硅灰石改性超高性能混凝土的力学性能与机理

作     者：曾德明 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曹明莉;刘玉莲

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：硅灰石 超高性能混凝土 力学性能 单丝拉拔 改性机理 

摘      要：硅灰石（Wollastonite Microfiber,WF）是一种质优价廉的无机矿物微纤维,已被证实对水泥基材料具有微观增强效应。本文基于多尺度增强理念,将其应用于超高性能混凝土（UHPC）,以弥补钢纤维在微观尺度上增强UHPC的不足,提升其性价比。系统研究了WF改性钢纤维超高性能混凝土（WFMUHPC）在不同外部荷载下的强度和韧性。结合钢纤维单丝拉拔试验,分析了WF掺量、养护制度以及钢纤维类型等因素对WFMUHPC中钢纤维与基体间界面微观力学行为的影响。通过微观形貌及组成等表征手段,深入揭示WF在微观层次上对UHPC的改性机理,以及与钢纤维的协同增强效应机制。论文的主要研究工作及成果总结如下:（1）WFMUHPC的强度研究,包括抗压强度、弯拉强度和劈拉强度。通过单掺WF对UHPC基体进行改性得到WF-UHPC,以传统的钢纤维UHPC（SF-UHPC）作为参照,分析并讨论了WF对UHPC强度的作用效果。实验结果表明,WF对UHPC基体抗压和抗拉能力有很好的改善效果。相比于抗压强度,WF对UHPC的劈拉强度的提升更显著。（2）WFMUHPC的韧性研究,包括压缩韧性、弯曲韧性和断裂韧性。实验结果表明,WF-UHPC在压缩及弯曲试验中,均呈现出脆性破坏特征,但WF能有效延缓这种脆性破坏行为的发生,并提高基体在压应力作用下的刚度。WF进一步提高了SFUHPC在不同外部荷载下的耗能能力,主要与WFMUHPC峰后行为的改善有关。另外,加速养护对梁试件峰值韧性有利,但不利于弯曲韧性的提高。WFMUHPC板试件弯曲行为受到钢纤维掺量的影响,主要与群组效应和板壁效应有关。相比WF-UHPC或SFUHPC,WFMUHPC具有更高的断裂韧性。（3）通过单丝拉拔试验,研究了纤维类型以及养护制度对钢纤维与WF-UHPC之间的界面微观力学行为的影响。实验结果表明,WF能显著提高平直钢纤维在UHPC基体中的平均峰值黏结应力和滑移摩擦力,从而改善了WFMUHPC强度、韧性以及峰后行为。加速养护进一步改善了平直钢纤维与WF-UHPC之间的界面黏结性能。平直钢纤维和端勾钢纤维的拔出包括完全黏结、脱黏、摩擦滑移三个阶段。WF对端勾周围基体的阻裂机制改善了端勾钢纤维在不同拉拔阶段与WF-UHPC之间的界面黏结行为。（4）采用协同效应指数,评价WF与钢纤维对WFMUHPC的强度和韧性的共同作用效果,并给出了针对不同力学性能最佳增益的纤维组合。结果表明,不论是抗压、弯拉还是劈拉强度,S1.5W3（添加有1.5 vol.%钢纤维和3 vol.%WF的UHPC试件）均呈现出最显著的正混杂效应;而对于改善UHPC的韧性,S1.5W3或S1.5W6（添加有1.5 vol.%钢纤维和6 vol.%WF的UHPC试件）的纤维组合均具有较高的性价比。（5）通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、纳米压痕（NI）和背散射电子成像（BSE）分析,研究WF对UHPC基体的改性机理,以及对钢纤维在WF-UHPC中拉拔行为的增强机制。结果表明,WF兼具微纤维、微颗粒的作用,通过桥联微观裂缝、填充基体,同时限制钢纤维与基体界面微裂纹的形成和发展,从而改善基体与界面性能,进而提升WFMUHPC的强度和韧性。此外,WF有利于水泥及活性矿物的水化,促进UHPC中不同C-S-H相的生成,进而改善UHPC的微观结构。