矿物掺合料对UHPC自愈合的影响

摘要

超高性能混凝土(Ultrahighperformanceconcrete，简称UHPC)是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高强与高耐久性的水泥基材料，在工程实践中具有广泛的应用前景。其制备过程中，通常采用极低的水胶比，使用活性与细度较高的组分，使基体内部的缺陷(孔隙与微裂缝)减到最少，进而获得超高强度与高耐久性。　　基于低水胶比及紧密堆积原理配制的UHPC在硬化后，基体中仍存有大量的未反应熟料，这些未反应熟料经历后续养护后仍能发生后续水化，这使得UHPC具备潜在较强的自愈合性能，能够自发地愈合损伤部位。UHPC是典型的复合胶凝材料体系，其自愈合过程是基于自身组份性质而实现，涉及愈合机理复杂，如未反应组份的再水化、反应产物的碳化沉淀等，影响因素也较多，包括水胶比、水泥细度、矿物掺合料种类与掺量、养护制度与养护龄期、服役环境温度和湿度等。目前，对于混凝土自愈合的研究多集中于传统水泥基材料，对UHPC自愈合性能的研究较少，对其自愈合过程中的影响因素缺乏系统的研究，且缺乏系统的自愈合评价体系。　　为此，本文系统研究了矿渣与粉煤灰等辅助性胶凝材料(SupplementaryCementitiousMaterials,简称SCM)对UHPC自愈合性能的影响。通过X射线衍射(X-RayDiffraction，简称XRD)、傅里叶变换红外光谱分析(FourierTransformInfrared，简称FTIR)、热重分(ThermogravimetricAnalysis，简称TGA)对不同矿物掺合料种类与掺量的UHPC试块损伤部位的产物进行了物相定性分析和产物组成半定量分析，阐明UHPC的自愈合机理。并通过宏观弯曲强度测试、声学探伤与微观试验相结合，考察了不同矿物掺合料种类与掺量的UHPC预损伤试块的自愈合性能。最后，结合矿物掺合料的影响考察结果，选取愈合性能较好的配比，进行力学抗压强度测试、劈裂抗拉强度测试、透水性测试和基于计算机视觉处理的裂缝宽度变化分析，从力学性能恢复、耐久性能恢复、表面裂缝宽度闭合等多角度探讨UHPC的自愈合能力。试验过程中同时考虑了初始养护龄期、后续养护制度及龄期、预损伤程度的影响，对UHPC自愈合的影响因素进行了系统的研究。　　通过对不同矿物掺合料种类和掺量的UHPC的自愈合性能进行系统的试验研究和分析，取得了如下主要成果：　　(1)分析了UHPC基于自身组份性质自愈合的主要机理，包括未反应水泥颗粒的再水化，未反应辅助性胶凝材料的火山灰效应，水化产物的碳化。结果表明不同SCM种类与掺量的UHPC愈合机理存在一定差异，虽然主导愈合机理均为未反应熟料的再水化，但由于粉煤灰与矿渣钙质含量、活性的差异，由未反应水泥颗粒的再水化与水化产物碳化引起的自愈合程度不同。　　(2)考察了不同SCM种类和掺量的UHPC的自愈合能力。结果表明UHPC在粉煤灰、矿渣对水泥替比为40%时可以实现最好的愈合效果，当SCM替代比低于40%时，UHPC的自愈合程度随SCM替代比的增加而增加，当替代比高于40%时，UHPC的自愈合程度会逐渐降低。根据物相分析、声学探伤、宏观弯曲试验结果，在配制自修复型UHPC时，建议将矿物掺合料替代比定为40%。　　(3)探讨了不同初始养护龄期的UHPC试件的自愈合能力。结果表明，初始养护龄期较长的试件基体内部未反应熟料比例更少，后续养护后所展现出的自愈合能力更差；相比于粉煤灰，矿渣更利于初始养护龄期较短(28d)的UHPC的自愈合，而对于初始养护龄期较长(56d)的UHPC试件，掺粉煤灰的试件自愈合表现更好。　　(4)探讨了预损伤程度对UHPC自愈合性能的影响。结果表明，一般而言，UHPC试件的初始预损程度越高，愈合程度越低。但上述结论的前提是试件的预损程度足以使后续养护介质透过裂缝进入UHPC基体内部，本文研究发现，由于UHPC试件在预压试验中的真实损伤度非常小，后续养护介质较难透过密实的预压UHPC试件表面进入基体内部，激活内部损伤部位未反应熟料的再水化，这使得预压程度越高的试件自愈合反而表现越好。　　(5)探讨了后续养护龄期和养护体制对UHPC自愈合的影响。结果表明，UHPC在持续水养、蒸养、氢氧化钙溶液养护条件下均可实现一定程度的自愈合，相较于水养制度，蒸养及氢氧化钙溶液养护显著提高了UHPC自愈合效率。　　(6)研究发现UHPC的自愈合主要表现为表面裂缝的逐渐闭合、内部结构的不断密实、力学性能及耐久性能的不断恢复。UHPC预裂试件在经历后续养护后，渗透性能及力学性能能够得到极大的恢复，蒸养5d后，裂缝的水渗透系数可由1×10-6m/s降至1×10-7m/s，约产生一个量级的变化，基于计算机视觉处理计算的表面裂缝宽度闭合率可达80%，在水养28d或蒸养3d后，预裂试块的抗压强度或劈裂抗拉强度可恢复至或超过无损试件的抗压强度或劈裂抗拉强度。　　(7)从裂缝表面宽度变化、耐久性能、力学性能等多维角度全面评估UHPC自愈合性能,确定了可排除非破损区再水化的影响，单独反应破损区(裂缝区)再水化或碳化作用引起的UHPC力学性能修复率计算公式，进而完善了UHPC自愈合评价机制。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 研究方法和内容

第2章 文献综述

2.1 引言

2.2 基于水泥基材料组份的自愈合机理及性能评估

2.2.1 水泥

2.2.2 辅助性胶凝材料（SCM）

2.2.3 结晶剂和膨胀剂

2.2.4 高吸水性聚合物（SAP）

2.2.5 纤维

2.3 自生自愈合效果对比

2.4 自愈合评价方法

2.5 结论

2.6 展望

第3章 原材料及试验方法

3.1 主要原材料及其性能

3.1.1 水泥

3.1.2 硅灰

3.1.3 矿渣

3.1.4 粉煤灰

3.1.5 石英砂

3.1.6 钢纤维

3.1.7 减水剂

3.1.8 水

3.2 配合比设计及试件成型与养护

3.2.1 配合比设计

3.2.2 试件成型与养护

3.2.3 试验内容及方法

第4章 矿物掺合料对UHPC 自愈合的影响

4.1 前言

4.2 UHPC自愈合产物及基体成分物相分析对比

4.2.1 红外光谱分析

4.2.2 X射线衍射分析

4.2.3 热重

4.3 UHPC自愈合的力学试验验证

4.3.1 三点弯曲试验

4.3.2 UPV试验结果

4.4 本章小结

第5章 UHPC 力学性能的自修复

5.1 前言

5.2 预加载试验

5.2.1 无损试块强度及预加载度

5.2.2 预加载后试块的剩余强度

5.3 抗压强度恢复试验结果

5.4 劈裂抗拉强度恢复试验结果

5.5 本章小结

第6章 UHPC 渗透性能的自修复

6.1 前言

6.2 预损试验

6.3 水渗透试验

6.4 计算机视觉分析裂缝宽度

6.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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