堿礦渣膠凝材料耐高溫性能及其在工程中應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、目前，粘貼碳纖維布加固技術(shù)，已被納入國家標準《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2006）和行業(yè)標準《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146：2003）。碳纖維絲在絕氧條件下具有良好的耐高溫性能，其強度在1000℃以內(nèi)不隨溫度升高而降低。加固所用的常規(guī)環(huán)氧樹脂膠的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg僅為60℃~82℃，其燃點為600℃。由于火災(zāi)是一種高頻災(zāi)種，火災(zāi)發(fā)生時環(huán)境溫度高達數(shù)百度至上千度，這嚴重制約了粘貼碳纖維布加固技術(shù)的發(fā)展

2、。鑒于耐高溫環(huán)氧樹脂膠價格昂貴，且在粘貼碳纖維布過程中需在高溫環(huán)境中進行，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用，研發(fā)耐高溫的無機膠凝材料成為行業(yè)的一種迫切需求。同時也可考慮耐高溫無機膠凝材料替代混凝土，用于高溫環(huán)境的工程建設(shè)。從相關(guān)文獻了解到地聚物具有良好的耐高溫性能，定性判斷堿礦渣膠凝材料（AASCM）應(yīng)具有與地聚物類似的性能。因此，我們以AASCM作為一個著力點，開展研究工作。
　?。?）嘗試進行了?；郀t礦渣與鉀水玻璃，?；郀t礦渣與氫氧化鈉

3、，?；郀t礦渣與水泥和少量碳酸鈉，?；郀t礦渣和粉煤灰分別與鉀水玻璃、氫氧化鈉、水泥和少量碳酸鈉等六種方案試配，獲得了AASCM兩種較優(yōu)配比，即以礦渣為原料，模數(shù)Ms=1.0的鉀水玻璃為堿性激發(fā)劑，水玻璃用量占礦渣質(zhì)量的12％，用水量分別占礦渣質(zhì)量的35%和42%的兩種配比。按優(yōu)選配比配制的AASCM養(yǎng)護齡期為28d時，當用水量占礦渣質(zhì)量35%時40mm×40mm×160mm膠砂件抗壓強度為90.16MPa，邊長70.7mm的立方體試件

4、抗壓強度為71.75MPa，70.7mm×70.7mm×228mm棱柱體試件軸心抗壓強度為48.44MPa，啞鈴型試件抗拉強度為3.47MPa。當用水量占礦渣質(zhì)量42%時40mm×40mm×160mm膠砂件抗壓強度為80.88MPa，邊長70.7mm的立方體試件抗壓強度為64.53MPa，70.7mm×70.7mm×228mm棱柱體試件軸心抗壓強度為44.90MPa，啞鈴型試件抗拉強度為3.24MPa。AASCM強度相對較高，單方造價約

5、合330元，價格相對較低。兩種較優(yōu)配比中用水量占礦渣質(zhì)量42%時AASCM工作性能較好。因此，選擇用水量占礦渣質(zhì)量42%配比的AASCM為后續(xù)研究對象。
　?。?）為考察AASCM的常溫下力學(xué)性能，完成了60個40mm×40mm×160mm膠砂件、60個邊長為70.7mm的立方體、60個70.7mm×70.7mm×228mm棱柱體的抗壓試驗，完成了60個40mm×40mm×160mm試件的抗折試驗，完成了60個啞鈴型試件的抗拉試驗

6、，完成了60個邊長為70.7mm立方體試件的劈拉試驗。AASCM膠砂件抗壓強度最高可達121.18MPa，邊長為70.7mm立方體抗壓強度最高可達96.43MPa，軸心抗壓強度最高可達59.86MPa，抗折強度最高可達16.56MPa，抗拉強度最高可達4.45MPa，劈拉強度最高可達4.15MPa。通過對36個70.7mm×70.7mm×228mm的棱柱體試件進行單軸抗壓試驗，得到了AASCM受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程。對比分析可知，AA

7、SCM受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程上升段與普通混凝土相似，均為二次拋物線形式，AASCM考慮應(yīng)變梯度影響的下降段呈斜直線形式。通過采用SEM掃描電鏡和XRD衍射分析技術(shù)，確定了AASCM的水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣凝膠、水滑石和水化鋁酸四鈣等非晶質(zhì)物相。
　　（3）為對比粘貼效果，采用雙剪試驗方法對90個用AASCM在混凝土表面粘貼纖維布試件（邊長為100mm的混凝土立方體試塊，兩對面粘貼寬度為70mm，長為100mm的纖維布條帶），進行常溫

8、雙剪試驗，獲得了與膠層毗鄰混凝土撕裂剝離的破壞形式，雙剪試件的面內(nèi)剪切強度在1.09~1.61MPa之間，與常規(guī)環(huán)氧樹脂膠基本持平。通過在160mm×160mm×1000mm混凝土棱柱體兩對面粘貼寬70mm，長120mm至300mm，相鄰試件粘貼長度相差20mm碳纖維布條帶的20個試件粘結(jié)錨固性能試驗，量測了在各級荷載下碳纖維布與混凝土間剪應(yīng)力的分布及有效粘結(jié)長度，獲得了碳纖維布被拉斷的同時混凝土被撕裂剝離時的碳纖維布的粘貼長度（即錨固

9、長度），擬合得到了常溫下碳纖維布有效粘結(jié)長度和錨固長度的計算公式。有效粘結(jié)長度計算公式考慮了破壞荷載，碳纖維布軸向剛度bf Ef tf和碳纖維布加載端滑移量的影響；錨固長度計算公式考慮了碳纖維布抗拉強度，計算厚度以及碳纖維布與混凝土間粘結(jié)應(yīng)力的影響。
　?。?）為考察AASCM高溫下和高溫后力學(xué)性能，完成了96個40mm×40mm×160mm膠砂件和96個邊長為70.7mm立方體在100℃~800℃高溫下和高溫后抗壓試驗，完成了9

10、6個40mm×40mm×160mm試件在100℃~800℃高溫下和高溫后的抗折試驗，完成了96個啞鈴型試件在100℃~800℃高溫下和高溫后的抗拉試驗。試驗結(jié)果表明，在600℃高溫下和600℃高溫后，AASCM膠砂件抗壓強度分別為常溫時的81.5%和103.5%， AASCM邊長70.7mm立方體抗壓強度分別為常溫時的85.2%和105.5%，AASCM試件抗折強度分別為常溫時的44.6%和52.5%，AASCM啞鈴型試件抗拉強度分別為

11、常溫時的40.1%和48.3%。在800℃高溫下和800℃高溫后，AASCM立方體抗壓強度分別為常溫時的61.3%和66.7%。相同尺寸和養(yǎng)護條件下的水泥石立方體抗壓強度分別為常溫時抗壓強度的33%和42%，證明AASCM的耐高溫性能明顯優(yōu)于水泥石。通過回歸分析，擬合得到AASCM的抗壓強度、抗折強度和抗拉強度等各項力學(xué)指標隨溫度變化的計算公式?？芍?0℃~200℃高溫下，膠砂件和立方體抗壓強度隨溫度升高而降低；200℃~500℃時，

12、抗壓強度有所回升，500℃~800℃時，抗壓強度隨溫度升高再次降低。在20℃~400℃高溫后，膠砂件和立方體抗壓強度隨溫度升高而增大；400℃~800℃高溫后，抗壓強度隨溫度升高而降低。在100℃~800℃高溫下和100℃~800℃高溫后，40mm×40mm×160mm試件的抗折強度和啞鈴型試件的抗拉強度均隨溫度升高而降低。對比分析可知，高溫下AASCM各項力學(xué)指標比高溫后的略低。采用SEM掃描電鏡和XRD衍射分析技術(shù)，揭示了AASCM

13、在600℃~800℃之間時，其水化產(chǎn)物—水化硅酸鈣凝膠逐漸分解，并伴有鎂黃長石生成，物相組成由非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫?，這是AASCM高溫力學(xué)性能下降的根本原因。
　　（5）為考察高溫下和高溫后用AASCM作膠粘劑和密封絕氧層時碳纖維布與混凝土間的粘結(jié)錨固性能，通過在160mm×160mm×1500mm棱柱體兩對面粘貼寬70mm，長225mm至400mm，相鄰試件粘貼長度相差25mm碳纖維布條帶的20個試件在100℃~500℃高溫下的雙剪

14、試驗，呈現(xiàn)出粘結(jié)破壞（混凝土被撕裂剝離，或部分混凝土被撕裂剝離部分膠層滑脫）但碳纖維布未被拉斷，碳纖維布被拉斷但未發(fā)生粘結(jié)破壞以及碳纖維布被拉斷的同時發(fā)生粘結(jié)破壞。獲得了高溫下試件的破壞荷載和錨固長度，擬合得到高溫下碳纖維布錨固長度計算公式?？芍?0℃~100℃高溫下，碳纖維布錨固長度隨溫度升高而增加；100℃~500℃時，錨固長度隨溫度升高而降低。為考察高溫后的粘結(jié)錨固性能，通過在160mm×160mm×1500mm棱柱體兩對面粘貼寬

15、70mm，長200mm至340mm，相鄰試件粘貼長度相差20mm碳纖維布條帶的20個試件和長350mm至500mm，相鄰試件粘貼長度相差25mm碳纖維布條帶的20個試件在100℃~500℃高溫后的雙剪試驗，呈現(xiàn)出粘結(jié)破壞但碳纖維布未被拉斷，碳纖維布被拉斷但未發(fā)生粘結(jié)破壞以及碳纖維布被拉斷的同時發(fā)生粘結(jié)破壞等破壞形式。在前20個試件中量測了在各級荷載下碳纖維布與混凝土間剪應(yīng)力的分布和有效粘結(jié)長度，獲得了高溫后相關(guān)試件的破壞荷載、有效粘結(jié)長