超高性能水泥基復合材料的力學性能和微結構研究.pdf

1、超高性能水泥基復合材料（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)異的力學性能和耐久性，能夠滿足當代建筑結構高層化、大跨化、輕量化以及長壽命等要求，因而它具有廣闊的應用前景。高韌性作為UHPCC的一個重要特征，其主要源自于高強纖維的摻加。纖維的增韌機理如纖維拔出、纖維斷裂、纖維變形以及基體的多縫開裂等，已經(jīng)

2、被相關試驗研究所證實，然而關于各個機理對材料韌性所貢獻的比重，相關研究較為匱乏。在UHPCC制備方面，粉煤灰等礦物摻合料的應用越來越廣泛，然而目前缺乏對其宏觀性能產(chǎn)生機理的系統(tǒng)研究。本研究主要內容包括：
　　⑴采用“水泥+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，粉煤灰單摻時會降低材料的抗折強度，和硅灰復摻后能夠消除這種不利影響。和標準養(yǎng)護至成熟齡期相比，蒸汽養(yǎng)護提高了材料的

3、抗壓強度，但對抗折強度影響不大，高溫干熱養(yǎng)護能夠顯著提高材料的抗壓強度。采用天然河砂和石英砂分別配制的UHPCC的力學性能較為接近，而采用鋁礬土作為細集料能夠提高材料的力學性能。UHPCC的力學性能隨纖維摻量的增加而提高，纖維對抗折強度的提高程度高于抗壓強度。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期的持續(xù)時間，而粉煤灰的摻加延緩了水化進程

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

5、和290倍?；w多縫開裂對韌性的貢獻較小，而纖維拔出對韌性的貢獻較大。當纖維摻量為1％和2％時，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孔法研究了UHPCC微結構的演變過程。結果表明，標準養(yǎng)護條件下，UHPCC在3d齡期時能夠形成較為密實的微結構，且其內部水化反應主要發(fā)

6、生在7d齡期之內，在28d時水泥的水化程度接近50％。單摻粉煤灰延緩了水化初期微結構的形成，對早期力學性能不利，而粉煤灰和硅灰復摻后發(fā)揮協(xié)同效應，降低了粉煤灰對早期微結構的不利影響。蒸汽養(yǎng)護條件下水泥的水化程度略有降低，而材料內部火山灰反應程度有所提高，微結構十分密實。另一方面，采用網(wǎng)格點陣納米壓痕技術對UHPCC漿體以及界面區(qū)的微觀力學行為進行了研究。結果表明，UHPCC的水化反應產(chǎn)物主要為力學性能較高的高密度(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），二者在標養(yǎng)過后占據(jù)反應產(chǎn)物的80％。和標養(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)反應產(chǎn)物的90％，這從微觀力學的角度解釋了蒸汽養(yǎng)護有助于提高材料的的力學性能。UHPCC中未反應的水泥和粉煤灰顆粒的力學性能遠高于水化產(chǎn)物，能夠作為高剛度的微集料增強漿體。在纖維或集料與漿體的界面區(qū)，力學性能較為穩(wěn)定且與基

8、體相當，表明纖維或集料與漿體之間具有較強的粘結作用。這些結果從根本上揭示了UHPCC宏觀力學性能的產(chǎn)生機理。此外，采用納米劃痕技術對比研究了UHPCC和HPC漿體的微觀力學性能，結果表明，UHPCC試樣的瞬時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MUHPCC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