高溫后纖維納米混凝土性能及其計算方法.pdf

1、本文是國家自然科學基金項目“纖維納米混凝土及其高溫中和高溫后性能研究”（51178434）的主要內(nèi)容之一。通過試驗研究、理論分析以及掃描電鏡SEM的微觀觀察，重點研究了高溫后纖維納米混凝土基本力學性能、高溫后纖維納米混凝土軸壓應力-應變關系、高溫后纖維納米混凝土氯離子滲透性能以及微觀增強機理，建立了相應的計算模型，主要內(nèi)容如下：
　?。?）通過294個邊長150mm纖維納米混凝土立方體試塊在不同齡期的抗壓和劈拉試驗、147個100

2、mm×100mm×400mm梁式試件的抗折試驗以及工作性能試驗和SEM微觀分析，探討了纖維體積率和納米材料摻量對纖維納米混凝土微觀增強機理與物理力學性能的影響。結(jié)果表明：在混凝土中摻入適量的纖維和納米材料，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增加了混凝土的密實性，提高了混凝土的物理力學性能。隨鋼纖維體積率從0增大到1.5％，纖維納米混凝土拌合物坍落度從40mm逐漸減小到25mm，纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度分別提高12%、32%和12.5%。

3、隨納米SiO2（簡稱NS）摻量從0增大到2%，纖維納米混凝土拌合物坍落度減小95mm，初凝終凝時間分別減小52.3%和35.9%，纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度分別提高9%、24%和14.7%。隨納米CaCO3（簡稱NC）摻量從0增大到2%，纖維納米混凝土拌合物坍落度減小50mm，初凝終凝時間分別減小35.2%和3.8%，纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度分別提高8%、20%和8.8%。根據(jù)復合力學理論，并結(jié)合對本文和相關文獻試驗結(jié)

4、果的統(tǒng)計分析，分別建立了考慮納米材料和纖維影響的纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度計算方法。
　　（2）通過觀察150個邊長150mm纖維納米混凝土立方體試塊高溫前后宏觀形貌和量測高溫前后質(zhì)量損失，研究了纖維納米混凝土高溫形貌特征變化以及質(zhì)量損失率與溫度的關系。結(jié)果表明：隨溫度從25℃升高到800℃，纖維納米混凝土表觀劣化程度加劇，質(zhì)量損失率從1%增大約10%?；趯υ囼灲Y(jié)果的分析，建立了高溫后纖維納米混凝土質(zhì)量損失率與溫度的關系

5、式。
　?。?）通過450個邊長150mm纖維納米混凝土立方體試塊高溫后的抗壓和劈拉試驗、300個100mm×100mm×400mm纖維納米混凝土梁式試塊高溫后的抗折試驗，研究了纖維、納米材料和溫度對纖維納米混凝土高溫后抗壓強度、劈拉強度和劈拉荷載-橫向變形曲線、抗折強度和彎曲荷載-撓度曲線的影響。結(jié)果表明：隨鋼纖維體積率從0增大到1.5%，高溫后纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度呈增大趨勢；600℃高溫后，鋼纖維體積率1.0%時

6、的纖維納米混凝土殘余抗壓強度較不摻纖維時提高了43.97%，殘余劈拉強度提高了216.38%，殘余抗折強度提高了84.8%；劈拉橫向變形、劈拉荷載-橫向變形曲線下包面積逐漸增大；彎曲荷載-撓度曲線下包面積、峰值撓度、彎曲韌性指數(shù)和彎曲韌性比均呈增大趨勢。納米材料的摻入使高溫后纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度均有一定程度提高，600℃高溫后，NS和NC摻量分別為1%時的纖維納米混凝土殘余抗壓強度較不摻納米材料時分別提高了45.5%和38

7、.2%，殘余劈拉強度分別提高了63.9%和28.1%，殘余抗折強度分別提高了78.7%和46.3%；隨納米材料摻量增大，彎曲荷載-撓度曲線下包面積和彎曲韌性指數(shù)有一定程度提高。隨溫度從25℃升高到800℃，纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折強度逐漸減小，劈拉荷載-橫向變形曲線下包面積逐漸減小，彎曲荷載-撓度曲線逐漸趨于扁平，峰值荷載顯著降低，峰值撓度逐漸增大。基于對試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，分別建立了纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折殘余強度相對值與

8、溫度的關系式。
　?。?）通過150個邊長150mm纖維納米混凝土立方體試塊高溫前后超聲、回彈和抗壓強度試驗，探討了鋼纖維體積率、NS和NC摻量對高溫前后超聲波速和回彈值的影響以及纖維納米混凝土抗壓強度、經(jīng)歷最高溫度與超聲波速和回彈值的關系。結(jié)果表明：在混凝土中摻入纖維和納米材料，改善了混凝土微觀結(jié)構(gòu)，使高溫前后超聲波速和回彈值均有一定程度提高，800℃高溫后，鋼纖維摻量1.0%的混凝土超聲波速較不摻鋼纖維時提高了45.32%，回

9、彈值提高了36.28%；NS和 NC摻量分別為1.0%的混凝土超聲波速較不摻時分別提高了21.66%和22.25%，回彈值分別提高了45.77%和30.85%。纖維納米混凝土高溫后抗壓強度與超聲波速和回彈值具有良好的相關性，超聲回彈綜合法適用于推定纖維納米混凝土高溫抗壓強度及經(jīng)歷最高溫度。通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立了高溫后纖維納米混凝土超聲回彈綜合測強曲線及推定經(jīng)歷最高溫度的公式。
　?。?）通過306個150mm×150mm

10、×300mm纖維納米混凝土棱柱體試塊在25-800℃后的單軸受壓試驗，探討了鋼纖維、納米材料摻量和高溫對纖維納米混凝土軸壓應力-應變曲線的影響。結(jié)果表明：纖維納米混凝土軸壓應力-應變曲線可分為彈性階段、裂縫穩(wěn)定發(fā)展階段、裂縫失穩(wěn)擴展階段和破壞階段；隨鋼纖維體積率和納米材料摻量的增大，軸壓應力-應變曲線逐漸飽滿，峰值應力和峰值應變均有一定程度的提高，曲線下包面積逐漸增大；隨溫度升高，軸壓應力-應變曲線趨于扁平，彈性段逐漸變短，峰值應力顯著

11、降低，峰值應變明顯增大，軸壓應力-應變曲線下包面積減小。通過對試驗數(shù)據(jù)的綜合分析，建立了考慮溫度、納米材料摻量和鋼纖維含量特征參數(shù)影響的纖維納米混凝土軸壓應力-應變曲線數(shù)學模型。
　　（6）通過150個100mm×100mm×200mm纖維納米混凝土棱柱體試塊高溫前后氯鹽溶液浸泡干濕循環(huán)試驗，研究了鋼纖維、納米材料和溫度對纖維納米混凝土氯離子滲透性的影響。結(jié)果表明：隨鋼纖維體積率和納米材料摻量增大，纖維納米混凝土的氯離子含量呈減小

12、趨勢。800℃高溫后，鋼纖維體積率1%時，纖維納米混凝土7.5mm深度的氯離子含量為不摻鋼纖維時的64.2%；NS和NC摻量分別為1%時，纖維納米混凝土7.5mm深度的氯離子含量分別為不摻納米材料時的72.9%和68.1%。隨溫度的升高，纖維納米混凝土的氯離子含量逐漸增大。基于對纖維納米混凝土抗氯離子滲透機理的分析和對試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，建立了考慮溫度、納米材料摻量和鋼纖維含量特征參數(shù)影響的纖維納米混凝土氯離子含量計算公式。
　　

13、（7）通過混凝土微觀結(jié)構(gòu) SEM觀察，研究了纖維、納米材料和溫度對纖維納米混凝土微觀形貌及其對宏觀力學性能的影響。結(jié)果表明：納米材料增加了混凝土的密實度，改善了水泥石微觀結(jié)構(gòu)；聚丙烯纖維高溫熔解大大降低混凝土的內(nèi)部壓力，防止混凝土高溫爆裂；鋼纖維降低了溫度梯度，其橋接阻裂作用減輕了混凝土內(nèi)部微缺陷的引發(fā)和擴展，緩解了混凝土高溫劣化。在混凝土中摻入適量纖維和納米材料，提高了常溫時混凝土的力學性能，有效緩解了高溫對混凝土的劣化作用，改善了高