超高性能水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、超高性能水泥基復(fù)合材料（Ultra-high performance cementitious composite，UHPCC）是近年來發(fā)展起來的一種新型土木工程材料。和普通混凝土相比，它具有極其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，能夠滿足當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)高層化、大跨化、輕量化以及長(zhǎng)壽命等要求，因而它具有廣闊的應(yīng)用前景。高韌性作為UHPCC的一個(gè)重要特征，其主要源自于高強(qiáng)纖維的摻加。纖維的增韌機(jī)理如纖維拔出、纖維斷裂、纖維變形以及基體的多縫開裂等，已經(jīng)

2、被相關(guān)試驗(yàn)研究所證實(shí)，然而關(guān)于各個(gè)機(jī)理對(duì)材料韌性所貢獻(xiàn)的比重，相關(guān)研究較為匱乏。在UHPCC制備方面，粉煤灰等礦物摻合料的應(yīng)用越來越廣泛，然而目前缺乏對(duì)其宏觀性能產(chǎn)生機(jī)理的系統(tǒng)研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、挪捎谩八?粉煤灰+硅灰”的三元膠凝材料體系，制備出了性能優(yōu)異的UHPCC材料，并研究了其基本性能。研究表明，粉煤灰單摻時(shí)會(huì)降低材料的抗折強(qiáng)度，和硅灰復(fù)摻后能夠消除這種不利影響。和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至成熟齡期相比，蒸汽養(yǎng)護(hù)提高了材料的

3、抗壓強(qiáng)度，但對(duì)抗折強(qiáng)度影響不大，高溫干熱養(yǎng)護(hù)能夠顯著提高材料的抗壓強(qiáng)度。采用天然河砂和石英砂分別配制的UHPCC的力學(xué)性能較為接近，而采用鋁礬土作為細(xì)集料能夠提高材料的力學(xué)性能。UHPCC的力學(xué)性能隨纖維摻量的增加而提高，纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的提高程度高于抗壓強(qiáng)度。UHPCC的耐磨性能較水灰比為0.3的高性能混凝土（HPC）高54％，這主要源于其漿體具有較高的耐磨性能。UHPCC中硅灰的摻加縮短了誘導(dǎo)期的持續(xù)時(shí)間，而粉煤灰的摻加延緩了水化進(jìn)程

4、，半絕熱條件下UHPCC的內(nèi)部溫升峰值比HPC高約6.8℃。對(duì)于水養(yǎng)至成熟齡期的UHPCC，其干縮值在后期約為300個(gè)微應(yīng)變，小于HPC。UHPCC的抗氯離子滲透性能遠(yuǎn)高于HPC。
　?、撇捎萌笨谠嚰娜c(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)UHPCC的韌性進(jìn)行了表征，繼而通過纖維拉拔試驗(yàn)和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描，分別對(duì)斷裂過程中纖維拔出和基體開裂所消耗的能量進(jìn)行了定量分析。研究表明，纖維摻量為1％和2％時(shí)，UHPCC的斷裂能分別為同配比砂漿試件的230倍

5、和290倍?；w多縫開裂對(duì)韌性的貢獻(xiàn)較小，而纖維拔出對(duì)韌性的貢獻(xiàn)較大。當(dāng)纖維摻量為1％和2％時(shí)，多縫開裂所消耗的能量與系統(tǒng)總輸入能量的比值分別為4％和5.5％左右，而纖維拔出所消耗的能量與系統(tǒng)總輸入能量的比值分別為50％和70％左右。
　?、遣捎脪呙桦婄R、X射線衍射Rietveld定量分析以及壓汞測(cè)孔法研究了UHPCC微結(jié)構(gòu)的演變過程。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，UHPCC在3d齡期時(shí)能夠形成較為密實(shí)的微結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)部水化反應(yīng)主要發(fā)

6、生在7d齡期之內(nèi)，在28d時(shí)水泥的水化程度接近50％。單摻粉煤灰延緩了水化初期微結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)早期力學(xué)性能不利，而粉煤灰和硅灰復(fù)摻后發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，降低了粉煤灰對(duì)早期微結(jié)構(gòu)的不利影響。蒸汽養(yǎng)護(hù)條件下水泥的水化程度略有降低，而材料內(nèi)部火山灰反應(yīng)程度有所提高，微結(jié)構(gòu)十分密實(shí)。另一方面，采用網(wǎng)格點(diǎn)陣納米壓痕技術(shù)對(duì)UHPCC漿體以及界面區(qū)的微觀力學(xué)行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，UHPCC的水化反應(yīng)產(chǎn)物主要為力學(xué)性能較高的高密度(HD)水化硅酸鈣凝膠(

7、C-S-H)和超高密度水化產(chǎn)物相（UHD相），二者在標(biāo)養(yǎng)過后占據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的80％。和標(biāo)養(yǎng)相比，蒸養(yǎng)條件下水化產(chǎn)物中低密度(LD) C-S-H的含量大幅降低，而UHD相的含量大幅提高，HD C-S-H和UHD相的含量占據(jù)反應(yīng)產(chǎn)物的90％，這從微觀力學(xué)的角度解釋了蒸汽養(yǎng)護(hù)有助于提高材料的的力學(xué)性能。UHPCC中未反應(yīng)的水泥和粉煤灰顆粒的力學(xué)性能遠(yuǎn)高于水化產(chǎn)物，能夠作為高剛度的微集料增強(qiáng)漿體。在纖維或集料與漿體的界面區(qū)，力學(xué)性能較為穩(wěn)定且與基

8、體相當(dāng)，表明纖維或集料與漿體之間具有較強(qiáng)的粘結(jié)作用。這些結(jié)果從根本上揭示了UHPCC宏觀力學(xué)性能的產(chǎn)生機(jī)理。此外，采用納米劃痕技術(shù)對(duì)比研究了UHPCC和HPC漿體的微觀力學(xué)性能，結(jié)果表明，UHPCC試樣的瞬時(shí)劃痕深度均值和殘余劃痕深度均值相比HPC試樣分別低約35％和38％，這與二者在宏觀上的耐磨性能較為一致。
　?、葹榱送七M(jìn)UHPCC的綠色化以及水泥基材料的可持續(xù)發(fā)展，研究了鐵礦尾砂取代天然河砂用于UHPCC材料制備的可行性。結(jié)