活性粉末混凝土高温爆裂及高温后力学性能研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:rockegg2009
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活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)具有超高的强度、高韧性、高耐久性和良好的体积稳定性,在石油、核电、市政、海洋、机械、航空、军事设施等工程领域具有广阔的应用前景。目前,RPC已成为国际工程材料领域的研究热点,但对其研究多集中于配制技术与常温力学性能方面,对其高温抗火性能的研究较少。本文在高强混凝土高温性能研究基础上,对RPC高温爆裂性能、纤维对爆裂抑制效果、高温后不同纤维种类和掺量的RPC力学性能及高温后RPC微观结构的变化进行试验研究,主要开展了以下几方面工作:(1)为摸清RPC的高温爆裂规律,试验研究了含水率、升温速度和试件尺寸对RPC爆裂性能的影响,对比分析了钢纤维、聚丙烯纤维和混杂纤维对RPC高温爆裂的抑制效果,基于试验结果,对RPC高温爆裂机理和爆裂抑制措施进行了探讨。试验结果表明:相对于升温速度和试件尺寸而言,含水率对RPC高温爆裂的影响最大,RPC爆裂临界含水率为0.80%~0.85%;单掺钢纤维体积率为2%或单掺聚丙烯纤维体积率为0.3%可有效防止RPC发生爆裂,钢纤维与聚丙烯纤维混掺对RPC爆裂的抑制效果更为显著;RPC高温爆裂机理可归因于蒸汽压、热应力和随机性裂纹三方面的耦合作用。(2)通过高温试验研究了RPC试件外观和质量损失随温度的变化情况。随经历温度的升高,钢纤维RPC、聚丙烯纤维RPC和混杂纤维RPC试件外观特征和质量损失具有相同的变化规律:试件表面颜色由青灰色→棕褐色→黑褐色→黄白色逐渐发生变化,600℃后出现明显可见长宽裂纹,且出现不同程度掉皮、缺角和疏松现象,800℃后出现大量网状长宽裂纹,掉皮疏松严重,钢纤维轻折即断,混凝土烧结;质量损失随加热温度的升高逐渐增大,200~400℃范围内质量损失最为严重,各对应温度下,聚丙烯纤维体积掺量大的RPC质量损失也相应较大。(3)对经历高温试验后的钢纤维RPC、聚丙烯纤维RPC和混杂纤维RPC进行强度试验,得到了高温后三种RPC对应的立方体抗压强度、抗折强度和轴心抗拉强度,考察了温度、纤维种类和纤维掺量对RPC各项强度的影响。试验结果表明:钢纤维的掺入可有效提高高温后RPC力学强度,聚丙烯纤维对RPC强度有削弱作用,相同高温作用后,RPC各项强度(抗压、抗折、抗拉)随钢纤维掺量的增加而增大,随聚丙烯纤维掺量的增加而减小;随经历温度的升高,高温后单掺钢纤维RPC与单掺聚丙烯纤维RPC的各项力学强度先增大后减小,混杂纤维RPC抗压强度先增大后减小,抗折和抗拉强度则基本呈线性规律降低;通过回归分析,拟合给出了不同纤维RPC各项强度随温度变化的计算公式,理论曲线与试验数据吻合较好。(4)为研究高温后钢纤维RPC与混杂纤维RPC单轴受压应力-应变关系,采用普通液压试验机附加刚性元件的方法对165个70.7mm×70.7mm×228mm的RPC试件进行单轴受压试验。实测了不同高温后钢纤维RPC与混杂纤维RPC的应力-应变关系曲线,分析了纤维掺量和经历温度对RPC轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变和极限应变等力学指标的影响。试验结果表明:随经历温度的升高,钢纤维RPC与混杂纤维RPC应力-应变曲线渐趋扁平,峰值点明显右移和下移,轴心抗压强度和弹性模量先增大后减小,峰值应变和极限应变分别于600℃和700℃达到峰值,峰值点前二者增长迅速,峰值点后,二者基本呈线性规律降低,采用多项式回归方式,建立了轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变和极限应变随经历温度的变化公式;相同高温作用后,RPC应力-应变曲线下的面积随钢纤维掺量增加而增大,说明钢纤维掺量大的RPC延性和韧性较好,300℃前,聚丙烯纤维掺量对应力-应变曲线的影响较小,300℃后,随聚丙烯纤维掺量的增加,应力-应变曲线下的面积逐渐增大;采用五次多项式和有理分式对钢纤维RPC与混杂纤维RPC应力-应变曲线的上升段和下降段进行拟合,并通过计算模拟确定了方程参数值,由方程确定的理论曲线与试验数据吻合较好。(5)利用SEM扫描电镜分析,研究了经历不同高温后的RPC微观结构变化和物相组成。结果表明:经历温度低于400℃时,水泥水化反应和火山灰反应互相促进,增加了C-S-H凝胶的含量,消耗了对强度有不利影响的Ca(OH)2,RPC的微观结构得到改善;经历400~800℃高温后,随经历温度的升高,C-S-H凝胶由连续块状形态变为尺寸较小的分散相,钢纤维与基体粘结界面处的裂纹逐渐形成并扩展,聚丙烯纤维融化后的孔道加剧了RPC的内部缺陷,RPC微观结构不断恶化。RPC微观结构的变化是其宏观力学性能发生改变的根本原因。本文对RPC高温爆裂性能、高温后RPC力学性能和RPC微观结构进行了系统研究,取得了阶段性的研究成果,丰富了RPC高温抗火性能方面的研究内容,为RPC构件、结构的抗火性能研究及理论分析提供了基础,对RPC的推广应用有重要意义。
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