关键词:
超高性能水泥基复合材料
流变行为
水膜层厚度
自收缩
拉伸行为
本构模型
混凝土
摘要:
超高性能水泥基复合材料具有比强度高,负荷能力大,节省资源和能源、耐久性优异的特点,能满足土木工程轻量化、高层化、大跨化和高耐久化的要求,是混凝土科技发展的主要方向之一。超高性能水泥基复合材料在制备、性能和应用等方面已取得了大量、丰硕的研究成果。然而,从目前的应用情况来看,超高性能水泥基复合材料基本上用于预制构件,生产过程中通常需要湿热养护,甚至热压养护,而大型结构工程的应用实例还很少,更谈不上泵送施工。因此,要实现超高性能水泥基复合材料在工程结构混凝土中的大面积推广应用,依然在制备技术、设计参数等方面存在诸多关键问题亟待解决。为此,本论文以推动和实现超高性能水泥基复合材料在工程结构混凝土中的大面积推广应用为最终目标,试图揭示低水胶比水泥基复合材料的流变行为与作用机理、变形特性与抑制机制、强度发展与形成机制,为超高性能水泥基复合材料的科学制备提供理论依据;努力建立超高性能水泥基复合材料制备的关键技术,制备出满足不同结构工程需求的系列超高性能水泥基复合材料;并揭示超高性能水泥基复合材料静、动态拉伸力学行为,建立含纤维特征参数的静态拉伸本构模型,揭示高速冲击拉伸作用的超高性能水泥基复合材料破坏特征与损伤规律,为超高性能水泥基复合材料在民用、国防等结构工程的应用提供设计依据。\n 依据两相理论推导出基于富余浆体厚度和砂浆流变性能的混凝土流变模型,揭示了浆体水膜层厚度减小是导致低水胶比水泥基复合材料粘度增大的根本原因。建立了适用于低水胶比砂浆/浆体的流变性能测试与表征方法,明晰了外加剂和掺合料对低水胶比砂浆/浆体流变行为的影响规律,并从外加剂吸附、颗粒水膜层厚度等方面揭示了外加剂和掺合料对低水胶比砂浆/浆体流变行为的影响机理,提出可从调控颗粒级配实现水膜层厚度最大化来降低低水胶比浆体的粘度。\n 自行设计了塑性开裂模具和开发了一套风速控制系统,解决了塑性开裂所需风源不稳定的问题,提高了试验结果的准确性和可重复性。明晰了矿物掺合料种类和掺量、水胶比、功能性外加剂等对低水胶比砂浆塑性开裂、长期收缩变形和水化温升等的影响规律,揭示出自收缩在低水胶比水泥基复合材料收缩中占很大比重,硅灰是引起低水胶比水泥基复合材料自收缩大的很重要原因,只有内部减缩或补偿收缩才能根本上解决其自收缩大的问题。这为提出低水胶比水泥基复合材料变形与开裂抑制的措施,进而提高超高性能水泥复合材料的体积稳定性提供理论依据。\n 研究了矿物掺合料、粗集料和纤维对低水胶比水泥基复合材料强度发展的影响规律和作用机理,结果表明:尽管低水胶比水泥基复合材料中胶凝材料的水化程度较低,但由于矿物掺合料的填充效应,优化了浆体的颗粒级配实现了浆体的密实堆积,减少了基体中的缺陷,使得超高性能水泥基复合材料能够在低水胶比下表现出更为优异的力学性能;低水胶比浆体中引入合适、适量的粗、细集料不仅不会对强度带来负面影响,而且还会由于集料与基体之间具有很好的界面粘结和界面薄弱区的消失,水泥基复合材料的强度得到一定程度的提高;微细高强钢纤维可以明显提高低水胶比水泥基复合材料的抗压强度,这得益于微细钢纤维与基体之间很强的界面粘结、微细钢纤维在基体中良好的分散与分布,以及微细钢纤维在基体中微小的纤维间距。\n 在前面三章研究的基础上,设计并开发出超高性能专用掺合料和端勾型微细钢纤维,提出了涵盖流变性能调控、减缩降温、力学性能提升的超高性能水泥基复合材料制备关键技术,建立了超高性能水泥基复合材料组成设计方法,制备出生态型活性粉末混凝土、可泵送的超高性能水泥基复合材料和超高性能水泥基抗爆炸材料等系列化的超高性能水泥基复合材料。\n 建立了适用于超高性能水泥基复合材料的静态直接拉伸试验方法,克服了试件轴向偏心和端部应力集中的技术难题;建立了基于声发射信号的混凝土初裂点判定方法,实现了对超高性能水泥基复合材料初裂点的准确捕捉。研究并揭示了纤维种类、纤维掺量和集料体积分数对超高性能水泥基复合材料静态直接拉伸应力-应变曲线等力学行为的影响规律,建立了适用于圆直形钢纤维的单根纤维拔出理论模型和推导出端钩异型钢纤维在不同拔出位移条件下的拔出力。基于单根纤维拔出荷载-位移关系模型,考虑了纤维尺寸、形状、分布对桥联作用的影响,建立了含纤维特征参数的超高性能水泥基复合材料拉伸本构模型,实现了钢纤维增强超高性能水泥基复合材料的拉伸应力-裂缝张口位移曲线、初裂强度、极限强度以及断裂能等参数的预测,经验证拉伸本构模型所预测的应力-应变曲线与实测曲线吻合性较好。\n 采用分离式Hopkinson压杆装置,对所制备的超高性能水泥基复合材料进行单次和多次高速冲击作用下层裂试验,明晰了超高性能水泥基复合材料在高速冲击作用下的应力波传播规律,揭示出单次冲击作用下纤维种类、纤维掺量和集料体积率对超高性能水泥基复合材