基于纖維分布的UHPC制備及其滲透性能研究

基于纖維分布的UHPC制備及其滲透性能研究超高性能混凝土(UHPC,Ultra-HighPerformanceConcrete)是一種以超高強度為前提,以高密實性著稱的新型高技術(shù)混凝土。UHPC具有比強度高、資源消耗小、高耐久性等特點,不但能夠滿足21世紀土木工程高層、超高層建筑、工業(yè)廠房等結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強、大跨度空間、低碳環(huán)保的需求,在高侵蝕環(huán)境下的石油、核電、海洋及軍事等工程設(shè)施中也有著廣闊的應(yīng)用前景,是未來混凝土技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前,已有研究針對配制技術(shù)、基本性能、預(yù)制構(gòu)件等方面對UHPC的應(yīng)用規(guī)程進行了初步完善。這些研究多數(shù)局限于試驗室中理想情況下,以鋼纖維在基體中均勻、隨機分布為假設(shè)對UHPC進行力學(xué)性能評價,且只考慮了單因素?zé)o損狀態(tài)下試件的滲透性能,以此結(jié)果對UHPC結(jié)構(gòu)的承載能力和耐久能力進行評估可能存在一定的安全隱患。本文以確保UHPC實際結(jié)構(gòu)的安全性、整體穩(wěn)定性及實現(xiàn)更合理的耐久性評價為目標(biāo),揭示新拌漿體流變行為與鋼纖維分布之間的關(guān)系,實現(xiàn)對基體內(nèi)纖維分布的控制,為UHPC科學(xué)制備提供理論依據(jù);揭示預(yù)開裂加載后的破壞特征與損傷規(guī)律,明確損傷前后材料的滲透性能,為UHPC在實際結(jié)構(gòu)中的壽命預(yù)測提供設(shè)計依據(jù)。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)通過配合比試驗,探索水膠比、減水劑含量和鋼纖維體積摻量與UHPC新拌性能及力學(xué)性能之間的關(guān)系。分析配合比對UHPC新拌漿體流變性的影響,以及成型后試件的強度變化規(guī)律和受力破壞模式。結(jié)果表明:水膠比和減水劑摻量的增加降低了新拌漿體的屈服剪切應(yīng)力,改善了漿體的流動能力。新拌漿體的粘度值隨水膠比的提高而降低,但受減水劑摻量變化的影響并不明顯。低水膠比時,減水劑摻量增加可能對強度增長產(chǎn)生不利影響;較高水膠比時,減水劑摻量增加使流動性提高、含氣量降低,因而導(dǎo)致強度有所提高。鋼纖維的加入降低了新拌漿體的流動能力及攪拌時引入的空氣含量,同時增加了試件抗壓和抗折強度。(2)采用斷面圖像分析法(有損方法),結(jié)合新拌漿體流變性,對不同配合比UHPC試件內(nèi)鋼纖維分布情況進行量化分析。探討了不同水膠比、減水劑含量和纖維體積摻量對UHPC纖維分布的影響,并給出了通過流變參數(shù)控制纖維分布情況的措施。結(jié)果表明:鋼纖維在試件沿澆筑深度方向的分布變化受新拌漿體水膠比、減水劑含量和鋼纖維摻量的影響,其關(guān)鍵因素主要取決于拌合物的流變參數(shù),特別是屈服剪切應(yīng)力。漿體的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘度過高會影響攪拌過程中纖維的分散,而過低的屈服剪切應(yīng)力和塑性粘度則會導(dǎo)致振搗和澆筑過程中纖維的沉降。當(dāng)鋼纖維摻量分別為1%、2%和3%時,確保鋼纖維均勻分布的UHPC拌合物的適宜屈服剪切應(yīng)力范圍分別為900~1000Pa、700~900Pa和400~800Pa。(3)采用X-rayCT掃描法(無損方法),可視化呈現(xiàn)不同配合比UHPC試件內(nèi)部結(jié)構(gòu),對試件內(nèi)各部位鋼纖維和氣孔的實際含量進行量化,并進行相應(yīng)的力學(xué)性能測試。分析新拌漿體流變性、纖維分布、氣泡分布和力學(xué)性能之間的關(guān)系。結(jié)果表明:由于拌合物屈服剪切應(yīng)力的降低,促使?jié)仓笤嚰械匿摾w維沉降和氣泡上升,由此導(dǎo)致了UHPC局部力學(xué)性能的削弱,其平均強度也較均勻分布的試件有所降低。證實了適當(dāng)?shù)奶岣甙韬衔锏那羟袘?yīng)力和增加鋼纖維摻量,可以有效地改善試件內(nèi)鋼纖維和氣泡的不均勻分布情況,提高UHPC性能的均勻性及穩(wěn)定性。(4)通過劈裂抗拉試驗對UHPC試件進行預(yù)開裂加載,研究不同荷載等級下試件的裂縫開展情況,并對損傷前和損傷后試件的氣體滲透性進行評價,分析不同纖維體積摻量與預(yù)開裂損傷荷載等級對其滲透性能的影響,建立了損傷后UHPC氣體滲透性計算模型。結(jié)果表明:鋼纖維的摻入,極大地提升了UHPC材料的延性。對于相同的預(yù)開裂荷載等級,UHPC試件的側(cè)向變形和殘余側(cè)向變形均隨纖維體積摻量的增加而增加。并且,試件的變形恢復(fù)能力隨纖維摻量的增加而逐步削弱。未損傷UHPC試件的氣體滲透性極低,小于0.81×10-19m2。預(yù)加載導(dǎo)致的殘余側(cè)向變形極大地影響了摻鋼纖維UHPC的氣體滲透性,使之增加2~5個數(shù)量級。而鋼纖維摻量的提高能有效地延遲試件內(nèi)裂紋的產(chǎn)生并延遲主裂縫的開展,有助于改善UHPC的滲透性。(5)通過毛細吸水試驗,對損傷前和預(yù)開裂損傷后UHPC試件的水吸收進行評價,分析了不同纖維體積摻量與預(yù)開裂損傷荷載等級對其的影響,總結(jié)了氣體滲透性與毛細吸水性能對UHPC滲透性能評價的各自優(yōu)勢。結(jié)果表明:未損傷UHPC試件的毛細吸水率在10.5~12.5g/(m2·min0.5)之間,鋼纖維摻量的增加對其毛細吸水性能起到了進一步的改善作用。試件的毛細吸水率隨預(yù)加載等級的變化逐步增加,證實了UHPC內(nèi)部存在的初始缺陷、裂紋及孔隙隨著基體的受荷損傷而進一步發(fā)展并逐步連通,基體中的裂