高温后铝酸盐水泥基超高性能混凝土受压性能研究

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近些年来,超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)由于其优异的力学性能已经在土木工程领域得到广泛的应用,但其微观结构致密,容易在火灾高温作用下发生爆裂。铝酸盐水泥混凝土(Calcium aluminate cement concrete,CAC)早期强度高、耐高温和耐化学腐蚀性能好,已经受到国内外学者的广泛关注,但其水化产物具有温度敏感性而导致后期强度倒缩,限制了在工程中的应用和发展。若能避免铝酸盐水泥的后期强度倒缩,并将其应用于UHPC中,有望使UHPC具有更理想的高温性能。为此,本文通过开展一系列低水胶比条件下掺有不同类型矿物掺合料的铝酸盐水泥净浆试件的抗压试验,研究不同养护龄期和温度作用对其性能的影响,优选出抑制后期强度倒缩且高温性能较好的胶凝材料。随后,通过XRD物相分析和SEM微观结构观测揭示研究参数对其性能影响的作用机理。在此基础上研究火灾温度和钢纤维掺量对铝酸盐水泥基UHPC高温后立方体抗压强度及轴心抗压性能等的影响。主要研究内容如下:(1)进行了掺有不同类型矿物掺合料的铝酸盐水泥净浆随养护龄期变化与经不同温度作用后的宏观力学性能试验及微观测试。结果表明,硅灰、矿渣、粉煤灰三种矿物掺合料均可在一定程度上抑制铝酸盐水泥净浆的后期强度倒缩。210d龄期时,掺入10%硅灰、10%矿渣和10%粉煤灰的铝酸盐水泥净浆的抗压强度分别提高了9.5%、19.2%和17.9%。矿物掺合料对铝酸盐水泥净浆强度倒缩的抑制作用是通过阻碍亚稳态的水化产物铝酸钙CAH10、C2AH8向稳态的C3AH6进行晶型转变实现的。CAC及分别掺入10%硅灰、10%矿渣和10%粉煤灰的铝酸盐水泥净浆试件经600℃高温后的抗压强度分别为常温时的126.2%、113.7%、127.9%和164.9%,经1000℃高温后分别为常温时的81.9%、89.8%、95.9%和102.5%。(2)随着模拟火灾温度的升高,铝酸盐水泥基UHPC的颜色由深灰色(20~200℃)向浅灰色(300~400℃)、灰白色(500~600℃)再到浅黄色(800~1000℃)变化。同时,质量损失率逐渐增大,且600℃之后结构变得疏松,但高温过程中试件均未发生爆裂。温度较低时,未掺钢纤维的铝酸盐水泥基UHPC发生脆性破坏,超过500℃后为塑性破坏。加入钢纤维的UHPC试件经不同温度作用后均发生塑性破坏。(3)随着模拟火灾温度的升高,铝酸盐水泥基UHPC的立方体抗压强度与轴心抗压强度均呈先升高后下降的趋势。20~600℃时,钢纤维的加入提高了UHPC的残余强度;800~1000℃后,由于钢纤维的氧化,高温后的残余强度反而低于未掺钢纤维的试件。同时,UHPC试件的峰值应变逐渐增大、弹性模量持续减小、泊松比先减小后增大。(4)常温条件下,随着钢纤维掺量的提高,铝酸盐水泥基UHPC的立方体抗压强度、轴心抗压强度、峰值应变和弹性模量不断提高,泊松比逐渐减小;1000℃高温后,随着钢纤维掺量的提高,立方体抗压强度、轴心抗压强度和峰值应变逐渐降低,弹性模量先减小后增大,而泊松比逐渐增大。(5)铝酸盐水泥基UHPC在经历不超过600℃高温作用后的微观结构相对致密,仅存在少量微裂缝,基体与钢纤维之间粘结良好;当温度在600~1000℃范围内,水化产物大量分解,出现松散和分离的小颗粒,裂缝不断发展,钢纤维发生氧化现象;1000℃高温后,已经观测不到钢纤维的存在,基体发生更加严重的高温损伤。(6)通过对试验结果的统计分析,分别建立了考虑火灾高温影响的铝酸盐水泥基UHPC立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和峰值应变的计算模型,并提出上升段为五次多项式、下降段为有理分式的铝酸盐水泥基UHPC单轴受压本构模型。
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