超高性能水泥基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理與動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究.pdf

1、超高性能水泥基復(fù)合材料(Ultra-high performance cementitious composites，UHPCC)是一種以硅酸鹽水泥和多種工業(yè)廢渣為膠凝體系、以高強(qiáng)粗集料和鋼纖維為增強(qiáng)項(xiàng)、采用常規(guī)制備技術(shù)所得抗壓強(qiáng)度大于150MPa、同時(shí)具有良好流動(dòng)性能、力學(xué)性能和耐久性能的低能耗生態(tài)型綠色環(huán)保建筑材料。該新型材料具備活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，RPC)超高力學(xué)性能、耐久性能之優(yōu)點(diǎn)，

2、同時(shí)克服了其材料造價(jià)高、能耗大、制備工藝復(fù)雜、不易于在實(shí)際工程中應(yīng)用等不足，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。本文對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理、配合比設(shè)計(jì)理論、制備技術(shù)、準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、抗高速侵徹性能和抗爆炸性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，獲得以下創(chuàng)新成果:
　　 一、微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程及機(jī)理
　　 自主發(fā)明了新型超聲波測(cè)量?jī)x（專利號(hào)200910028456.8）和高溫型無(wú)電極電阻率測(cè)量?jī)x（專利號(hào)201120085

3、277.0），新型儀器都克服了以往只能測(cè)量室溫條件下水化反應(yīng)過(guò)程之不足，可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)多種溫度條件下水泥基材料早期水化過(guò)程超聲波速和電阻率變化的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，測(cè)量結(jié)果表明兩種新型儀器都具有很高靈敏性、可靠性以及重現(xiàn)性。利用發(fā)明的儀器，結(jié)合高精度恒溫量熱儀，對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料早期水化過(guò)程進(jìn)行了原位、持續(xù)、定量地跟蹤監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)研究了水灰比、養(yǎng)護(hù)溫度、礦物摻合料、集料、鋼纖維等因素對(duì)于超高性能水泥基復(fù)合材料早期水化進(jìn)程、微結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的影響

4、規(guī)律，并深入剖析了整個(gè)水化過(guò)程中化學(xué)反應(yīng)和物理變化。
　　 基于超聲波、電阻率和水化熱試驗(yàn)所提供關(guān)于超高性能水泥基復(fù)合材料早期水化、硬化過(guò)程多角度信息，建立了超高性能水泥基復(fù)合材料早期水化硬化、微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理模型。該模型將UHPCC早期水化硬化過(guò)程分為溶解期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期五個(gè)階段，并詳細(xì)描述了UHPCC自與水接觸開(kāi)始到硬化完成的整個(gè)時(shí)期內(nèi)所發(fā)生的從微觀、細(xì)觀到宏觀多尺度下的物理化學(xué)變化，以及各因素在每一階段中對(duì)

5、UHPCC的水化、微結(jié)構(gòu)形成所造成的影響。該模型可以為指導(dǎo)超高性能水泥基材料配合比設(shè)計(jì)與及解釋其優(yōu)異物理力學(xué)和耐久性能的機(jī)理提供理論支持。
　　 二、配合比設(shè)計(jì)理論與制備技術(shù)
　　 利用本文建立的超高性能水泥基復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)形成機(jī)理模型，提出了超高性能水泥基復(fù)合材料配合比設(shè)計(jì)理論。首先，基于最大密實(shí)度理論與流變學(xué)原理，采用不同顆粒細(xì)度的活性二元和三元超細(xì)工業(yè)廢渣復(fù)合技術(shù)，以最佳流動(dòng)性能為判據(jù)、以最強(qiáng)力學(xué)性能為向標(biāo)，制備出

6、適合超高性能水泥基復(fù)合材料的多元復(fù)合膠凝體系，該體系能充分發(fā)揮不同廢渣的潛能與互補(bǔ)效應(yīng)，改善微集料-水泥凝膠、細(xì)集料-水泥基和高強(qiáng)粗集料-水泥砂漿整體多種尺度的界面區(qū)細(xì)觀與微觀結(jié)構(gòu)，消除傳統(tǒng)水泥基材料薄弱的過(guò)渡界面區(qū)，進(jìn)而為粗細(xì)集料的摻加奠定了理論基礎(chǔ);其次，基于多元復(fù)合膠凝體系，利用密實(shí)骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論，研究集料粒徑、級(jí)配對(duì)整體空隙率的影響，以實(shí)現(xiàn)集料最緊密堆積為原則，進(jìn)行粗、細(xì)集料和級(jí)配的精確設(shè)計(jì);最后，基于復(fù)合材料理論和纖維間距理

7、論，優(yōu)選與水泥基體間具有高粘結(jié)、高錨固作用的高強(qiáng)短細(xì)鋼纖維，合理設(shè)計(jì)其長(zhǎng)徑比、體積摻量，做到鋼纖維在基體空間中的均勻分布，充分發(fā)揮其增強(qiáng)、增韌之功效。超高性能水泥基復(fù)合材料配合比設(shè)計(jì)理論的提出，在理論上豐富、充實(shí)、完善與發(fā)展了無(wú)機(jī)膠凝材料學(xué)。
　　 三、工作性能與準(zhǔn)靜態(tài)學(xué)性能
　　 基于本文所提出的超高性能水泥基復(fù)合材料配合比設(shè)計(jì)理論，精心設(shè)計(jì)了摻加不同種類和不同粒徑粗集料、不同摻量和不同外形鋼纖維多種類型的超高性能水泥

8、基復(fù)合材料;然后，利用混凝土流變測(cè)定儀定量研究了新拌UHPCC漿體的流變行為，發(fā)現(xiàn)新拌UHPCC漿體不泌水、不分層、不離析，具備良好流動(dòng)性、粘聚性、均勻性和易密性;最后，利用MTS試驗(yàn)機(jī)對(duì)硬化后UHPCC試件的抗壓、抗折、軸心抗拉等準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并結(jié)合掃描電鏡(SEM)微觀測(cè)試技術(shù)，從多角度、多層面、系統(tǒng)性地揭示了粗集料與鋼纖維增強(qiáng)項(xiàng)的作用機(jī)理和對(duì)超高性能水泥基復(fù)合材料準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響規(guī)律。
　　 四、動(dòng)態(tài)力

9、學(xué)性能
　　 利用直徑為75mm的霍普金森壓桿(Split Hopkinson press bar，SHPB)對(duì)16個(gè)不同配合比超高性能水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了應(yīng)變率在120s-1范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)沖擊壓縮、沖擊拉伸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了多應(yīng)變率條件下不同種類和粒徑的粗集料、不同摻量和外形的鋼纖維對(duì)UHPCC單次沖擊壓縮、單次沖擊拉伸、多次重復(fù)沖擊壓縮、多次重復(fù)沖擊拉伸性能的影響規(guī)律性。此外，借助超聲波技術(shù)對(duì)UHPCC多次重復(fù)沖擊進(jìn)行損傷評(píng)估，

10、揭示了UHPCC材料抵抗重復(fù)沖擊荷載的本質(zhì)特征。結(jié)果表明:無(wú)論是沖擊壓縮試驗(yàn)還是沖擊拉伸試驗(yàn)，UHPCC材料都表現(xiàn)出明顯的“應(yīng)變率效應(yīng)”，但后者的效應(yīng)現(xiàn)象更為明顯;高強(qiáng)的玄武巖集料能在試件內(nèi)部形成高強(qiáng)骨架，有利于UHPCC動(dòng)態(tài)沖擊壓縮能力的提高，但對(duì)沖擊拉伸能力微有降低;鋼纖維摻量的提高能顯著提高其抗單次、多次重復(fù)沖擊的能力，維持試件的完整性。利用大型非線性有限元軟件LS-DYNA對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊壓縮過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值仿真，通過(guò)與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果反

11、復(fù)對(duì)比調(diào)試，獲得了能反映UHPCC材料在高應(yīng)變率動(dòng)態(tài)沖擊條件下?lián)p傷破壞過(guò)程的模型參數(shù)，該參數(shù)模型將為高速侵徹、爆炸這種超高應(yīng)變率條件下的試驗(yàn)數(shù)值仿真奠定基礎(chǔ)。最后，利用新獲得的模型參數(shù)，對(duì)UHPCC試件在高速?zèng)_擊壓縮這種瞬態(tài)過(guò)程中材料的受力、變形與破壞特征通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了重現(xiàn)。
　　 五、抗侵徹與爆炸性能
　　 基于超高性能準(zhǔn)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究結(jié)果，精心挑選了五個(gè)普通混凝土與超高性能水泥基復(fù)合材料配合比，應(yīng)用量綱分

12、析與相似理論設(shè)計(jì)并制作了20個(gè)大型靶體。利用新型高動(dòng)能深侵徹縮比鉆地彈對(duì)靶體進(jìn)行了中速(505m/s)與高速(850m/s)的實(shí)彈侵徹試驗(yàn)，借助超高速數(shù)字?jǐn)z影機(jī)（18000張/秒），觀察并記錄了彈體高速?zèng)_擊UHPCC靶體的全過(guò)程?；趯?duì)侵徹規(guī)律的研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立與靶體材料密切相關(guān)的彈體侵徹模型，該模型較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了彈體的侵徹深度。最后，應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)分析程序LS-DYNA對(duì)侵徹過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，重現(xiàn)了彈丸高速撞擊UHPCC靶體這種

13、微秒級(jí)瞬態(tài)過(guò)程中的受力特征;基于模擬結(jié)果，對(duì)彈靶結(jié)構(gòu)響應(yīng)、靶體的整體與局部效應(yīng)和彈丸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了深入的分析，深層次地揭示了超高性能水泥基復(fù)合材料抵抗新型彈體侵徹性能的機(jī)理特征。
　　 利用TNT炸藥，對(duì)五個(gè)配合比共15個(gè)靶體進(jìn)行了野外抗爆炸、抗震塌試驗(yàn)，此外還對(duì)UHPCC靶體進(jìn)行了二次重復(fù)爆炸試驗(yàn)，系統(tǒng)研究普通強(qiáng)度混凝土與超高性能水泥基復(fù)合材料的抗爆炸性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通混凝土相比較，超高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料具備

14、優(yōu)越的抗爆炸能力;鋼纖維的加入能明顯減輕爆炸沖擊對(duì)于靶體迎爆面和背爆面的破壞，防止靶體震塌破壞情況的出現(xiàn)。二次爆炸試驗(yàn)表明，UHPCC靶體在二次爆炸后能保持其完整性，裂而不散，具備優(yōu)異的抗多次爆炸能力。最后，利用LS-DYNA軟件、采用流固耦合算法對(duì)靶體接觸爆炸過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值仿真，重現(xiàn)了靶體在爆炸這種微秒級(jí)瞬態(tài)過(guò)程中應(yīng)力波傳播、變形與破壞特征，基于模擬結(jié)果分析了爆炸沖擊荷載對(duì)UHPCC靶體的毀傷效應(yīng)及靶體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，揭示了超高性能水泥基