超高性能混凝土(UHPC)是一种非常密实、高强高韧,良好耐久的新型水泥基材料,在工程实践中具有广泛的应用前景。其制备过程中,通常掺入强度较高的钢纤维。钢纤维可以显著提高超高性能混凝土的强度和韧性,并减小结构尺寸,使得其结构更轻巧美观。但是,由于钢纤维成本高,掺量过多将显著提高UHPC造价。此外,纤维的掺入将引入新的纤维-基体界面过渡区,此界面区具有水灰比和孔隙率比基体高、氢氧化钙(CH)定向排列等特点,被称之为复合材料的薄弱层。当外界荷载作用于混凝土时,纤维一开始并不直接承受荷载作用,荷载通过纤维-基体界面区传递给纤维,利用纤维和基体的界面性能共同承受荷载。因此,纤维-基体界面粘结性能的质量对应力的传递及整个混凝土系统的增强、增韧和阻裂作用至关重要。对纤维-基体的界面性能优化主要包括三方面:掺辅助性胶凝材料或高温养护密实基体;掺异形纤维提高力学锚固;采用冷离子或对纤维表面打磨处理以增强纤维-基体摩擦力或附着力。其中,对基体的密实是最基本最首要的改善措施。本文旨在对纤维-基体界面粘结性能、基体与纤维-基体界面微观结构以及UHPC力学性能进行多尺度研究,并建立相互之间的关系,以获得密实、高强高韧的高性能且低成本的UHPC。研究内容主要包括以下四方面:1)研究不同品种和掺量的辅助性胶凝材料,包括硅灰、矿粉、粉煤灰和纳米材料对基体性能的影响。测试性能包括流动度、水化热、基体强度及纤维-基体粘结性能。2)采用先进微观测试技术,如TG、MIP、XRD、SEM和显微硬度等,对比并探讨基体及纤维-基体界面微观组成和结构变化。3)采用变形纤维改善纤维-界面粘结性,揭示不同纤维形状对粘结增强增韧作用及破坏机理。4)研究纤维形状和掺量对UHPC力学性能的影响,并根据相应研究成果,采用复合材料理论建立UHPC抗折强度与纤维-基体粘结强度之间的关系式。本文取得的主要成果如下:(1)通过研究掺不同品种与掺量的辅助性胶凝材料的UHPC基体在养护不.同龄期后的基体性能及纤维-基体界面粘结性能,探讨了不同因素对各性能的发展规律,并建立了粘结粘度或拉拔能随硅灰掺量和龄期变化的统计学模型。结果显示:常温养护28 d能获得相对稳定的基体力学性能和纤维-基体界面粘结性。硅灰加速了胶凝材料的水化,但存在一个最佳掺量(15%-25%)。在此范围内,流动度、基体力学性能和纤维-基体粘结性能最好。矿粉和粉煤灰的掺入延缓了胶凝材料的水化,且在一定程度上降低了早期基体强度以及纤维-基体粘结性能。但常温养护28d后,其性能得到明显改善。纳米CaCO3和纳米SiO2的掺入均会加速基体水化并提高基体的力学性能及纤维-基体粘结性能。但是,存在一个最佳掺量,纳米CaC03为1.6%-4.8%,纳米Si02为0.5%-1.5%。当超过这个掺量时,基体强度开始下降。对于纤维-基体粘结性能,纳米CaC03的增强作用明显比纳米Si02好,尤其是在养护28 d后。(2)采用TG、MIP、XRD、SEM和显微硬度等技术测试了不同基体试样养护不同龄期后的CH含量、孔结构、水化产物和界面区微观形貌等特征,分析探讨了微观结构与宏观性能之间的相互关系。研究结果表明:微观结构的变化证实了基体力学性能及纤维-基体界面粘结性能随矿物掺合料和龄期的变化规律。养护28 d后,掺15%-25%硅灰的UHPC基体中的CH含量和孔隙率非常低且基本稳定,分别约为2%和6.8%。当矿粉或粉煤灰与硅灰混掺时,尽管早期CH含量非常低,但水化产物粘结性较差。纳米材料的掺入进一步消耗了 CH,优化了 C-S-H的结构,XRD分析上表现为在28.2°左右出现一个较强烈的C-S-H峰值,使得基体显微硬度和纤维-基体粘结性能得到增强。(3)通过掺波纹和端钩两种异形纤维,研究了纤维-基体粘结性能,并与掺直纤维的结果进行对比,阐明了不同纤维形状对粘结增强作用及界面拉拔破坏机理。波纹纤维和端钩纤维显著改善了粘结性能,与直纤维相比,其28 d粘结强度分别提高3倍和7倍,拉拔能提高3倍和4倍。变形的纤维主要通过提供力学锚固并提高基体与纤维之间的摩擦力,以改善界面粘结性能。(4)通过掺不同形状和掺量的钢纤维,研究了 UHPC抗压和抗折性能的变化规律。根据纤维-基体粘结性能和UHPC力学性能试验结果,基于复合材料模型建立了 UHPC抗折强度与纤维-基体粘结强度的关系式,探讨了纤维对UHPC增强增韧机理。结果显示:纤维形状对抗折荷载-位移曲线的初始开裂点基本无影响,但是对峰值荷载点(极限抗折强度)影响显著。峰值荷载的大小具有以下规律:端钩纤维>波纹纤维>直纤维。此外,随纤维掺量的增加,UHPC的强度和韧性不断增大。与掺直纤维试样比,掺1%-3%的波纹和端钩纤维试样的抗折强度分别提高4%-10%和10%-27%。根据试验所测的纤维-基体粘结强度和基体的抗折强度,复合材料模型能有效地预测UHPC的抗折强度,且预测值与试验值比值介于0.8-1.2之间。此模型考虑了纤维掺量、纤维长度、纤维直径、纤维分布系数等参数,纤维分布系数确定为0.5。