超高性能混凝土的级配效应研究

论文摘要

超高性能混凝土（UHPC）由于具有超高强度和优异的耐久性,已成为水泥基复合材料发展的重要方向。但是,混凝土作为脆性材料,其抗拉性能低仍是工程中一个难题。如何进一步提高超高性能混凝土的抗压强度和抗拉强度,并增强其韧性,一直是混凝土研究工作者的目标。为此,本文针对超高性能混凝土材料中水泥粒径区以下矿物微粉与水泥的颗粒级配进行了研究。在CPM密实度模型指导下,研究了矿物微粉的级配对低水胶比水泥基复合胶凝材料浆体中的密实填充效应,探讨了微粉颗粒的级配效应对水泥浆体流变性能和硬化性能的影响。同时,针对超高性能混凝土抗拉性能低这一特点,在满足成型工艺的前提下,在其中掺入不同的纤维,并改变几种纤维之间的比例,通过对其劈裂抗拉强度和轴心抗拉强度等性能的研究,考察了纤维的级配效应。通过对上述超高性能混凝土水泥基复合胶凝材料矿物微粉的级配效应和钢纤维的级配效应进行系统的试验研究和分析,取得了如下主要成果:（1）论述了可压缩堆积模型的理论基础和基本假设,并对其中几个关键公式进行了详细的数学推导,同时对模型应用于粉体颗粒堆积密实度计算中的两个关键问题进行了讨论:1)从数学上证明了求解密实度Φ时必须取非线性方程的最小解,并通过科学计算软件MATLAB予以实现;2)明确了计算多相多粒级粒径分布曲线混合颗粒体系堆积密实度的计算方法、参数设定和反算程序。（2）分析了纤维的增强机理,以及纤维的协同作用,并对纤维的协同作用进行了推导。结果表明:在满足试件成型工艺条件下,纤维协同作用主要体现在两个方面:一是提高了基体的初裂抗拉强度和初裂抗拉应变,二是显著改善了纤维与混凝土基体的界面质量,使混凝土开裂后的极限拉应力提高。（3）颗粒级配与新拌浆体的流变特性和经时变化有着密切联系。颗粒级配越好,新拌浆体的屈服剪应力和塑性粘度越小,浆体经时损失也减小。（4）水胶比越小,水泥浆体的屈服剪应力和塑性粘度增长越快。但改善体系的颗粒级配有利于缓解低水胶比对其经时变化的影响,使水泥浆体流变参数经时变化不明显。（5）在低水胶比下,水泥-矿物微粉颗粒级配与其硬化浆体的抗压强度有着密切的关系。级配越好,固体颗粒体系的堆积密实度越高,颗粒堆积结构更紧密,浆体的抗压强度也就越高。当水胶比较大时,颗粒之间不再紧密接触,矿物微粉的密实填充效应不再是影响浆体抗压强度的主要因素。因此,矿物微粉只有在低水胶比的情况下才能充分发挥其密实填充效应。（6）双掺超细粉煤灰与硅灰颗粒体系比单掺超细粉煤灰时堆积结构更为紧密,级配更好,在非常低的水胶比下,堆积结构更为紧密的浆体受微粉密实填充效应的影响更为显著,对浆体抗压强度的提高作用显著。（7）颗粒级配与水泥硬化浆体的收缩率有着一定的关系。当矿物微粉粒径大小在一定范围内时,硬化浆体的干缩率与固体颗粒体系的堆积密实度存在一定的相关性。随着固体颗粒体系堆积密实度的提高,级配越好,硬化浆体的干缩率有不同程度的减小。但当颗粒粒径太小时,掺入水泥浆体后会大量消耗自由水量,反而会增加硬化浆体的干缩率。（8）在满足试件成型的条件下,确定微、短、长三种纤维的最大掺量分别为6.5%、6.0%和7.0%。不同种类纤维同时掺入时存在纤维级配效应,纤维两两相掺的最大掺量要高于纤维单掺时的最大掺量。如微纤维和短纤维同时掺入时的最大掺量达到了8.5%,短纤维与长纤维同时掺入时的最大纤维掺量达到了7.7%,微纤维与长纤维同时掺入时纤维的最大掺量达到了8.0%,均高于三种纤维单掺时的最大掺量。（9）通过对钢纤维两两相掺的UHPC进行力学性能试验,其劈裂抗拉强度试验结果表明,其钢纤维的最佳配比为:短纤维:长纤维=2:1;微纤维:短纤维=1:2;微纤维:长纤维=2:1;其轴心抗拉强度试验结果表明,其钢纤维的最佳配比为:短纤维:长纤维=1:1;微纤维:短纤维=1:1;微纤维:长纤维=1:1。（10）微纤维和短纤维、短纤维和长纤维两两相掺时存在纤维的级配效应,微纤维和长纤维两两相掺时纤维的级配效应不明显。在纤维总掺量固定的情况下,通过纤维之间较好的级配,两两相掺比单掺更能提高UHPC的抗拉强度。同时,通过对纤维两两相掺时UHPC的初裂抗拉强度进行理论计算,并将理论值与测量值进行比较,可知理论值与测量值基本吻合,由此进一步验证了纤维协同作用假设的正确性。（11）通过对分别掺入3%的三种纤维的轴心抗拉应力—应变全曲线的分析和比较得出,无论掺入哪一种纤维,对UHPC极限抗拉强度都有提高,而短纤维对UHPC轴心抗拉强度的提高效果最为明显,微纤维对UHPC的极限抗拉强度有提高,但对UHPC的抗拉延性几乎没有帮助。（12）通过对同时掺入两种纤维的UHPC轴心抗拉应力―应变全曲线的分析,在一定配比下,其轴心抗拉强度提高最大,同时能实现UHPC的多缝开裂,并成功地观察到了掺入纤维的UHPC的假性应变硬化现象。同时,通过与未掺纤维的UHPC的应力―应变全曲线进行比较,说明纤维在UHPC开裂过程中,不仅能大大提高UHPC的轴心抗拉强度,还能显著提高UHPC的抗拉延性,从而进一步验证了纤维两两相掺时的级配效应。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 超高性能混凝土的研究现状
• 1.2.1 配制超高性能混凝土的理论基础
• 1.2.2 已开发的超高性能混凝土
• 1.2.3 RPC—活性粉末混凝土的应用前景
• 1.3 常用矿物细掺料
• 1.4 常用钢纤维
• 1.5 近期国内外研究成果
• 1.5.1 水泥基材料中的级配效应研究
• 1.5.2 钢纤维混凝土抗拉性能研究
• 1.6 本文研究的目的和内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究的内容
• 第2章 可压缩堆积密实度模型及纤维增强机理的理论推导
• 2.1 可压缩堆积密实度模型
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 CPM 模型
• 2.1.3 Ф值最小解问题
• 2.1.4 多相混合体系转化为一个多粒级颗粒体系的计算
• 2.1.5 CPM 模型中各参数的设定和试验方法
• 2.1.6 CPM 模型的计算程序实现
• 2.2 超高性能混凝土纤维增强机理的理论分析
• 2.2.1 纤维混凝土的纤维增强机理综述
• 2.2.2 纤维协同作用假设
• 2.3 本章小结
• 第3章 试验设计
• 3.1 超高性能混凝土的颗粒级配效应研究试验设计
• 3.1.1 原材料及性能
• 3.1.2 新拌浆体的流变性能研究试验设计
• 3.1.3 硬化浆体的性能研究试验设计
• 3.2 超高性能混凝土的纤维级配效应研究试验设计
• 3.2.1 试验原材料及仪器
• 3.2.2 级配纤维超高性能混凝土的搅拌工艺
• 3.2.3 级配纤维超高性能混凝土的工作性试验
• 3.2.4 级配纤维超高性能混凝土试件制作
• 3.2.5 级配纤维超高性能混凝土力学性能试验
• 3.3 本章小结
• 第4章 新拌浆体的流变性能研究
• 4.1 矿物微粉的级配效应对新拌浆体流变性能的影响
• 4.1.1 矿物微粉的掺量对颗粒体系堆积密实度的影响
• 4.1.2 矿物微粉的掺量及细度对新拌浆体流变参数的影响
• 4.1.3 水胶比对浆体流变参数的影响
• 4.2 矿物微粉的级配效应对新拌浆体经时流变性能的影响
• 4.2.1 矿物微粉的掺量对新拌浆体经时变化的影响
• 4.2.2 水胶比对新拌浆体经时变化的影响
• 4.3 小结
• 第5章 硬化浆体的性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 矿物微粉的级配效应对抗压强度的影响
• 5.2.1 矿物微粉的掺量对硬化浆体抗压强度的影响
• 5.2.2 矿物微粉的细度对抗压强度的影响
• 5.2.3 水胶比对抗压强度的影响
• 5.3 矿物微粉的级配效应对干缩率的影响
• 5.3.1 矿物微粉的掺量对干缩率的影响
• 5.3.2 水胶比对干缩率的影响
• 5.4 小结
• 第6章 级配纤维超高性能混凝土的性能研究
• 6.1 工作性能试验结果及分析
• 6.1.1 单一纤维掺量对UHPC 的工作性能的影响
• 6.1.2 纤维两两相掺对UHPC 工作性能的影响
• 6.2 抗拉性能试验结果及分析
• 6.2.1 级配纤维超高性能混凝土的劈裂抗拉强度分析
• 6.2.2 级配纤维超高性能混凝土的轴心极限抗拉强度分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 级配纤维超高性能混凝土的轴心抗拉应力 ——应变全曲线
• 7.1 混凝土的应力―应变全曲线模拟
• 7.1.1 不同混凝土的应力—应变全曲线模拟
• 7.1.2 纤维超高性能混凝土的假性应变硬化现象
• 7.2 UHPC 应力—应变全曲线分析
• 7.2.1 未掺纤维的UHPC 的应力—应变全曲线分析
• 7.2.2 只掺入一种纤维的UHPC 的应力—应变全曲线分析
• 7.2.3 纤维两两相掺的应力―应变全曲线分析
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录