超高性能水泥基复合材料微结构形成机理与动态力学行为研究

摘要

超高性能水泥基复合材料(Ultra-high performance cementitious composites，UHPCC)是一种以硅酸盐水泥和多种工业废渣为胶凝体系、以高强粗集料和钢纤维为增强项、采用常规制备技术所得抗压强度大于150MPa、同时具有良好流动性能、力学性能和耐久性能的低能耗生态型绿色环保建筑材料。该新型材料具备活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，RPC)超高力学性能、耐久性能之优点，同时克服了其材料造价高、能耗大、制备工艺复杂、不易于在实际工程中应用等不足，具有非常广阔的工程应用前景。本文对超高性能水泥基复合材料微结构形成机理、配合比设计理论、制备技术、准静态力学性能、动态力学性能、抗高速侵彻性能和抗爆炸性能进行了深入系统研究，获得以下创新成果:
　　 一、微结构形成过程及机理
　　 自主发明了新型超声波测量仪（专利号200910028456.8）和高温型无电极电阻率测量仪（专利号201120085277.0），新型仪器都克服了以往只能测量室温条件下水化反应过程之不足，可以分别实现对多种温度条件下水泥基材料早期水化过程超声波速和电阻率变化的自动监测，测量结果表明两种新型仪器都具有很高灵敏性、可靠性以及重现性。利用发明的仪器，结合高精度恒温量热仪，对超高性能水泥基复合材料早期水化过程进行了原位、持续、定量地跟踪监测，系统研究了水灰比、养护温度、矿物掺合料、集料、钢纤维等因素对于超高性能水泥基复合材料早期水化进程、微结构形成过程的影响规律，并深入剖析了整个水化过程中化学反应和物理变化。
　　 基于超声波、电阻率和水化热试验所提供关于超高性能水泥基复合材料早期水化、硬化过程多角度信息，建立了超高性能水泥基复合材料早期水化硬化、微结构形成机理模型。该模型将UHPCC早期水化硬化过程分为溶解期、诱导期、加速期、减速期和稳定期五个阶段，并详细描述了UHPCC自与水接触开始到硬化完成的整个时期内所发生的从微观、细观到宏观多尺度下的物理化学变化，以及各因素在每一阶段中对UHPCC的水化、微结构形成所造成的影响。该模型可以为指导超高性能水泥基材料配合比设计与及解释其优异物理力学和耐久性能的机理提供理论支持。
　　 二、配合比设计理论与制备技术
　　 利用本文建立的超高性能水泥基复合材料微结构形成机理模型，提出了超高性能水泥基复合材料配合比设计理论。首先，基于最大密实度理论与流变学原理，采用不同颗粒细度的活性二元和三元超细工业废渣复合技术，以最佳流动性能为判据、以最强力学性能为向标，制备出适合超高性能水泥基复合材料的多元复合胶凝体系，该体系能充分发挥不同废渣的潜能与互补效应，改善微集料-水泥凝胶、细集料-水泥基和高强粗集料-水泥砂浆整体多种尺度的界面区细观与微观结构，消除传统水泥基材料薄弱的过渡界面区，进而为粗细集料的掺加奠定了理论基础;其次，基于多元复合胶凝体系，利用密实骨架结构设计理论，研究集料粒径、级配对整体空隙率的影响，以实现集料最紧密堆积为原则，进行粗、细集料和级配的精确设计;最后，基于复合材料理论和纤维间距理论，优选与水泥基体间具有高粘结、高锚固作用的高强短细钢纤维，合理设计其长径比、体积掺量，做到钢纤维在基体空间中的均匀分布，充分发挥其增强、增韧之功效。超高性能水泥基复合材料配合比设计理论的提出，在理论上丰富、充实、完善与发展了无机胶凝材料学。
　　 三、工作性能与准静态学性能
　　 基于本文所提出的超高性能水泥基复合材料配合比设计理论，精心设计了掺加不同种类和不同粒径粗集料、不同掺量和不同外形钢纤维多种类型的超高性能水泥基复合材料;然后，利用混凝土流变测定仪定量研究了新拌UHPCC浆体的流变行为，发现新拌UHPCC浆体不泌水、不分层、不离析，具备良好流动性、粘聚性、均匀性和易密性;最后，利用MTS试验机对硬化后UHPCC试件的抗压、抗折、轴心抗拉等准静态力学性能进行了系统研究，并结合扫描电镜(SEM)微观测试技术，从多角度、多层面、系统性地揭示了粗集料与钢纤维增强项的作用机理和对超高性能水泥基复合材料准静态力学性能的影响规律。
　　 四、动态力学性能
　　 利用直径为75mm的霍普金森压杆(Split Hopkinson press bar，SHPB)对16个不同配合比超高性能水泥基复合材料进行了应变率在120s-1范围内的动态冲击压缩、冲击拉伸试验，系统研究了多应变率条件下不同种类和粒径的粗集料、不同掺量和外形的钢纤维对UHPCC单次冲击压缩、单次冲击拉伸、多次重复冲击压缩、多次重复冲击拉伸性能的影响规律性。此外，借助超声波技术对UHPCC多次重复冲击进行损伤评估，揭示了UHPCC材料抵抗重复冲击荷载的本质特征。结果表明:无论是冲击压缩试验还是冲击拉伸试验，UHPCC材料都表现出明显的“应变率效应”，但后者的效应现象更为明显;高强的玄武岩集料能在试件内部形成高强骨架，有利于UHPCC动态冲击压缩能力的提高，但对冲击拉伸能力微有降低;钢纤维掺量的提高能显著提高其抗单次、多次重复冲击的能力，维持试件的完整性。利用大型非线性有限元软件LS-DYNA对动态冲击压缩过程进行三维数值仿真，通过与真实试验结果反复对比调试，获得了能反映UHPCC材料在高应变率动态冲击条件下损伤破坏过程的模型参数，该参数模型将为高速侵彻、爆炸这种超高应变率条件下的试验数值仿真奠定基础。最后，利用新获得的模型参数，对UHPCC试件在高速冲击压缩这种瞬态过程中材料的受力、变形与破坏特征通过计算机进行了重现。
　　 五、抗侵彻与爆炸性能
　　 基于超高性能准静态与动态力学性能的研究结果，精心挑选了五个普通混凝土与超高性能水泥基复合材料配合比，应用量纲分析与相似理论设计并制作了20个大型靶体。利用新型高动能深侵彻缩比钻地弹对靶体进行了中速(505m/s)与高速(850m/s)的实弹侵彻试验，借助超高速数字摄影机（18000张/秒），观察并记录了弹体高速冲击UHPCC靶体的全过程。基于对侵彻规律的研究和试验数据，建立与靶体材料密切相关的弹体侵彻模型，该模型较准确地预测了弹体的侵彻深度。最后，应用非线性动力学分析程序LS-DYNA对侵彻过程进行数值仿真，重现了弹丸高速撞击UHPCC靶体这种微秒级瞬态过程中的受力特征;基于模拟结果，对弹靶结构响应、靶体的整体与局部效应和弹丸的动态响应进行了深入的分析，深层次地揭示了超高性能水泥基复合材料抵抗新型弹体侵彻性能的机理特征。
　　 利用TNT炸药，对五个配合比共15个靶体进行了野外抗爆炸、抗震塌试验，此外还对UHPCC靶体进行了二次重复爆炸试验，系统研究普通强度混凝土与超高性能水泥基复合材料的抗爆炸性能。试验结果表明，与普通混凝土相比较，超高性能纤维增强水泥基复合材料具备优越的抗爆炸能力;钢纤维的加入能明显减轻爆炸冲击对于靶体迎爆面和背爆面的破坏，防止靶体震塌破坏情况的出现。二次爆炸试验表明，UHPCC靶体在二次爆炸后能保持其完整性，裂而不散，具备优异的抗多次爆炸能力。最后，利用LS-DYNA软件、采用流固耦合算法对靶体接触爆炸过程进行了数值仿真，重现了靶体在爆炸这种微秒级瞬态过程中应力波传播、变形与破坏特征，基于模拟结果分析了爆炸冲击荷载对UHPCC靶体的毁伤效应及靶体的动态响应，揭示了超高性能水泥基复合材料抗爆炸性能的机理。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超高性能水泥基复合材料

1．2．1 发展历程

1．2．2 定义

1．3 超高性能水泥基复合材料研究动态

1．3．1 早期水化、硬化及徽结构形成过程机理

1．3．2 准静态力学性能

1．3．3 动态力学性能

1．3．4 抗侵彻性能

1．3．5 抗爆炸、震塌性能

1．3 存在问题

1．4 研究内容

第二章 超高性能水泥基复合材料早期微结构形成机理

2．1 引言

2．2 理论基础

2．2．1 硅酸盐水泥的水化反应

2．2．2 硅酸盐水泥的水化过程

2．2．3 硅酸盐水泥的微结构形成过程

2．3 超声波原位持续追踪超高性能水泥基复合材料凝结硬化过程

2．3．1 引言

2．3．2 高温超声波测试仪

2．3．3 试验研究

2．3．4 试验结果与分析

2．3．5 结论

2．4 动态监测结构形成过程的电阻率变化

2．4．1 引言

2．4．2 高温无电极电阻率测量仪

2．4．3 试验研究

2．4．4 试验结果与分析

2．4．5 结论

2．5 水化放热过程

2．5．1 引言

2．5．2 TAM恒温量热仪

2．5．3 试验研究

2．5．4 试验结果与分析

2．5．5 结论

2．6 超高性能水泥基复合材料早期微结构形成机理模型

2．7 本章小结

第三章 超高性能水泥基复合材料配合比设计理论、制备技术及准静态力学性能

3．1 引言

3．2 配合比设计理论

3．2．1 多元复合胶凝体系

3．2．2 增强项

3．3 原材料

3．4 配合比设计

3．5 制备技术

3．6 超高性能水泥基复合材料工作性能

3．6．1 试验方法

3．6．2 结果与分析

3．7 超高性能水泥基复合材料准静态力学性能

3．7．1 抗压强度

3．7．2 抗折强度

3．7．3 轴心抗拉强度

3．8 本章小结

第四章 超高性能水泥基复合材料动态冲击压缩性能研究

4．1 引言

4．2 SHPB实验技术

4．2．1 SHPB装置及原理

4．2．2 SHPB弥散效应研究

4．3 冲击压缩试验

4．3．1 单次冲击压缩试验方法

4．3．2 多次冲击压缩试验方法

4．3．3 试验有效性验证

4．4 试验结果与分析

4．4．1 粗集料对单次冲击压缩性能的影响

4．4．2 钢纤维对单次冲击压缩性能的影响

4．4．3 多次冲击压缩性能研究

4．5 SHPB实验数值模拟

4．5．1 LS-DYNA简介及其理论

4．5．2 HJC模型

4．5．3 试验模拟

4．6 本章小结

第五章 超高性能水泥基复合材料动态冲击拉伸性能研究

5．1 引言

5．2 冲击拉伸试验

5．2．1 试验原理

5．2．2 试验装置

5．2．3 试验方法

5．2．4 数据处理方法

5．3 试验结果与分析

5．3．1 粗集料对单次冲击拉伸性能的影响

5．3．2 钢纤维对单次冲击拉伸性能的影响

5．3．3 多次冲击拉伸性能研究

5．3．4 冲击拉伸应变率效应

5．4 本章小结

第六章 超高性能水泥基复合材料抗实弹彻侵性能研究

6．1 前言

6．2 试验原理

6．2．1 弹体侵彻深度影响因素

6．2．2 量纲分析及相似理论

6．3 试验

6．3．1 配合比设计

6．3．2 靶体设计

6．3．3 靶体制作

6．3．4 试验装置

6．3．5 实验过程

6．4 试验结果及分析

6．4．1 靶体硅坏过程

6．4．2 侵彻试验结果

6．4．3 结果分析

6．5 弹丸侵彻模型

6．5．1 模型的建立

6．5．2 模型的验证

6．6 弹丸侵彻数值模拟

6．6．1 模拟方案

6．6．2 模拟结果及分析

6．7 本章小结

第七章 超高性能水泥基复合材料抗爆炸性能研究

7．1 前言

7．2 试验

7．2．1 试验设计

7．2．2 试验过程

7．3 试验结果及分析

7．3．1 爆炸试验结果

7．3．2 靶体压缩系数

7．3．3 迎爆面破坏情况

7．3．4 背爆面破坏情况

7．4 超高性能水泥基复合材料二次爆炸试验

7．5 爆炸试验数值模拟

7．5．1 模拟方案

7．5．2 模拟结果及分析

7．6 本章小结

第八章 全文结论与研究展望

8．1 总结

8．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢