高溫后纖維納米混凝土性能及其計(jì)算方法.pdf

1、本文是國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(guò)試驗(yàn)研究、理論分析以及掃描電鏡SEM的微觀觀察，重點(diǎn)研究了高溫后纖維納米混凝土基本力學(xué)性能、高溫后纖維納米混凝土軸壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、高溫后纖維納米混凝土氯離子滲透性能以及微觀增強(qiáng)機(jī)理，建立了相應(yīng)的計(jì)算模型，主要內(nèi)容如下：
　?。?）通過(guò)294個(gè)邊長(zhǎng)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(yàn)、147個(gè)100

2、mm×100mm×400mm梁式試件的抗折試驗(yàn)以及工作性能試驗(yàn)和SEM微觀分析，探討了纖維體積率和納米材料摻量對(duì)纖維納米混凝土微觀增強(qiáng)機(jī)理與物理力學(xué)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(shí)性，提高了混凝土的物理力學(xué)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(qiáng)度分別提高12%、32%和12.5%。

3、隨納米SiO2（簡(jiǎn)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(shí)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(qiáng)度分別提高9%、24%和14.7%。隨納米CaCO3（簡(jiǎn)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(shí)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(qiáng)度分別提高8%、20%和8.8%。根據(jù)復(fù)合力學(xué)理論，并結(jié)合對(duì)本文和相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)

4、果的統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度計(jì)算方法。
　?。?）通過(guò)觀察150個(gè)邊長(zhǎng)150mm纖維納米混凝土立方體試塊高溫前后宏觀形貌和量測(cè)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(guān)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?duì)試驗(yàn)結(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(guān)系

5、式。
　?。?）通過(guò)450個(gè)邊長(zhǎng)150mm纖維納米混凝土立方體試塊高溫后的抗壓和劈拉試驗(yàn)、300個(gè)100mm×100mm×400mm纖維納米混凝土梁式試塊高溫后的抗折試驗(yàn)，研究了纖維、納米材料和溫度對(duì)纖維納米混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和劈拉荷載-橫向變形曲線、抗折強(qiáng)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(qiáng)度呈增大趨勢(shì)；600℃高溫后，鋼纖維體積率1.0%時(shí)

6、的纖維納米混凝土殘余抗壓強(qiáng)度較不摻纖維時(shí)提高了43.97%，殘余劈拉強(qiáng)度提高了216.38%，殘余抗折強(qiáng)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(shì)。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(qiáng)度均有一定程度提高，600℃高溫后，NS和NC摻量分別為1%時(shí)的纖維納米混凝土殘余抗壓強(qiáng)度較不摻納米材料時(shí)分別提高了45.5%和38

7、.2%，殘余劈拉強(qiáng)度分別提高了63.9%和28.1%，殘余抗折強(qiáng)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(qiáng)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?；趯?duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，分別建立了纖維納米混凝土抗壓、劈拉和抗折殘余強(qiáng)度相對(duì)值與

8、溫度的關(guān)系式。
　?。?）通過(guò)150個(gè)邊長(zhǎng)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(qiáng)度試驗(yàn)，探討了鋼纖維體積率、NS和NC摻量對(duì)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(qiáng)度、經(jīng)歷最高溫度與超聲波速和回彈值的關(guān)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(shí)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(shí)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(qiáng)度與超聲波速和回彈值具有良好的相關(guān)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(qiáng)度及經(jīng)歷最高溫度。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立了高溫后纖維納米混凝土超聲回彈綜合測(cè)強(qiáng)曲線及推定經(jīng)歷最高溫度的公式。
　?。?）通過(guò)306個(gè)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(yàn)，探討了鋼纖維、納米材料摻量和高溫對(duì)纖維納米混凝土軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響。結(jié)果表明：纖維納米混凝土軸壓應(yīng)力-應(yīng)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(kuò)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(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸飽滿，峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于扁平，彈性段逐漸變短，峰值應(yīng)力顯著

11、降低，峰值應(yīng)變明顯增大，軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包面積減小。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)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(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)學(xué)模型。
　?。?）通過(guò)150個(gè)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(yàn)，研究了鋼纖維、納米材料和溫度對(duì)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(shì)。800℃高溫后，鋼纖維體積率1%時(shí)，纖維納米混凝土7.5mm深度的氯離子含量為不摻鋼纖維時(shí)的64.2%；NS和NC摻量分別為1%時(shí)，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(shí)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?；趯?duì)纖維納米混凝土抗氯離子滲透機(jī)理的分析和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)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(jì)算公式。
　　

13、（7）通過(guò)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(duì)纖維納米混凝土微觀形貌及其對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：納米材料增加了混凝土的密實(shí)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(kuò)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(shí)混凝土的力學(xué)性能，有效緩解了高溫對(duì)混凝土的劣化作用，改善了高