基于納米材料的活性粉末混凝土及其基本力學(xué)性能研究.pdf

1、活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡(jiǎn)稱RPC）是根據(jù)最緊密堆積原理，采用高致密水泥基均勻體系模型，將直徑為400～600微米的石英砂作為骨料，同時(shí)摻入適量短纖維和活性礦物制備出的具有超高強(qiáng)度、高耐久性、高韌性的水泥基材料。RPC材料以其優(yōu)異的力學(xué)性能在土木建筑、水利、礦山、橋梁以及軍事工程等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外RPC材料基本力學(xué)研究進(jìn)行綜述，發(fā)現(xiàn)工程中常用的RPC材料的強(qiáng)度仍然較低且韌

2、性不足，不能充分發(fā)揮RPC材料的優(yōu)勢(shì)。因此，探索一種兼具高強(qiáng)度和高韌性的RPC對(duì)有效減輕混凝土結(jié)構(gòu)物的自重、提高結(jié)構(gòu)物的耐久性、降低工程造價(jià)以及推廣RPC材料應(yīng)用具有重要的工程意義。
　　首先，本研究采用表面活性劑、超聲波和離心機(jī)處理可以得到穩(wěn)定達(dá)到1個(gè)月以上的納米材料預(yù)分散液，并將其分散至水泥凈漿中。試驗(yàn)結(jié)果表明水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度與納米材料摻量(0.025 wt％～0.2 wt％)有關(guān)，0.1 wt％摻量的碳納米

3、管可將水泥基材料的7天和28天抗壓強(qiáng)度提升22％和15％。納米材料摻量較低時(shí)，水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度隨著其摻量的提高而提升，且對(duì)水泥基材料早期強(qiáng)度提升明顯，而高摻量的納米材料會(huì)降低水泥基材料的性能。斷裂實(shí)驗(yàn)表明石墨烯和碳納米管的加入可以大幅度提高水泥基材料的斷裂能和斷裂韌度。微觀分析表明碳納米管、石墨烯/氧化石墨烯材料可以將水化產(chǎn)物連接在一起，有效減少有害孔隙的數(shù)量，其增強(qiáng)與增韌的機(jī)理主要是晶核效應(yīng)、橋聯(lián)、拔出與填充效應(yīng)。
　　其次

4、，由于RPC材料是由多種膠凝材料組成，本研究根據(jù)國(guó)內(nèi)常用普通水泥及其輔助膠凝材料，同時(shí)配合以不同的投料順序和高、低速攪拌方法，得到具有高流動(dòng)度的RPC漿料。本研究同時(shí)探索出高溫干熱養(yǎng)護(hù)增強(qiáng)RPC材料的合理工藝方法，并對(duì)比分析了常溫養(yǎng)護(hù)、濕熱養(yǎng)護(hù)和高溫干熱養(yǎng)護(hù)條件下RPC力學(xué)性能發(fā)展規(guī)律的影響，并對(duì)RPC水泥水化產(chǎn)物的種類(lèi)和形態(tài)、材料收縮進(jìn)行了分析，得到了高溫養(yǎng)護(hù)下的增強(qiáng)機(jī)理。
　　再次，以往研究大多通過(guò)提高纖維的用量來(lái)提升RPC的

5、韌性，但是相比于超高的抗壓強(qiáng)度，RPC材料直接拉伸強(qiáng)度仍然不足10 MPa。過(guò)多的增加鋼纖維的用量并不會(huì)提高基體開(kāi)裂強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度，還會(huì)造成RPC材料流動(dòng)性變差等問(wèn)題。本研究在鋼纖維增強(qiáng)RPC材料的基礎(chǔ)上，利用碳納米管對(duì)RPC基體進(jìn)行改性，研究不同種類(lèi)、摻量的鋼纖維和碳納米管對(duì)RPC抗壓、抗折、直接拉伸和四點(diǎn)彎曲等力學(xué)性能的影響，探索二者對(duì)水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)增韌機(jī)理。結(jié)果表明碳納米管的加入可以有效提高RPC材料的強(qiáng)度指標(biāo)，摻有0.02

6、5wt％碳納米管的RPC材料的抗壓強(qiáng)度和彎曲開(kāi)裂強(qiáng)度較對(duì)照組分別提高了7.2％和36％，直接拉伸試件的開(kāi)裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度均提高8％以上。微觀分析表明碳納米管可以有效的在微觀尺度上延緩初始裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，多壁碳納米管在裂縫擴(kuò)張為宏觀裂縫時(shí)逐漸失去作用，轉(zhuǎn)而由橫跨于裂縫之間的鋼纖維來(lái)承擔(dān)荷載作用，這兩種纖維可以在材料破壞的不同階段發(fā)揮各自的作用，起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的阻裂效果。通過(guò)合理的配合比和攪拌工藝，RPC材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度可以達(dá)到20

7、8 MPa和45 MPa，單軸直接抗拉強(qiáng)度達(dá)到10 MPa以上，采用異形鋼纖維RPC材料的峰值拉伸應(yīng)變可以達(dá)到0.4％以上。
　　最后，研究通過(guò)采用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，霍普金森壓桿）試驗(yàn)裝置對(duì)RPC材料進(jìn)行了沖擊動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，利用高速相機(jī)與數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)得到了試樣動(dòng)態(tài)劈裂應(yīng)力時(shí)程曲線和破壞形貌，并分析了碳納米管的摻量和不同種類(lèi)的鋼纖維對(duì)RPC基體的增強(qiáng)增韌效果。試驗(yàn)表明碳納米管的加入

8、可以提升RPC試件的動(dòng)態(tài)劈裂強(qiáng)度和耗能效果，在較低打擊氣壓下碳納米管的增強(qiáng)效果顯著。隨著碳納米管摻量的增多，其增強(qiáng)效果逐漸減弱。RPC中的鋼纖維在沖擊劈裂荷載作用下存在明顯的橋聯(lián)阻裂作用，可有效提高基體高速變形下的抗拉伸損傷能力。長(zhǎng)直鋼纖維RPC動(dòng)態(tài)劈拉強(qiáng)度可以達(dá)到35 MPa以上，較基體提高了26.1％，且試件沖擊荷載作用下基本能夠保持完整?；w與鋼纖維之間的粘結(jié)性狀和剪切強(qiáng)度是控制劈裂破壞的主要因素，而非鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)并采