含粗骨料超高性能混凝土的高温力学性能、爆裂及其改善措施试验研究

摘要

本文制备了多种56d龄期抗压强度为120～160MPa的含粗骨料超高性能混凝土(Ultra-High-Performance Concrete with Coarse Aggregate，UHPC(CA))和活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC），包括无任何纤维掺入的空白组UHPC(CA)、单掺钢纤维的UHPC(CA)和RPC、混掺钢纤维和聚丙烯(Polypropylene，PP)纤维的UHPC(CA)及RPC、不同组分混掺环保型钢纤维、橡胶颗粒和PP纤维的UHPC(CA)。以试验为主测定这些超高性能混凝土的残余力学性能和高温爆裂行为，为具有抗火性要求的超高性能混凝土结构设计、相关标准规范制定以及科学评估遭受火灾后的超高性能混凝土工程结构的安全性提供参考价值。本文获得的主要研究成果如下:
　　(1)空白组UHPC(CA)具有良好工作性能、超高强度和突出耐久性能，但其韧性和抗收缩性能较差。空白组UHPC(CA)遭受各目标温度后的残余力学性能及其相对常温时的残余强度百分率均高于高性能混凝土(High-Performance Concrete，HPC);各类型钢纤维中，高强度钢纤维最有利于提高UHPC(CA)的残余力学性能，尤其是残余断裂能。其中，单掺镀铜钢纤维的UHPC(CA)的峰值残余抗压强度超过200MPa。
　　(2)因高温引起了混凝土内部“二次水化”，各类型纤维增韧超高性能混凝土的残余抗压强度和残余劈裂抗拉强度均随着目标温度的升高而呈现先升高再降低的趋势，其相对于常温时强度的残余抗压强度百分率以目标温度为变量可拟合为二次多项式函数或者线性函数;而各类型纤维增韧超高性能混凝土的残余断裂能却逐渐下降，多与目标温度成为线性函数关系。然而，空白组UHPC(CA)的孔粗化严重，其残余断裂能与掺入钢纤维的超高性能混凝土的规律相反。
　　(3)空白组UHPC(CA)遭受从常温至800℃高温加热过程中发生了严重高温爆裂，其高温爆裂的发生几率和严重程度均显著大于HPC。单掺钢纤维可以改善超高性能混凝土的高温爆裂，但不能避免高温爆裂的发生;混杂掺入钢纤维和PP纤维可以显著改善空白组UHPC(CA)的高温爆裂，且避免了部分试件发生高温爆裂，而掺量为0.5％体积率的钢纤维的改善效果优于掺量为1.0％的情况。其中混杂掺入波纹型高强度普通钢纤维（体积掺量为0.5％）和PP纤维最有利于提高UHPC(CA)的抗高温爆裂性能。
　　(4)UHPC(CA)的抗高温爆裂性能均优于RPC，粗骨料起到了减轻混凝土高温爆裂的作用，这是因为，粗骨料的存在降低了超高性能混凝土内部的温差热应力，增加了纤维在砂浆基体中的分布密度。
　　(5)含湿量显著影响了超高性能混凝土的高温爆裂，含湿量越大，高温爆裂越严重，这说明了蒸汽压是引发超高性能混凝土高温爆裂的主导因素。而大量粗骨料在UHPC(CA)发生高温爆裂过程中从砂浆基体中剥离出来并保持完整以及部分超高性能混凝土发生逐层爆裂的试验现象均显示，蒸汽压和热应力的组合作用最终导致了超高性能混凝土高温爆裂的发生。
　　(6)UHPC(CA)的内部蒸汽压力随着混凝土试件含湿量的增大而增大，100％含湿量的空白组UHPC(CA)的内部蒸汽压力可达到5.024MPa;此外，降低加热速率明显降低了UHPC(CA)的高温爆裂严重程度。
　　(7)来自废旧轮胎的附着橡胶颗粒的环保型钢纤维(Recycled Steel Fiber with Rubber,RSFR)对UHPC(CA)的劈裂抗拉强度和断裂能的提高幅度显著大于其他类型钢纤维，尤其是断裂能;未附着橡胶颗粒的环保型钢纤维(Recycled Steel Fiber without Rubber,RSF)对UHPC(CA)高温爆裂的改善效果优于RSFR，混杂RSF（体积掺量为0.5％）与PP纤维显著提高了UHPC(CA)的抗高温爆裂性能。因此，RSFR和RSF可以替代部分普通钢纤维应用到超高性能混凝土结构构件中，具有重要环保意义。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 超高性能混凝土研究概况

1．2．1 发展历程

1．2．2 研究现状

1．2．3 工程应用

1．3 超高性能混凝土的高温性能

1．3．1 超高性能混凝土抗高温性能研究的必要性

1．3．2 与高性能混凝土的高温性能区别

1．3．3 活性粉末混凝土高温性能研究现状

1．3．4 含粗骨料超高性能混凝土高温性能研究现状

1．3．5 UHPC(CA)与RPC高温性能对比研究

1．3．6 UHPC高温性能研究中有待进一步解决的问题

1．4 本论文研究思路

1．4．1 研究目标

1．4．2 研究内容

1．4．3 拟解决的关键问题

2．1 引言

2．2 试件设计

2．2．1 原材料选用

2．2．2 超高性能混凝土配合比

2．2．3 试件尺寸

2．2．4 试件制备与养护

2．3 常温性能试验

2．3．1 力学性能试验方法

2．3．2 耐久性试验方法

2．4 高温后残余力学性能试验

2．5 高温下爆裂试验

2．5．1 含湿量的确定

2．5．2 高温爆裂试验概况

2．5．3 爆裂试验用仪器

2．6 高温下混凝土内部蒸汽压测定试验

2．6．1 试件尺寸及测点选择

2．6．2 测压装置

2．6．3 超高性能混凝土类型

2．6．4 试件制备

2．6．5 测试细节

2．7 高温下立方体混凝土试件内部温度测定

2．7．1 测温点选取

2．7．2 试件制备

2．8 微观结构试验

2．8．1 扫描电镜试验

2．8．2 压汞测孔试验

2．9 本章小结

3 空白组超高性能混凝土的制备及其常温性能

3．3 超高性能混凝土抗压强度影响因素

3．3．1 水胶比的影响

3．3．2 粗骨料的粒径范围

3．3．3 细骨料的细度模数

3．3．4 胶凝材料的总用量

3．3．5 矿物掺合料

3．3．6 钢纤维

3．3．7 小结

3．4 超高性能混凝土常温力学性能

3．4．1 工作性能

3．4．2 抗压强度

3．4．3 劈裂抗拉强度

3．4．4 抗折强度

3．4．5 弹性模量

3．4．6 小结

3．5 超高性能混凝土常温耐久性能

3．5．1 渗水性

3．5．2 氯离子渗透性

3．5．3 收缩性

3．5．4 小结

3．6 超低水胶比对超高性能混凝土常温力学性能的影响

3．6．1 混凝土配合比

3．6．2 抗压强度

3．6．3 劈裂抗拉强度

3．6．4 断裂能

3．6．5 小结

3．7 本章小结

4 空白组超高性能混凝土的高温力学性能和高温爆裂

4．1 引言

4．2 混凝土配合比

4．3．1 残余抗压强度

4．3．2 残余劈裂抗拉强度

4．3．3 质量损失

4．3．4 残余断裂能

4．4 高温爆裂

4．4．1 试件爆裂个数

4．4．2 试件爆裂后外观形貌

4．4．3 试件爆裂后的筛分分析

4．5 高温爆裂与力学性能之间的关系

4．6 微观结构观测

4．6．1 SEM形貌观测

4．6．2 MIP孔结构分析

4．7 本章小结

5 单掺钢纤维超高性能混凝土的常温力学性能和高温爆裂

5．1 引言

5．2 混凝土配合比

5．3 常温力学性能

5．3．1 抗压强度

5．3．2 劈裂抗拉强度

5．3．3 断裂能

5．3．4 静弹性模量

5．4 高温爆裂行为

5．4．1 高温爆裂温度范围

5．4．2 爆裂的试件个数及爆裂深度

5．4．3 试件高温爆裂后的外观形貌

5．4．4 筛分分析

5．5 断裂能与高温爆裂之间的关系

5．6 本章小结

6 含粗骨料超高性能混凝土与活性粉末混凝土的高温性能对比试验研究

6．1 引言

6．2 超高性能混凝土配合比

6．3 残余力学性能

6．3．1 试件遭受高温后的外观形貌变化

6．3．2 残余抗压强度

6．3．3 残余劈裂抗拉强度

6．3．4 残余断裂能

6．4 高温爆裂行为

6．4．1 爆裂试块统计

6．4．2 爆裂温度范围

6．4．3 爆裂声响次数

6．4．4 试件内部温度

6．4．5 高温爆裂后形貌

6．4．6 爆裂后碎块的筛分分析

6．4．7 逐层爆裂

6．4．8 对爆裂试件的碎块断面及剥离粗骨料的观测

6．5 微观性能

6．5．1 扫描电镜试验

6．5．2 压汞测孔试验

6．6 本章小结

7．1 引言

7．2 超高性能混凝土的配合比

7．3 结果与分析

7．3．1 不同含湿量的空白组含粗骨料超高性能混凝土

7．3．2 单掺钢纤维含粗骨料超高性能混凝土

7．3．3 混杂纤维含粗骨料超高性能混凝土

7．3．4 单掺钢纤维活性粉末混凝土

7．3．5 混杂纤维活性粉末混凝土

7．3．6 汇总分析

7．4 本章小结

8 混杂普通钢纤维与聚丙烯纤维的超高性能混凝土的高温力学性能和高温爆裂

8．1 引言

8．2 混杂纤维超高性能混凝土的配合比

8．3 混杂纤维超高性能混凝土的残余力学性能

8．3．1 残余抗压强度

8．3．2 残余劈裂抗拉强度

8．3．3 质量损失

8．3．4 残余断裂能

8．4 混杂纤维超高性能混凝土的高温爆裂

8．4．1 爆裂试块统计

8．4．2 未爆裂试件表面的显微镜观测

8．4．3 高温爆裂发生的温度范围

8．4．4 试件高温爆裂后的外观形貌

8．4．5 筛分分析

8．5 试件内部温度测定

8．6 本章小结

9 环保型钢纤维超高性能混凝土的高温力学性能和高温爆裂

9．1 引言

9．2 环保型钢纤维超高性能混凝土的配合比

9．3 残余力学性能

9．3．1 残余抗压强度

9．3．2 残余劈裂抗拉强度

9．3．3 质量损失

9．3．4 残余断裂能

9．4 高温爆裂

9．4．1 爆裂试块统计

9．4．2 未爆裂试件表面裂纹的显微镜观测

9．4．3 高温爆裂发生的温度范围

9．4．4 试件高温爆裂后的外观形貌

9．4．5 筛分分析

9．5 试件内部温度测定

9．6 本章小结

10 结论与展望

10．1 本文主要结论

10．2 本文主要创新性研究成果

10．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集