基于納米材料的活性粉末混凝土及其基本力學性能研究.pdf

1、活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，簡稱RPC）是根據最緊密堆積原理，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，同時摻入適量短纖維和活性礦物制備出的具有超高強度、高耐久性、高韌性的水泥基材料。RPC材料以其優(yōu)異的力學性能在土木建筑、水利、礦山、橋梁以及軍事工程等領域有著廣闊的應用前景。本文首先對國內外RPC材料基本力學研究進行綜述，發(fā)現工程中常用的RPC材料的強度仍然較低且韌

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

3、管可將水泥基材料的7天和28天抗壓強度提升22％和15％。納米材料摻量較低時，水泥基復合材料的強度隨著其摻量的提高而提升，且對水泥基材料早期強度提升明顯，而高摻量的納米材料會降低水泥基材料的性能。斷裂實驗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物連接在一起，有效減少有害孔隙的數量，其增強與增韌的機理主要是晶核效應、橋聯(lián)、拔出與填充效應。
　　其次

4、，由于RPC材料是由多種膠凝材料組成，本研究根據國內常用普通水泥及其輔助膠凝材料，同時配合以不同的投料順序和高、低速攪拌方法，得到具有高流動度的RPC漿料。本研究同時探索出高溫干熱養(yǎng)護增強RPC材料的合理工藝方法，并對比分析了常溫養(yǎng)護、濕熱養(yǎng)護和高溫干熱養(yǎng)護條件下RPC力學性能發(fā)展規(guī)律的影響，并對RPC水泥水化產物的種類和形態(tài)、材料收縮進行了分析，得到了高溫養(yǎng)護下的增強機理。
　　再次，以往研究大多通過提高纖維的用量來提升RPC的

5、韌性，但是相比于超高的抗壓強度，RPC材料直接拉伸強度仍然不足10 MPa。過多的增加鋼纖維的用量并不會提高基體開裂強度和峰值強度，還會造成RPC材料流動性變差等問題。本研究在鋼纖維增強RPC材料的基礎上，利用碳納米管對RPC基體進行改性，研究不同種類、摻量的鋼纖維和碳納米管對RPC抗壓、抗折、直接拉伸和四點彎曲等力學性能的影響，探索二者對水泥基復合材料的增強增韌機理。結果表明碳納米管的加入可以有效提高RPC材料的強度指標，摻有0.02

6、5wt％碳納米管的RPC材料的抗壓強度和彎曲開裂強度較對照組分別提高了7.2％和36％，直接拉伸試件的開裂強度和極限強度均提高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生和發(fā)展，多壁碳納米管在裂縫擴張為宏觀裂縫時逐漸失去作用，轉而由橫跨于裂縫之間的鋼纖維來承擔荷載作用，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)勢互補的阻裂效果。通過合理的配合比和攪拌工藝，RPC材料的抗壓強度和抗折強度可以達到20

7、8 MPa和45 MPa，單軸直接抗拉強度達到10 MPa以上，采用異形鋼纖維RPC材料的峰值拉伸應變可以達到0.4％以上。
　　最后，研究通過采用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，霍普金森壓桿）試驗裝置對RPC材料進行了沖擊動力學試驗，利用高速相機與數據同步采集系統(tǒng)得到了試樣動態(tài)劈裂應力時程曲線和破壞形貌，并分析了碳納米管的摻量和不同種類的鋼纖維對RPC基體的增強增韌效果。試驗表明碳納米管的加入

8、可以提升RPC試件的動態(tài)劈裂強度和耗能效果，在較低打擊氣壓下碳納米管的增強效果顯著。隨著碳納米管摻量的增多，其增強效果逐漸減弱。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。長直鋼纖維RPC動態(tài)劈拉強度可以達到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性狀和剪切強度是控制劈裂破壞的主要因素，而非鋼纖維本身抗拉強度。試驗并采