活性粉末混凝土高溫爆裂及高溫后力學(xué)性能研究.pdf

1、活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,簡(jiǎn)稱RPC)具有超高的強(qiáng)度、高韌性、高耐久性和良好的體積穩(wěn)定性,在石油、核電、市政、海洋、機(jī)械、航空、軍事設(shè)施等工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,RPC已成為國(guó)際工程材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),但對(duì)其研究多集中于配制技術(shù)與常溫力學(xué)性能方面,對(duì)其高溫抗火性能的研究較少。本文在高強(qiáng)混凝土高溫性能研究基礎(chǔ)上,對(duì)RPC高溫爆裂性能、纖維對(duì)爆裂抑制效果、高溫后不同纖維種類和摻量的RPC力學(xué)

2、性能及高溫后RPC微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行試驗(yàn)研究,主要開(kāi)展了以下幾方面工作:
　　(1)為摸清RPC的高溫爆裂規(guī)律,試驗(yàn)研究了含水率、升溫速度和試件尺寸對(duì)RPC爆裂性能的影響,對(duì)比分析了鋼纖維、聚丙烯纖維和混雜纖維對(duì)RPC高溫爆裂的抑制效果,基于試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)RPC高溫爆裂機(jī)理和爆裂抑制措施進(jìn)行了探討。試驗(yàn)結(jié)果表明:相對(duì)于升溫速度和試件尺寸而言,含水率對(duì)RPC高溫爆裂的影響最大,RPC爆裂臨界含水率為0.80％～0.85%;單摻鋼纖維體

3、積率為2%或單摻聚丙烯纖維體積率為0.3%可有效防止RPC發(fā)生爆裂,鋼纖維與聚丙烯纖維混摻對(duì)RPC爆裂的抑制效果更為顯著;RPC高溫爆裂機(jī)理可歸因于蒸汽壓、熱應(yīng)力和隨機(jī)性裂紋三方面的耦合作用。
　　(2)通過(guò)高溫試驗(yàn)研究了RPC試件外觀和質(zhì)量損失隨溫度的變化情況。隨經(jīng)歷溫度的升高,鋼纖維RPC、聚丙烯纖維RPC和混雜纖維RPC試件外觀特征和質(zhì)量損失具有相同的變化規(guī)律:試件表面顏色由青灰色→棕褐色→黑褐色→黃白色逐漸發(fā)生變化,600

4、℃后出現(xiàn)明顯可見(jiàn)長(zhǎng)寬裂紋,且出現(xiàn)不同程度掉皮、缺角和疏松現(xiàn)象,800℃后出現(xiàn)大量網(wǎng)狀長(zhǎng)寬裂紋,掉皮疏松嚴(yán)重,鋼纖維輕折即斷,混凝土燒結(jié);質(zhì)量損失隨加熱溫度的升高逐漸增大,200～400℃范圍內(nèi)質(zhì)量損失最為嚴(yán)重,各對(duì)應(yīng)溫度下,聚丙烯纖維體積摻量大的RPC質(zhì)量損失也相應(yīng)較大。
　　(3)對(duì)經(jīng)歷高溫試驗(yàn)后的鋼纖維RPC、聚丙烯纖維RPC和混雜纖維RPC進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),得到了高溫后三種RPC對(duì)應(yīng)的立方體抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和軸心抗拉強(qiáng)度,考察

5、了溫度、纖維種類和纖維摻量對(duì)RPC各項(xiàng)強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:鋼纖維的摻入可有效提高高溫后RPC力學(xué)強(qiáng)度,聚丙烯纖維對(duì)RPC強(qiáng)度有削弱作用,相同高溫作用后,RPC各項(xiàng)強(qiáng)度(抗壓、抗折、抗拉)隨鋼纖維摻量的增加而增大,隨聚丙烯纖維摻量的增加而減小;隨經(jīng)歷溫度的升高,高溫后單摻鋼纖維RPC與單摻聚丙烯纖維RPC的各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度先增大后減小,混雜纖維RPC抗壓強(qiáng)度先增大后減小,抗折和抗拉強(qiáng)度則基本呈線性規(guī)律降低;通過(guò)回歸分析,擬合給出了不同纖

6、維RPC各項(xiàng)強(qiáng)度隨溫度變化的計(jì)算公式,理論曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　(4)為研究高溫后鋼纖維RPC與混雜纖維RPC單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,采用普通液壓試驗(yàn)機(jī)附加剛性元件的方法對(duì)165個(gè)70.7mm×70.7mm×228mm的RPC試件進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)。實(shí)測(cè)了不同高溫后鋼纖維RPC與混雜纖維RPC的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,分析了纖維摻量和經(jīng)歷溫度對(duì)RPC軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變等力學(xué)指標(biāo)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨經(jīng)歷

7、溫度的升高,鋼纖維RPC與混雜纖維RPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線漸趨扁平,峰值點(diǎn)明顯右移和下移,軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量先增大后減小,峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變分別于600℃和700℃達(dá)到峰值,峰值點(diǎn)前二者增長(zhǎng)迅速,峰值點(diǎn)后,二者基本呈線性規(guī)律降低,采用多項(xiàng)式回歸方式,建立了軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變隨經(jīng)歷溫度的變化公式;相同高溫作用后,RPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積隨鋼纖維摻量增加而增大,說(shuō)明鋼纖維摻量大的RPC延性和韌性較好,300℃前,

8、聚丙烯纖維摻量對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響較小,300℃后,隨聚丙烯纖維摻量的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積逐漸增大;采用五次多項(xiàng)式和有理分式對(duì)鋼纖維RPC與混雜纖維RPC應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上升段和下降段進(jìn)行擬合,并通過(guò)計(jì)算模擬確定了方程參數(shù)值,由方程確定的理論曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　(5)利用SEM掃描電鏡分析,研究了經(jīng)歷不同高溫后的RPC微觀結(jié)構(gòu)變化和物相組成。結(jié)果表明:經(jīng)歷溫度低于400℃時(shí),水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)互相促進(jìn),增

9、加了C-S-H凝膠的含量,消耗了對(duì)強(qiáng)度有不利影響的Ca(OH)2,RPC的微觀結(jié)構(gòu)得到改善;經(jīng)歷400～800℃高溫后,隨經(jīng)歷溫度的升高,C-S-H凝膠由連續(xù)塊狀形態(tài)變?yōu)槌叽巛^小的分散相,鋼纖維與基體粘結(jié)界面處的裂紋逐漸形成并擴(kuò)展,聚丙烯纖維融化后的孔道加劇了RPC的內(nèi)部缺陷,RPC微觀結(jié)構(gòu)不斷惡化。RPC微觀結(jié)構(gòu)的變化是其宏觀力學(xué)性能發(fā)生改變的根本原因。
　　本文對(duì)RPC高溫爆裂性能、高溫后RPC力學(xué)性能和RPC微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系