UHP-ECC的力学性能与机理研究

作     者：吴立山 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘文化;吴灿彬

授予年度：2023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：超高性能 超高延性 力学性能 收缩性能 多尺度纤维增强 成本经济性 

摘      要：为了解决传统RC结构由于力学性能、耐久性不足而导致的建筑结构安全问题与由于高频率修复而带来的环境污染问题与不可持续性问题,亟需设计出一种兼具耐久性、高力学性能、高耗能与可持续性的高性能工程建筑材料。目前,超高性能超高延性水泥基复合材料(Ultra-high performance engineered cementitious composite,简称UHP-ECC)因其优异的力学性能有望成为理想的建筑材料。特别是其抗压强度为普通混凝土的近3倍,有利于建筑构件多样化,同时也保证了更高的安全阈值。此外,由于聚乙烯(polyethylene,简称PE)纤维优良的桥联效应,有利于UHP-ECC的高变形能力。其优异的拉伸延性(拉伸应变在3%以上)和饱和开裂行为(裂缝宽度小于200μm)提高了结构在极端条件下的稳定性和可持续性。然而,由于配合比中极低的水胶比以及大掺量辅助胶凝材料的使用,导致UHP-ECC基体内部收缩极高,7天内自收缩能够达到1900μm/m以上,如不加以控制,易导致材料的收缩开裂,严重影响结构的建筑安全;且UHP-ECC中PE纤维的价格昂贵,材料的高昂成本也是限制UHP-ECC大规模工程应用的瓶颈之一。本研究以紧密堆积原理来优化基体的颗粒级配,设计出具有较高颗粒堆积程度的水泥基体;并借鉴微观力学原理,确保UHP-ECC优异的变形能力。分别探究不同水胶比、粉煤灰掺量与PE纤维掺量对UHP-ECC压缩性能与弯曲性能的影响,最终得到具有高强度与高延性的UHP-ECC配合比。为了解决UHP-ECC的高收缩问题,本研究采用掺入不同的减缩外加剂,例如高分子吸水树脂(SAP)、膨胀剂(EA)与减缩剂(SRA)。通过多种减缩外加剂组合掺入的方式来控制UHP-ECC的自收缩。当各减缩外加剂单独掺入时,UHP-ECC的控缩效果较低,且导致UHP-ECC的某一性能的劣化。例如SAP的掺入由于增加总水胶比导致UHP-ECC基体强度的降低;EA的掺入由于消耗内部自由水导致UHP-ECC流动性的劣化。相比之下,多种减缩外加剂组合掺入后,UHP-ECC的自收缩得到更加显著的控制,且单掺外加剂对UHP-ECC性能的不利效应得到缓解甚至逆转。尤其当SAP、EA与SRA三种外加剂同时掺入时,UHP-ECC的自收缩值降至600μm/m以下,同时具有较对照组更加优异的力学性能与流动性。其次,通过UHP-ECC内部相对湿度、孔隙分布、水化程度的测定以及微观力学试验,探究不同减缩外加剂对UHP-ECC微观结构的影响,为UHP-ECC的性能调控提供了一定的理论依据。为了解决UHP-ECC的高成本问题,本研究将重点聚焦于PE纤维的成本上。通过引入廉价的、高强度的文石型微米级纤维-碳酸钙晶须(Ca CO whsiker,简称CW)部分替换配合比中的PE纤维。当体积分数一定时,CW的价格仅为PE纤维的1/100,利用CW替换PE纤维能够显著降低UHP-ECC的材料成本。试验结果表明,CW能够填补基体中的微观孔隙从而一定程度提高UHP-ECC的抗压强度;针棒状的CW在微观层面通过微裂缝的桥联、偏转以及晶须拔出等机制发挥增强增韧作用,能够与PE纤维组成多尺度纤维发挥对微裂缝的协同限制效应,从而改善UHP-ECC的应变硬化与多缝开裂行为。优劣解距离法的结果表明PE纤维与CW的多尺度纤维混杂能够有效地改善UHP-ECC的性能与成本经济性。最后,基于混杂纤维增强指数得到了多尺度纤维增强UHP-ECC拉伸性能的半经验预测方程。