纤维素纤维混凝土耐久性、高温抗爆裂及徐变特性

摘要

纤维素纤维是继化学合成纤维之后发展起来的第三代混凝土工程专用植物纤维，原料取自于高寒地区的某种特殊植物，有非常高的强度/质量比，亲水性好在混凝土拌合物中易分散。纤维素纤维混凝土（Cellulose fiber reinforced concrete，简称CFRC）具有抗裂性好、耐久性优异的特性。然而，要推广CFRC在工程中的应用，需要对其性能开展系统研究。本文针对隧道衬砌结构的服役环境，通过原材料优选、配合比设计及成型工艺的优化，制备了满足隧道衬砌结构承载力要求和耐久性能要求的CFRC，对CFRC在弯拉荷载与环境因素共同作用下的耐久性、抗高温爆裂和受压徐变性能进行了试验研究。
　　首先，探索了纤维素纤维作为混凝土内养护纤维与混凝土耐久性提升措施的可行性与可靠性。采用激光共聚焦显微镜与SEM研究了纤维素纤维的空腔结构，测试了纤维片的饱和吸水率、纤维素纤维单丝的力学性能（主要包括拉伸强度和初始弹性模量）、纤维素纤维的吸水特性对水化进程的影响，定量评价了纤维在基体中的分散程度，并观测了纤维在硬化浆体中的形貌。结果表明，纤维素纤维具有独特的空腔结构和良好的吸水性，可以在混凝土中均匀分散，纤维空腔所吸收的自由水对混凝土的水化进程不产生影响，可以作为混凝土的内养护纤维。
　　采用应力水平为40％的弯拉荷载与单一环境因素共同作用，研究了CFRC的抗氯离子渗透性、抗冻性、抗碳化和抗硫酸盐侵蚀等关键耐久性能。结果表明:弯拉荷载与单一环境因素共同作用下CFRC的耐久性均优于未加荷载同环境因素作用下的基准素混凝土的耐久性。而荷载作用在试件内部引入了微结构损伤，使得荷载作用下的耐久性相比于未加荷载的耐久性指标均有不同程度的削弱，冻融循环300次后相对动弹性模量下降了8.4％;电通量增加了17％;3d、7d、14d和28d时的碳化深度分别增加了0.2mm、0.7mm、0.6mm和1.3mm。
　　其次，研究了CFRC在300℃、600℃、800℃和1050℃下分别恒温2.5h、4h和5.5h后的高温抗爆裂性能，并通过SEM、MIP、热分析和XRD物相分析等微观测试技术分析了高温作用后混凝土的微观结构劣化规律与宏观性能衰减的对应关系及高温抗爆裂机理。结果表明:纤维素纤维可以显著提高CFRC的高温抗爆裂性能。300℃时温度接近纤维熔点，纤维已经出现软化体积减小，使基体孔隙率增加，此时恒温时间对CFRC的力学性能影响最显著，恒温时间越久，纤维软化留下的孔隙体积越大，混凝土力学性下降越显著。此时，基准素混凝土的力学性能损失率为2.3％～33.7％，纤维素纤维混凝土的力学性能损失率为3.0％～29.2％。温度超过800℃后，恒温时间的影响不再明显。微观测试结果表明:随着温度的升高，混凝土中水化产物不断脱水分解，基体由致密粘结逐渐分散变得疏松，骨料与基体界面出现裂缝，逐渐发展，最后贯穿。这个过程在宏观上表现为物理力学性能的不断损失，直至丧失承载能力。温度达到纤维素纤维熔点后，纤维熔化，在基体中留下很多孔道，虽然在一定程度上降低了混凝土试件的强度，但减轻了CFRC内部的蒸汽压力，提高混凝土的高温抗爆裂性能。
　　最后，研究了纤维素纤维掺量为0、0.9kg/m3、1.1kg/m3、1.3kg/m3的混凝土在40％应力水平下的受压徐变，并对CEB-FIP(2010)的徐变模型进行修正，引入纤维的影响变量，对四个系列混凝土的长期徐变变形性能进行了预测。试验与预测结果表明:纤维素纤维可以减小混凝土的受压徐变变形，用于徐变试验的试件养护龄期越长，纤维越能有效减小混凝土的徐变变形。纤维对混凝土徐变性能的影响主要受纤维在混凝土中的分散、纤维与基体之间的界面层缺陷和纤维释放内部水分促进周围基体水化的内养护效用共同影响，与纤维掺量和养护龄期密切相关。通过引入纤维影响参量对CEB-FIP(2010)的徐变模型进行修正，采用修正后的模型对纤维素纤维混凝土长龄期的徐变应变进行了预测。
　　本文创新点在于:提出了纤维素纤维在混凝土中的分散程度定量测试与评价技术、揭示了纤维素纤维作为混凝土内养护纤维的可行性，探明了CFRC在弯拉荷载与环境因素共同作用下的耐久性以及高温抗爆裂性能与受压徐变性能，建立了纤维素纤维混凝土受压徐变模型。试验与理论研究结果可以为纤维素纤维混凝土在复杂服役环境下的工程应用提供技术支撑。

目录

声明

摘要

术语与符号

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状及存在的问题

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 存在的主要问题

1．3 本文主要研究内容

第二章 原材料性能及试验方法

2．1 试验原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 粉煤灰

2．1．3 细集料

2．1．4 粗集料

2．1．5 水

2．1．6 减水剂

2．1．7 纤维素纤维

2．2 配合比设计

2．2．1 水胶比

2．2．2 单位用水量和胶凝材料用量

2．2．3 砂率

2．2．4 纤维掺量

2．2．5 混凝土配合比

2．3 成型工艺与养护制度

2．4 试验方法

2．4．1 纤维单丝力学性能试验

2．4．2 纤维分散程度试验

2．4．3 力学性能试验

2．4．4 水化热试验

2．4．5 耐久性试验

2．4．6 高温抗爆裂试验

2．4．7 徐变试验

2．4．8 微观试验

第三章 纤维素纤维的力学与内养护性能

3．1 纤维素纤维单丝拉伸力学性能

3．2 纤维截面形貌

3．3 纤维吸水率

3．4 水化热

3．5 纤维在基体中的分散

3．6 纤维在硬化基体中的微观形貌

3．7 本章小结

第四章 弯曲荷载作用下纤维素纤维混凝土的耐久性

4．1 基本力学性能

4．2 预加载后混凝土试件的损伤程度

4．3 抗氯离子渗透性

4．4 抗冻性

4．5 抗碳化

4．6 抗硫酸盐侵蚀

4．7 本章小结

第五章 纤维素纤维混凝土高温抗爆裂性能

5．1 外观特征

5．2 物理性能

5．3 力学性能

5．4 机理分析

5．4．1 混凝土高温爆裂机理概述

5．4．2 微观形貌

5．4．3 孔结构

5．4．4 热分析(DSC-TG)

5．4．4 物相组成

5．5 本章小结

第六章 纤维素纤维混凝土的徐变

6．1 混凝土徐变机理概述

6．2 混凝土徐变性能

6．2．1 徐变度

6．2．2 徐变系数

6．2．3 纤维素纤维混凝土徐变机理分析

6．3 长期徐变性能预测

6．4 本章小结

附录

第七章 结论、创新点与展望

7．1 结论

7．1．1 纤维素纤维的性能

7．1．2 荷载与环境因素共同作用下的耐久性

7．1．3 纤维素纤维混凝土高温抗爆裂性能

7．1．4 纤维素纤维混凝土的徐变

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的成果和奖励