加固既有砌体结构的可行性，本章采用最简 单的压剪试验对BF-PGC加固既有砌体结构性能进行评估。本章共制备了9片小型砌体墙试件，进行压剪试验。首先考虑了BF-PGC加固层厚度对加固效果的影响；进一步采用界面开槽和涂刷界面剂的方式对BF-PGC加固层与砌体的界面进行改良，探究了界面处理方式对加固效果的影响； 最后将BF-PGC加固既有砌体结构与ECC加固既有砌体结构进行了加固效果对比， 综合展现了BF-PGC加固既有砌体结构的可行性。为BF-PGC的工程应用提供了一条新的路径，也为既有砌体结构的加固提供了一种新的绿色的技术手段。
7.1试验设
7.1.1材料性能测试
既有砌体结构由于建造年限长，其砌筑砂浆性能较差，为模拟既有砌体结构的性能，本章砌筑砂浆设计标号为M5，配合比为水泥：砂：水=9:60:14。在砌 体墙砌筑时同步浇筑70.7×70.7×70.7mm立方体试件，与砌体墙同步养护，在进 行砌体墙加载试验时进行抗压强度测试，实测强度如表7-1所示。
7.2 BF-PGC加固对砌体压剪性能影响
7.2.1破坏现象
在压剪试验中，未加固的小型砌体墙（W0）破坏形式为沿灰缝剪切破坏和砖 剪切破坏，整体呈阶梯状破坏，如图7-4（1）所示。采用单面10mm厚度BF-PGC抹面加固的小型砌体墙（WG120）表面加固层呈横向拉伸破坏，竖向裂缝贯通，裂缝宽度较小，边缘沿灰缝方向有剪切裂缝， 内部砌体呈沿灰缝剪切破坏，同时加固层与砌体出现较大面积的局部脱粘，加固层在脱粘后向面外鼓起，如图7-4（2）所示。采用双面5mm厚度BF-PGC抹面加固的小型砌体（WG210）表面加固层呈横向拉伸破坏，竖向裂缝贯通，裂缝宽度较大，边缘沿灰缝方向有明显的剪切 裂缝，并与竖向拉伸裂缝贯通，内部砌体呈沿灰缝剪切破坏，同时加固层与砌体并未出现脱粘，加固层破坏与砌体较为同步，如图7-4（3）所示。采用双面10mm厚度BF-PGC抹面加固的小型砌体墙（WG120）表面加固层呈现轻微横向拉伸破坏，竖向裂缝较多，但裂缝未贯通，且裂缝宽度较小，边缘 沿灰缝方向有轻微的剪切裂缝，内部砌体呈沿灰缝剪切破坏，同时加固层与砌体整体脱粘，如图7-4（4）所示。
7.3 界面处理对BF-PGC加固砌体效果影响
7.3.1破坏现象
采用双面5mm厚度BF-PGC抹面加固方案时，两种界面处理方式的小型砌体 墙（WG211和WG212）的破坏形式与WG210基本相同，表面加固层呈横向拉伸破坏，竖向裂缝贯通，裂缝宽度较大，边缘沿灰缝方向有明显的剪切裂缝，并与 竖向拉伸裂缝贯通，内部砌体沿灰缝剪切破坏，同时加固层与砌体并未出现脱粘，加固层破坏与砌体较为同步。如图7-9（1）（2）所示。采用双面10mm厚度BF-PGC抹面加固方案时，两种界面处理方式的小型砌 体墙（WG221和WG222）的破坏形式与WG220呈现出明显的差异，首先加固层与砌体仅出现部分局部脱粘，竖向的拉伸裂缝贯通，裂缝宽度较大，边缘沿灰缝 方向有明显的剪切裂缝，并与竖向拉伸裂缝贯通，内部砌体沿灰缝剪切破坏，加固层破坏与砌体较为同步，整体破坏形态与WG210更为接近。如图7-9（3）（4）所示。
7.4 BF-PGC 加固砌体与 ECC 加固效果对比
ECC加固的小型砌体墙的压剪应力-应变曲线依旧符合3.2.2节所述三段式特 征。在弹性变形阶段，ECC加固的小型砌体墙（WE）的最大弹性应力与WG221、 WG222接近，显著高于W0；ECC加固的小型砌体墙达到其极限强度后，进入破 坏阶段，由于ECC加固的小型砌体墙的破坏主要是ECC加固层与砌体整体脱粘，所以造成随着应变的增大应力下降较快。
7.5 本章小结
（1）采用BF-PGC抹面加固可以有效提高既有砌体结构性能。采用双面10mm 的BF-PGC加固的小型砌体墙（WG220）压剪强度达到了898.7kPa，极限应变达 到了1.029‰，耗能能力达到了742.16J/m3，相较于未加固的小型砌体墙（W0） 分别提升了72.4%、127.8%、300%。
（2）采用双面10mm的BF-PGC加固的小型砌体墙时，界面处理可以有效提 高既有砌体结构性能。界面沿灰缝开槽的小型砌体墙（WG221）压剪强度达到了 1002.07kPa，极限应变达到了2.181‰，耗能能力达到了1820J/m3，相较于界面未 处理的小型砌体墙（WG210）分别提高了11.5%、112%、145.2%。
（3）ECC加固后的小型砌体墙的压剪强度为917.83kPa、极限应变为1.003‰、 耗能能力为783.1J/m3，相较于W0分别提升了76.1%、122%、322.1%。采用双面 10mm的BF-PGC加固、界面沿灰缝开槽的小型砌体墙（WG221）压剪强度达到 了1002.07kPa，极限应变达到了2.181‰，耗能能力达到了1820J/m3，相较于WE 分别高出9.2%、117.6%、132.4%。
第八章 结论与展望
8.1 主要结论
（1）采用BF-PGC抹面加固可以有效提高既有砌体结构性能。采用双面10mm 的BF-PGC加固的小型砌体墙（WG220）压剪强度达到了898.7kPa，极限应变达 到了1.029‰，耗能能力达到了742.16J/m3，相较于未加固的小型砌体墙（W0） 分别提升了72.4%、127.8%、300%。
（2）采用双面10mm的BF-PGC加固的小型砌体墙时，界面处理可以有效提 高既有砌体结构性能。界面沿灰缝开槽的小型砌体墙（WG221）压剪强度达到了 1002.07kPa，极限应变达到了2.181‰，耗能能力达到了1820J/m3，相较于界面未 处理的小型砌体墙（WG210）分别提高了11.5%、112%、145.2%。
（3）ECC加固后的小型砌体墙的压剪强度为917.83kPa、极限应变为1.003‰、 耗能能力为783.1J/m3，相较于W0分别提升了76.1%、122%、322.1%。采用双面 10mm的BF-PGC加固、界面沿灰缝开槽的小型砌体墙（WG221）压剪强度达到 了1002.07kPa，极限应变达到了2.181‰，耗能能力达到了1820J/m3，相较于WE 分别高出9.2%、117.6%、132.4%。
8.2 本文创新点
相较于目前纤维-石膏基材料的研究，本文主要做出了以下创新： （1）理论创新：改进了现有水膜厚度计算公式，提出了剩余水分布系数来 反映纤维表面亲水属性对玄武岩纤维-磷建筑石膏浆中水分布状态的影响，给出了 基于水膜厚度的玄武岩纤维-磷建筑石膏流动度计算模型；
（2）方法创新：提出了“随机+抹平”法用于模拟生成薄板构件中的纤维分 布，并分析了薄板构件中“板厚:纤维长度”对纤维取向系数和玄武岩纤维-磷建筑石膏力学性能的影响规律；
（3）工程应用创新：提出了采用玄武岩纤维-磷建筑石膏抹面加固既有砌体结构的方法，并通过压剪试验研究了加固效果及影响加固效果的因素。
8.3不足与展望
局限于试验设备及本人能力，本文在相关研究方面仍有欠缺和未尽工作。
（1）本文在分析玄武岩纤维-磷建筑石膏流动性能时，采用了流动度作为评 价和建模的指标，而在更深层次的关于水膜厚度对玄武岩纤维-磷建筑石膏流变性能的研究本文并未涉足，在未来的研究中可以进一步探索和建立基于水膜厚度理
论的玄武岩纤维-磷建筑石膏流变模型。
（2）本文主要研究对象为玄武岩纤维-磷建筑石膏，所提出的水膜厚度理论 修正仅在该材料中进行了验证，在未来的工作中，可以尝试在不同种类的纤维- 石膏基复合材料乃至纤维-水泥基复合材料中进行拓展和验证，对水膜厚度理论进
行进一步的完善；
（3）本文制备的玄武岩纤维-磷建筑石膏虽然力学性能远高于磷建筑石膏，但该材料在变形能力方面表现一般，这主要受限于玄武岩纤维对材料的流动性能 影响较大，纤维掺量上限较低以及玄武岩纤维与磷建筑石膏基体的粘接强度较低，
在未来的工作中可以考虑对玄武岩纤维进行表面改性来提升纤维掺量以及纤维- 基体间粘接强度，进一步制备具有更高强度的玄武岩纤维-磷建筑石膏或者制备具。
参考文献 略
附录 B BF-PGC 密度测量结果与纤维体积掺量换算结果
附录 C 本文相关代码