再生砖粉铝酸盐水泥基超高性能混凝土制备及高温后力学性能研究

作     者：马伟 

作者单位：郑州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤寄予

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超高性能混凝土 铝酸盐水泥 再生砖粉 力学性能 微观结构 

摘      要：超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete,UHPC)以其优异的高强度、高韧性和超高的耐久性能已逐渐应用于长跨桥梁、高耸建筑、核反应堆安全壳和军事防护等工程结构中。然而,传统以硅酸盐水泥为胶凝材料、以普通碳素钢钢纤维或聚合物纤维为增强材料制备的UHPC在火灾高温下易产生爆裂和性能衰退,制约着其工程应用范围。为此,本文以铝酸盐水泥为胶凝材料、以再生砖粉为辅助胶凝材料,并以耐火钢纤维为增强材料制备新型的耐火UHPC,通过对不同模拟火灾温度作用后不同再生砖粉掺量铝酸盐水泥基胶凝材料硬化浆体的抗折及抗压强度试验,优化了绿色铝酸盐水泥基胶凝材料的配合比,并采用经配合比优化的胶凝材料、标准砂和不同掺量的普通钢纤维和耐火钢纤维制备UHPC混合料,系统研究钢纤维类型和掺量对铝酸盐水泥基UHPC经不同模拟火灾温度作用后对抗爆裂性能、力学性能以及微观结构的影响。主要成果总结如下:(1)试验研究了再生砖粉不同掺量的铝酸盐水泥基胶凝材料工作性能及硬化胶凝材料浆体经不同模拟火灾温度作用后的抗折强度和抗压强度。结果表明,随再生砖粉掺量的增加,新拌料浆工作性能逐渐变差;当再生砖粉掺量一定时,硬化浆体试件抗折强度随模拟火灾温度的升高呈不断降低的趋势,而抗压强度随温度的升高呈先增大后减小的趋势,在200℃时达到抗压强度最大值。基于试验结果分别建立了考虑再生砖粉掺量和模拟火灾温度影响的抗折与抗压强度经验计算模型。(2)通过147个UHPC立方体试件对比研究了不同掺量的普通钢纤维和耐火钢纤维对经不同模拟火灾温度作用后铝酸盐水泥基UHPC劈拉性能的影响。试验结果表明,在同一钢纤维掺量下,随着温度的升高,试件的劈拉强度以及荷载-位移曲线的下包面积先增大后减小,在400℃时均达到最大值;在同一温度下,劈拉强度随着钢纤维掺量的增加而增大,荷载-位移曲线更加饱满,韧性逐渐增大;耐火钢纤维对劈拉性能的增强效果优于普通钢纤维。基于试验结果提出了考虑钢纤维掺量和模拟火灾温度综合影响的劈拉强度经验计算模型。(3)通过84个UHPC立方体试件研究了不同掺量耐火钢纤维对经不同模拟火灾温度作用后铝酸盐水泥基UHPC立方体抗压强度的影响。结果表明,在同一钢纤维掺量下,随着温度的升高立方体抗压强度呈先增大后减小的趋势,临界温度为400℃,耐火钢纤维掺量为3%时立方体抗压强度达到198.55MPa的最大值;在同一温度下,随着钢纤维掺量的增加立方体抗压强度呈递增趋势。基于试验结果提出了考虑模拟火灾温度与耐火钢纤维掺量综合影响的立方体抗压强度经验计算模型。(4)通过84个UHPC棱柱体试件研究了耐火钢纤维掺量对经不同模拟火灾温度作用后铝酸盐水泥基UHPC单轴受压性能的影响。试验结果显示,随着模拟火灾温度的升高,轴压强度先增大后减小,经过400℃高温后轴压强度达到最大值;不论钢纤维掺量为多少,在模拟火灾温度不超过400℃时,应力-应变曲线峰值点逐渐向上向右移动,曲线下包面积逐渐增大;随着模拟火灾温度进一步升高至1000℃时,应力-应变曲线逐渐趋于扁平化且峰值点向下向右移动,曲线下包面积逐渐减小,韧性逐渐丧失;当模拟火灾温度达到1200℃时,不掺钢纤维试件的应力-应变曲线的峰值点继续向下向右移动,但掺钢纤维试件的曲线峰值点向下向左移动。基于试验结果分别提出了考虑模拟火灾温度和耐火钢纤维影响的轴压强度、峰值应变以及弹性模量经验计算模型,并建立了考虑模拟火灾温度影响的应力-应变全曲线方程。(5)通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线衍射仪(XRD)等微观分析手段研究了经不同模拟火灾温度作用后的铝酸盐水泥基胶凝材料浆体及硬化UHPC的微观形貌、矿物组成以及物相变化规律。试验结果表明,当温度达到400℃时,胶凝材料水化反应逐渐完善,UHPC基体结构更加致密,钢纤维与混凝土基体粘结紧密;随着模拟火灾温度逐渐升高,UHPC内部孔隙裂缝逐渐明显,骨料逐渐脱离硬化水泥浆基体;1000℃后普通钢纤维氧化为残渣,耐火钢纤维表面出现高温氧化痕迹,表面开始变得粗糙。