沸石粉取代部分硅灰的UHPC性能及微观机理研究

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与传统混凝土相比,超高性能混凝土(UHPC)具有超高强的力学强度、超高韧性以及超强耐久性,是一种近些年来发展起来的、符合现代化工程建设基本要求的新型水泥机复合材料。为保证优良的性能,UHPC一般采用低水胶比,并掺入高活性的硅灰。硅灰的大量使用,使得UHPC的制备成本变得非常高昂,这也阻碍了UHPC的发展及其工程应用,特别是在一些发展中国家。而相比硅灰,沸石粉是一种可就地取材、自然资源丰富、价格低廉的矿物掺合料,具有良好的火山灰活性和吸水释水的特点。为达到良好的经济效益,采用沸石粉替代部分硅灰的方法制备了UHPC。首先,研究了不同取代掺量的沸石粉对UHPC力学性能及收缩的影响,从而确定沸石粉的最佳掺量。其次,在此掺量条件下,研究了不同水胶比对含掺沸石粉UHPC的力学性能及收缩的影响,并确定出最佳的水胶比。然后基于既定的沸石粉掺量和水胶比,研究了不同体积掺量的钢纤维对沸石粉UHPC力学性能的影响。再后通过X射线衍射(XRD)分析了沸石粉UHPC成型后的物相组成,利用扫描电子显微镜(SEM)观察了沸石粉UHPC的微观形貌,基于纳米压痕实验分析了沸石粉UHPC在微观区域里的纳米力学性能,并结合相应的微观机理分析了含掺沸石粉UHPC的宏观性能。最后结合沸石粉UHPC的宏观性能和微观结果,提出了沸石粉UHPC的配合比建议,主要结论如下:(1)沸石粉取代部分硅灰后,降低了UHPC的3d强度,随着龄期的增加,15%取代率的沸石粉提高了UHPC强度,而30%取代率的沸石粉对UHPC强度影响不大;沸石粉有助于UHPC后期韧性。(2)水胶比增加,降低了沸石粉UHPC强度;而水胶比0.14与0.16的试件强度相差不大;掺入适量的钢纤维能明显提高沸石粉UHPC的强度,但过量的钢纤维降低了其强度。(3)沸石粉可以明显减少UHPC的收缩,且随着沸石粉取代掺量的增加,沸石粉UHPC的收缩逐次减小;水胶比的增大减少了沸石粉UHPC的收缩。(4)XRD实验结果表明,沸石粉UHPC几乎不含氢氧化钙(CH);15%替代率的沸石粉能减少CH和Si O2含量,并促进UHPC的水化硅酸钙(CSH)生成;而60%替代率的沸石粉对CSH生成有不利影响。(5)SEM实验结果表明,沸石粉UHPC水化产物不含钙矾石;沸石粉不改变UHPC水化产物的种类;15%替代率的沸石粉能减少基体的孔隙,改善基体孔结构;而30%替代率的沸石粉对UHPC的微观形貌无明显影响;继续增加沸石粉,基体整体密实度下降,骨料-基体界面过渡区(ITZ)出现的裂缝宽度加大;体积掺量2.5%的钢纤维对沸石粉UHPC的ITZ无明显影响。(6)纳米压痕实验结果表明,沸石粉UHPC的水化产物主要以高密度水化硅酸钙(HD CSH)和超高密度水化硅酸钙(UHD CSH)为主;15%替代率的沸石粉能减少ITZ厚度,总体提高UHPC的弹性模量;30%替代率的沸石粉对ITZ厚度和弹性模量没有影响;继续增加沸石粉,ITZ的厚度和孔隙率增加,UHD CSH含量下降;钢纤维略微降低了沸石粉UHPC的ITZ弹性模量,并增加了其厚度。(7)当砂胶比为1.1、减水剂用量22.9kg/m~3时,建议沸石粉取代30%硅灰、水胶比为0.16、钢纤维体积掺量2.0%-3.0%为宜。此配合比的沸石粉UHPC标养后28d抗压强度最高为153.4MPa,抗折强度为21.9MPa。
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