碱矿渣胶凝材料耐高温性能及其在工程中应用基础研究

发布时间：2019-06-13 16:37

【摘要】：目前，粘贴碳纤维布加固技术，已被纳入国家标准《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）和行业标准《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）。碳纤维丝在绝氧条件下具有良好的耐高温性能，其强度在1000℃以内不随温度升高而降低。加固所用的常规环氧树脂胶的玻璃态转化温度Tg仅为60℃~82℃，其燃点为600℃。由于火灾是一种高频灾种，火灾发生时环境温度高达数百度至上千度，这严重制约了粘贴碳纤维布加固技术的发展。鉴于耐高温环氧树脂胶价格昂贵，且在粘贴碳纤维布过程中需在高温环境中进行，难以大规模推广应用，研发耐高温的无机胶凝材料成为行业的一种迫切需求。同时也可考虑耐高温无机胶凝材料替代混凝土，用于高温环境的工程建设。从相关文献了解到地聚物具有良好的耐高温性能，定性判断碱矿渣胶凝材料（AASCM）应具有与地聚物类似的性能。因此，我们以AASCM作为一个着力点，开展研究工作。（1）尝试进行了粒化高炉矿渣与钾水玻璃，粒化高炉矿渣与氢氧化钠，粒化高炉矿渣与水泥和少量碳酸钠，粒化高炉矿渣和粉煤灰分别与钾水玻璃、氢氧化钠、水泥和少量碳酸钠等六种方案试配，获得了AASCM两种较优配比，即以矿渣为原料，模数Ms=1.0的钾水玻璃为碱性激发剂，水玻璃用量占矿渣质量的12%，用水量分别占矿渣质量的35%和42%的两种配比。按优选配比配制的AASCM养护龄期为28d时，当用水量占矿渣质量35%时40mm×40mm×160mm胶砂件抗压强度为90.16MPa，边长70.7mm的立方体试件抗压强度为71.75MPa，70.7mm×70.7mm×228mm棱柱体试件轴心抗压强度为48.44MPa，哑铃型试件抗拉强度为3.47MPa。当用水量占矿渣质量42%时40mm×40mm×160mm胶砂件抗压强度为80.88MPa，边长70.7mm的立方体试件抗压强度为64.53MPa，70.7mm×70.7mm×228mm棱柱体试件轴心抗压强度为44.90MPa，哑铃型试件抗拉强度为3.24MPa。AASCM强度相对较高，单方造价约合330元，价格相对较低。两种较优配比中用水量占矿渣质量42%时AASCM工作性能较好。因此，选择用水量占矿渣质量42%配比的AASCM为后续研究对象。（2）为考察AASCM的常温下力学性能，完成了60个40mm×40mm×160mm胶砂件、60个边长为70.7mm的立方体、60个70.7mm×70.7mm×228mm棱柱体的抗压试验，完成了60个40mm×40mm×160mm试件的抗折试验，完成了60个哑铃型试件的抗拉试验，完成了60个边长为70.7mm立方体试件的劈拉试验。AASCM胶砂件抗压强度最高可达121.18MPa，边长为70.7mm立方体抗压强度最高可达96.43MPa，轴心抗压强度最高可达59.86MPa，抗折强度最高可达16.56MPa，抗拉强度最高可达4.45MPa，劈拉强度最高可达4.15MPa。通过对36个70.7mm×70.7mm×228mm的棱柱体试件进行单轴抗压试验，得到了AASCM受压应力-应变全曲线方程。对比分析可知，AASCM受压应力-应变曲线方程上升段与普通混凝土相似，均为二次抛物线形式，AASCM考虑应变梯度影响的下降段呈斜直线形式。通过采用SEM扫描电镜和XRD衍射分析技术，确定了AASCM的水化产物为水化硅酸钙凝胶、水滑石和水化铝酸四钙等非晶质物相。（3）为对比粘贴效果，采用双剪试验方法对90个用AASCM在混凝土表面粘贴纤维布试件（边长为100mm的混凝土立方体试块，两对面粘贴宽度为70mm，长为100mm的纤维布条带），进行常温双剪试验，获得了与胶层毗邻混凝土撕裂剥离的破坏形式，双剪试件的面内剪切强度在1.09~1.61MPa之间，与常规环氧树脂胶基本持平。通过在160mm×160mm×1000mm混凝土棱柱体两对面粘贴宽70mm，长120mm至300mm，相邻试件粘贴长度相差20mm碳纤维布条带的20个试件粘结锚固性能试验，，量测了在各级荷载下碳纤维布与混凝土间剪应力的分布及有效粘结长度，获得了碳纤维布被拉断的同时混凝土被撕裂剥离时的碳纤维布的粘贴长度（即锚固长度），拟合得到了常温下碳纤维布有效粘结长度和锚固长度的计算公式。有效粘结长度计算公式考虑了破坏荷载，碳纤维布轴向刚度bfEftf和碳纤维布加载端滑移量的影响；锚固长度计算公式考虑了碳纤维布抗拉强度，计算厚度以及碳纤维布与混凝土间粘结应力的影响。（4）为考察AASCM高温下和高温后力学性能，完成了96个40mm×40mm×160mm胶砂件和96个边长为70.7mm立方体在100℃~800℃高温下和高温后抗压试验，完成了96个40mm×40mm×160mm试件在100℃~800℃高温下和高温后的抗折试验，完成了96个哑铃型试件在100℃~800℃高温下和高温后的抗拉试验。试验结果表明，在600℃高温下和600℃高温后，AASCM胶砂件抗压强度分别为常温时的81.5%和103.5%，AASCM边长70.7mm立方体抗压强度分别为常温时的85.2%和105.5%，AASCM试件抗折强度分别为常温时的44.6%和52.5%，AASCM哑铃型试件抗拉强度分别为常温时的40.1%和48.3%。在800℃高温下和800℃高温后，AASCM立方体抗压强度分别为常温时的61.3%和66.7%。相同尺寸和养护条件下的水泥石立方体抗压强度分别为常温时抗压强度的33%和42%，证明AASCM的耐高温性能明显优于水泥石。通过回归分析，拟合得到AASCM的抗压强度、抗折强度和抗拉强度等各项力学指标随温度变化的计算公式。可知在20℃~200℃高温下，胶砂件和立方体抗压强度随温度升高而降低；200℃~500℃时，抗压强度有所回升，500℃~800℃时，抗压强度随温度升高再次降低。在20℃~400℃高温后，胶砂件和立方体抗压强度随温度升高而增大；400℃~800℃高温后，抗压强度随温度升高而降低。在100℃~800℃高温下和100℃~800℃高温后，40mm×40mm×160mm试件的抗折强度和哑铃型试件的抗拉强度均随温度升高而降低。对比分析可知，高温下AASCM各项力学指标比高温后的略低。采用SEM扫描电镜和XRD衍射分析技术，揭示了AASCM在600℃~800℃之间时，其水化产物—水化硅酸钙凝胶逐渐分解，并伴有镁黄长石生成，物相组成由非晶相转变为晶相，这是AASCM高温力学性能下降的根本原因。（5）为考察高温下和高温后用AASCM作胶粘剂和密封绝氧层时碳纤维布与混凝土间的粘结锚固性能，通过在160mm×160mm×1500mm棱柱体两对面粘贴宽70mm，长225mm至400mm，相邻试件粘贴长度相差25mm碳纤维布条带的20个试件在100℃~500℃高温下的双剪试验，呈现出粘结破坏（混凝土被撕裂剥离，或部分混凝土被撕裂剥离部分胶层滑脱）但碳纤维布未被拉断，碳纤维布被拉断但未发生粘结破坏以及碳纤维布被拉断的同时发生粘结破坏。获得了高温下试件的破坏荷载和锚固长度，拟合得到高温下碳纤维布锚固长度计算公式。可知20℃~100℃高温下，碳纤维布锚固长度随温度升高而增加；100℃~500℃时，锚固长度随温度升高而降低。为考察高温后的粘结锚固性能，通过在160mm×160mm×1500mm棱柱体两对面粘贴宽70mm，长200mm至340mm，相邻试件粘贴长度相差20mm碳纤维布条带的20个试件和长350mm至500mm，相邻试件粘贴长度相差25mm碳纤维布条带的20个试件在100℃~500℃高温后的双剪试验，呈现出粘结破坏但碳纤维布未被拉断，碳纤维布被拉断但未发生粘结破坏以及碳纤维布被拉断的同时发生粘结破坏等破坏形式。在前20个试件中量测了在各级荷载下碳纤维布与混凝土间剪应力的分布和有效粘结长度，获得了高温后相关试件的破坏荷载、有效粘结长度和锚固长度实测值，拟合得到高温后碳纤维布有效粘结长度计算公式和锚固长度计算公式。
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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】：TU37;TU521

【参考文献】