高温下活性粉末混凝土爆裂规律及力学性能研究

发布时间：2018-12-06 07:35

【摘要】：活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)是一种高强度、高韧性、高耐久性的新型材料。由于RPC具有优异的耐久性，在盐湖地区及海洋环境的房屋和基础设施建设中具有应用前景。由于RPC相对普通混凝土和高强混凝土具有更致密的微观结构和更低的渗透性，因此高温下RPC的爆裂的风险也相应增加。高温下RPC的力学性能也未见系统的报道。高温下混凝土爆裂和力学性能退化将导致结构的毁损，甚至倒（坍）塌。因此，有必要对RPC的耐高温性能进行较系统的研究。本文对高温下哑铃型试件、立方体试件、棱柱体试件等累计957个RPC试件进行了高温下试验，考察了爆裂影响因素、抑制爆裂措施、不同纤维种类和掺量、恒温时间对RPC力学性能影响、RPC微观结构演化和高温下质量损失等。具体工作和成果为： (1)为考察高温下RPC的爆裂行为，完成了RPC哑铃型试件、立方体试件、棱柱体试件高温下爆裂试验。结果表明：RPC爆裂风险随含水率增加而增大；试件温度梯度越大，爆裂风险越大，升温速度和试件尺寸是影响试件温度梯度的重要因素；温度一定时，恒温时间对RPC爆裂的影响不大；单掺聚丙烯（PP）纤维体积掺量不小于0.3%（2.73kg/m3），单掺钢纤维不小于1%（78kg/m3），可有效防止RPC爆裂；单掺钢纤维体积掺量为2%时，RPC爆裂临界含水率为0.85%；合理选择和涂置防火涂料，可减小RPC温度，缓解RPC试件温度梯度，，也可预防RPC爆裂。 (2)为了判断过火的RPC所经历的最高温度，为火灾后RPC结构提供损伤评估和修复依据，提出了通过RPC试件颜色变化、裂纹状况和试件敲击声音等来推断过火RPC所经历的最高温度的方法。RPC试件高温后颜色随经历温度变化为：过火温度20~200℃为青灰色，过火温度300~400℃为棕褐色，过火温度500℃为淡红灰色，过火温度600℃为黑褐色，过火温度700℃为灰白色，过火温度800℃为黄白色。掺加PP纤维RPC、掺加钢纤维RPC和复掺纤维（PP纤维和钢纤维）RPC试件外观特征变化规律相似，纤维种类和掺量对试件颜色变化影响不大。当外观颜色基本相近时，可通过敲击声音判别过火RPC所经历最高温度的相对高低，试验结果表明，所经历的温度越高，敲击声音越沉闷。 (3)为了评价高温下RPC构件的抗火安全性，考察了高温下RPC力学性能的退化行为。对高温下27个素RPC、81个单掺PP纤维RPC、81个单掺钢纤维RPC和81个复掺纤维RPC立方体试件进行抗压试验。对常温下9个和高温下36个单掺钢纤维RPC棱柱体试件、常温下9个和高温下36个复掺纤维RPC棱柱体试件分别进行轴心受压试验。对高温下27个素RPC、81个单掺PP纤维RPC、81个单掺钢纤维RPC和81个复掺纤维RPC哑铃型试件进行抗拉试验。获得了纤维种类及掺量对不同温度下RPC力学性能的影响规律；提出了合理考虑纤维种类和掺量影响的高温下RPC立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、哑铃型试件抗拉强度、弹性模量和峰值压应变计算公式。获得了合理考虑纤维种类和掺量影响的高温下RPC单轴受压应力应变关系。并对掺加不同纤维种类、不同纤维掺量的RPC力学性能进行了对比分析。 (4)恒温时间是指试件中心温度达到目标温度后继续保持该温度的时间。恒温时间对材料和构件高温力学性能的影响，是工程界关注的热点问题之一。针对这一问题，通过45个RPC棱柱体试件，考察了恒温时间对棱柱体抗压性能的影响。结果表明：200~400℃时，恒温1小时和3小时RPC棱柱体抗压强度高于未经恒温试件；400~600℃时，恒温时间对棱柱体抗压强度的影响为：未经恒温棱柱体抗压强度恒温1小时棱柱体抗压强度恒温3小时棱柱体抗压强度；800℃时，恒温时间对棱柱体抗压强度的影响为：未经恒温棱柱体抗压强度恒温1小时棱柱体抗压强度恒温3小时棱柱体抗压强度。20~400℃时由于掺合料中活性SO2与Ca(OH)2发生火山灰反应导致RPC抗压强度随恒温时间增加而升高，400~600℃时由于结合水蒸发和Ca(OH)2的分解导致孔洞和裂缝增加，其抗压强度随恒温时间的增加而降低，800℃时由于持续高温使得RPC发生烧结作用，抗压强度随恒温时间的增加而升高。温度不高于600℃时不同恒温时间的RPC弹性模量和峰值应变相差不大，但800℃时恒温3小时RPC的弹性模量相比未经恒温RPC和恒温1小时RPC弹性模量有小幅度增加，而恒温3小时RPC的峰值应变却急剧减小。参考单掺钢纤维RPC应力-应变关系曲线方程，建立了高温下不同恒温时间RPC的受压应力-应变曲线方程。 (5)利用扫描电子显微镜(SEM)试验、XRD衍射试验和压汞试验(MIP)分析手段，研究了RPC微观结构形貌、裂缝和纤维变化、矿物组成及相变反应和孔结构演化随经历温度的变化规律。结果表明：温度小于400℃时，掺合料中的活性SO2与Ca(OH)2发生火山灰反应导致C S H数量增加。温度超过400℃时，可以观察到微小裂缝，800℃时RPC出现大量的孔洞和裂缝，微观结构变得酥松和粗糙。常温下PP纤维与基体粘结紧密，界面区完整密实；温度超过200℃时，PP纤维熔化后的孔洞和连通网络有利于水蒸汽的逸出，从而降低爆裂风险。钢纤维与基体粘结处的裂缝宽度随温度升高而增加，钢纤维在800℃时完全氧化。RPC微观结构随温度升高而逐渐劣化，是其宏观力学性能随温度升高而退化的根本原因。SO2含量随温度升高先减小再升高，斜方钙沸石的含量和峰值随温度升高而降低，800℃时RPC中的C S H分解是β-C2S和C3S含量增加的主要原因。RPC的孔径和孔隙率随温度升高而增加，相对普通混凝土和高强混凝土，RPC具有更小的孔径和更低的孔隙率。通过热重差热(TG DSC)分析研究了高温下RPC质量损失和吸热放热反应，在170℃、600℃和780℃时吸热峰的出现是分别由于PP纤维熔化、SO2晶型转变和C S H分解导致的。 (6)在大量试验和分析的基础上，对高温下RPC爆裂的判别方法、爆裂预防措施、高温下力学性能等进行了总结。为RPC构件抗火验算提供了素材。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU528

【参考文献】