粗骨料和内养护剂对超高性能应变硬化水泥基复合材料拉伸行为的影响

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近年来,应变硬化水泥基复合材料(Strain hardening cement-based composites,SHCC)因其具有良好的拉伸应变行为和裂缝控制能力,得到广泛的研究和推广。目前关于骨料粒径对SHCC拉伸行为的研究仅局限于在细骨料范围内,粗骨料的掺加对拉伸行为的影响尚不明确。此外根据SHCC设计原理,通过调整SHCC基体性能来提高SHCC拉伸行为的研究尚有不足。因此本文采用根据超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)制备理论,同时吸取SHCC设计原理所提出的超高性能应变硬化水泥基复合材料(Ultra-high performance strain-hardening cement-based composites,UHP-SHCC)作为研究对象,主要研究粗骨料及两种内养护剂(超高吸水性树脂,Super absorbent polymer,SAP、多孔二氧化硅,Porous silicon dioxide,PSD)对UHP-SHCC拉伸行为的影响。所得结论主要有:(1)逐步增大最大骨料粒径,聚乙烯(Polyethylene,PE)纤维UHP-SHCC的抗拉强度、极限拉应变和能量耗散能力逐渐降低。相比28 d时未掺加粗骨料UHP-SHCC的抗拉强度(9.60 MPa)、极限拉应变(5.64%)和能量耗散能力(552.6kJ/m3);掺加最大粒径为6.00 mm、8.00 mm、9.75 mm的粗骨料时,UHP-SHCC的抗拉强度分别为8.88 MPa、8.17 MPa、6.92 MPa,极限拉应变则分别为5.29%、5.18%、4.57%,能量耗散能力分别为499.4 kJ/m3、444.0 kJ/m3、351.2 kJ/m3。这主要是由于粗骨料粒径的增加,不利于PE纤维的均匀分散,进而影响了纤维桥接作用的发挥,降低了PE纤维UHP-SHCC的抗拉强度和拉伸应变能力。(2)采用粗骨料代替部分细骨料,逐步增大最大骨料粒径,钢纤维UHP-SHCC极限拉应变和能量耗散能力表现为先升高后降低的趋势。未掺加粗骨料的钢纤维UHP-SHCC在7 d龄期时的极限拉应变为0.31%,能量耗散能力为30.3 kJ/m3;掺加最大粒径为6.00 mm、8.00 mm、9.75 mm的粗骨料时,钢纤维UHP-SHCC的极限拉应变分别为0.62%、0.44%、0.41%,能量耗散能力对应为63.5 kJ/m3、40.1 kJ/m3、33.6 kJ/m3。这可能是由于粗骨料的掺加会在钢纤维UHP-SHCC基体内引入缺陷,从而降低钢纤维UHP-SHCC的基体强度,不过,适当粒径(4.75 mm-6.00 mm)粗骨料的掺加有利于钢纤维的均匀分散,使得钢纤维的桥接作用得到高效发挥。(3)掺加两种内养护剂(SAP、PSD),均可以改善PE纤维UHP-SHCC的拉伸行为。相比不掺加内养护剂的PE纤维UHP-SHCC(极限拉伸应变为4.90%,能量耗散能力为552.6 kJ/m3),SAP掺量为总胶凝材料含量0.2%、0.4%的PE纤维UHP-SHCC极限拉伸应变分别为5.72%、5.70%,对应能量耗散能力为494.9kJ/m3、481.4 kJ/m3;而采用PSD分别替代胶凝材料中硅灰掺量15%、30%的PE纤维UHP-SHCC极限拉伸应变分别为7.11%、7.75%,对应能量耗散能力为702.4kJ/m3、690.9 kJ/m3。这是由于两种内养护剂均可以在养护阶段释放水分,提高胶凝材料的水化程度,从而提高PE纤维与UHP-SHCC基体之间的粘结强度,然而需要注意的是,内养护剂由于自身存在孔隙可能在基体内留下孔洞,导致PE纤维UHP-SHCC的基体性能产生劣化,抗压强度呈现不同程度的降低,但拉伸变形能力得到显著改善。
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