纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料试验研究

摘要

超高韧性水泥基复合材料(Ultra High Toughness Cementitious Composites，简称UHTCC)是一种具有优异变形能力的乱向短纤维增韧水泥基材料，材料设计时为实现纤维与基体间良好的协同变形，提高材料变形控裂性能，粉煤灰作为胶凝材料被加入UHTCC中。相对水泥而言，粉煤灰反应活性较低、水化速度较慢，从而一定程度影响UHTCC材料早期强度及耐久性能。因此，本文在国家科技支撑计划(编号:2012BAJ13B04)和国家自然科学基金(编号:51378462)的资助下，通过掺加纳米SiO2得到具有高强、高韧及高耐久性的高性能水泥基材料，具体研究如下:
　　1、研究了纳米SiO2对UHTCC材料工作性能、干缩性能及导热性能的影响，试验结果发现通过调整减水剂用量可抵消纳米SiO2对UHTCC流动性影响，但干缩应变和隔热能力随着纳米SiO2掺量的增加先增大后减小。基于材料优异的隔热性能，本文计算得到了将UHTCC作为大坝永久性保温模板的最小厚度，为解决大坝混凝土开裂提供一种较为有效的设计方法。
　　2、研究了纳米SiO2对于UHTCC材料水化产物、微观形态、孔隙结构的影响，试验结果发现随着纳米SiO2掺量的逐渐增加，粉煤灰水化程度不断提高，Ca(OH)2含量显著降低，而材料平均孔径从22.6nm降低到13.8nm。
　　3、研究了纳米SiO2改性UHTCC材料的耐久性能，试验结果发现随着纳米SiO2掺量的增加，UHTCC材料相对渗透系数显著降低，耐久性能得到明显改善。通过海水拌养试验进一步发现配筋纳米SiO2改性UHTCC梁的抗海水侵蚀能力远高于配筋混凝土梁，因此该材料在海岛建设项目中具有广阔应用前景。
　　4、研究了不同纳米SiO2掺量对于PVA-UHTCC材料力学性能的影响并通过孔结构复合体模型分析了纳米SiO2的增强机理，试验结果发现材料抗压、抗折强度随着纳米SiO2掺量的增加逐渐增大，但是弯曲裂缝宽度也随之不断增大。
　　5、研究了混杂纤维对于纳米SiO2改性UHTCC材料力学性能的影响并提出材料具有应变硬化特征的纤维掺量设计准则，试验结果发现混杂纤维可显著提升纳米SiO2改性UHTCC材料抗压、抗折及拉伸强度，并重新实现裂缝的无害化分散，但钢纤维掺量过大将导致材料变形能力显著下降。
　　6、研究了高温对于纳米SiO2改性UHTCC材料微观结构及力学性能的影响，试验结果发现只有当温度达到600℃时材料微观结构开始后出现劣化，而材料残余抗压强度变化规律与微观结构完全一致。将纳米SiO2改性UHTCC材料作为钢筋混凝土柱的外包防火材料，发现钢筋混凝土柱残余强度及抗爆能力均得到显著提升。
　　7、将纳米SiO2改性UHTCC材料应用于桥面板现浇连接缝，计算得到连接缝最小设计长度，并通过三点弯曲试验模拟车辆集中荷载对桥面板的外部作用，试验结果发现当现浇连接缝长度大于最小设计长度时，桥面板在正常使用极限状态下的承载力可得到显著提高。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 混凝土材料发展及应用现状

1．1．2 纤维增强水泥基复合材料简介

1．2 超高韧性水泥基复合材料研究进展

1．2．1 材料发展概述

1．2．2 基本性能介绍

1．2．3 结构工程应用情况

1．3 纳米技术在水泥基材料领域中的研究现状

1．3．1 纳米材料定义及制备方法

1．3．2 纳米材料主要特征

1．3．3 纳米颗粒在水泥基材料中的研究应用

1．4 本文研究目的及主要内容

1．4．1 研究目的及意义

1．4．2 研究思路

1．4．3 主要研究内容

第二章 纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料物理性能

2．1 引言

2．2 材料制备工艺

2．2．1 原材料

2．2．2 搅拌流程

2．2．3 配合比设计

2．3 流动性能

2．3．1 试验方法

2．3．2 试验结果与分析

2．4 干缩性能

2．4．1 试验方法

2．4．2 试验结果及分析

2．4．3 干缩抗裂性能评估

2．5 导热性能

2．5．1 试验方法

2．5．2 试验结果及分析

2．5．3 大坝永久性保温模板

2．6 本章结论

第三章 纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料微观结构

3．1 引言

3．2 微观形态

3．2．1 试验方法

3．2．2 试验结果及分析

3．2．3 纳米SiO2水化反应催化机理

3．3 热重分析

3．3．1 试验方法

3．3．2 试验结果及分析

3．4 孔隙结构

3．4．1 试验方法

3．4．2 试验结果及分析

3．5 本章结论

第四章 纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料力学性能

4．1 引言

4．2 立方体抗压性能

4．2．1 试验方法

4．2．2 试验结果及分析

4．3 抗折性能

4．3．1 试验方法

4．3．2 试验结果及分析

4．4 纳米SiO2力学性能增强机理

4．4．1 基于Griffith断裂强度理论的孔结构复合体模型

4．4．2 强度影响系数

4．5 本章结论

第五章 纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料耐久性能

5．1 引言

5．2 抗渗透性能

5．2．1 试验方法

5．2．2 试验结果及分析

5．3 海水拌养配筋梁弯曲性能

5．3．1 试验方法

5．3．2 微观水化产物

5．3．3 基体抗折性能

5．3．4 配筋梁弯曲性能

5．4 本章结论

第六章 混杂纤维纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料力学性能

6．1 引言

6．2 圆柱体抗压性能

6．2．1 试验方法

6．2．2 试验结果及分析

6．3 抗折性能

6．3．1 试验方法

6．3．2 试验结果及分析

6．4 三维轴心拉伸性能

6．4．1 试验方法

6．4．2 试验结果及分析

6．4．3 轴心拉伸本构模型

6．5 混杂纤维增韧控裂机理

6．5．1 单根纤维拔出应力-位移关系

6．5．2 构件裂缝面纤维平均桥连应力-位移关系

6．5．3 混杂纤维多缝开裂准则

6．6 本章结论

第七章 纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料耐火性能

7．1 引言

7．2 试验方法

7．2．1 材料耐火性能

7．2．2 结构柱耐火性能

7．3 高温后物理性能

7．3．1 材料颜色

7．3．2 微观形态

7．3．3 孔隙结构

7．4 高温后力学性能

7．4．1 抗压耐火性能

7．4．2 抗折耐火性能

7．4．3 钢筋混凝土柱耐火性能

7．5 本章结论

第八章 纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料桥面板试验研究

8．1 引言

8．2 桥面板理论计算

8．2．1 最大裂缝宽度

8．2．2 跨中最大弯矩

8．2．3 连接缝最小长度

8．3 桥面板试验方法

8．3．1 试验方案

8．3．2 试件制备

8．3．3 加载方法及测量内容

8．4 桥面板弯曲性能

8．4．1 力学性能

8．4．2 裂缝控制

8．5 本章结论

第九章 总结与展望

9．1 本文工作总结

9．2 本文创新点

9．3 本文展望

参考文献

作者简历和科研成果