活性粉末混凝土高温蠕变与力学性能研究

发布时间：2020-05-23 20:46

【摘要】：本文主要研究活性粉末混凝土高温蠕变行为和关键力学性能。活性粉末混凝土(RPC)是一种具有超高强度、高耐久性和高韧性新型水泥基材料。RPC性能提升的主要原因是对微观结构的改善。在过去的二十年,RPC因其优越性能,已逐渐应用于民用建筑、核工程和工业建筑。混凝土结构在高温性能对于核工程和民用建筑的火灾下安全评估具有重要意义。因此,RPC高温蠕变行为及其对结构构件性能的影响,是工程界和学术界广泛关注的问题。本文研究主要包括文献综述、试验研究和有限元分析三部分。在文献综述中,收集了RPC高温下/后热工性能、力学性能和应变的试验结果,并与现有规范建议值进行了对比分析。结果表明,关于RPC高温应变及力学性能、高温后RPC力学性能的无损检测方法、高温对RPC微观结构的影响研究较少。本文重点研究钢纤维、聚丙烯(PP)纤维和混掺纤维(钢纤维和PP纤维)对RPC高温蠕变行为和关键力学性能的影响。掺加钢纤维、PP纤维和混掺纤维的不同种类RPC分别被称为SRPC、PRPC和HRPC。试验研究重点是RPC高温蠕变行为、高温下/后力学性能、高温后的微观结构分析。基于不同的高温-力学状态,RPC高温下变形可分为自由热应变(FTS)、短期蠕变(STC)和瞬态应变(TS)。考虑了稳态(恒温加载)和瞬态(加载升温)两种不同的试验方案。稳态试验的目标温度为120℃、300℃、500℃、700℃和900℃。结果表明,STC随着应力水平和温度的升高而增大。STC的增大在石英砂的过渡区域尤为明显。此外,HRPC和SRPC的STC明显高于PRPC和其他类型的混凝土(普通混凝土、高强混凝土)。在250℃以下,FTS和TS的发展非常缓慢。然而,在高温下FTS和TS的数值明显增大。此外,应力水平的增大和钢纤维掺加会导致TS增大。当升温速率在3℃/min到5℃/min之间时,升温速率对TS没有影响。发现掺PP纤维RPC高温蠕变小于掺钢纤维或混掺纤维RPC的高温蠕变。RPC受火3h高温蠕变可达常温下年蠕变的10~33倍。此外,RPC短期高温蠕变明显高于普通混凝土和高强混凝土,这主要是其水泥、石英和钢纤维含量高所致。较系统研究了三种不同纤维掺量RPC在高温下/后的力学性能。具体包括RPC立方抗压强度、轴心抗压强度、劈裂强度、抗弯强度、弹性模量、峰值应变和应力-应变曲线。通过超声波脉冲速度测试(UPV)和共振频率测试(RF)两种无损检测(NDT)技术对高温后RPC力学性能进行了评估。高温下RPC的抗压强度不断降低:温度不高于300℃时,RPC相对抗压强度低于NSC和HSC的相对抗压强度,温度高于300℃时,RPC相对抗压强度高于NSC和HSC。这可能会导致常温下RPC适筋梁在高温下发生少筋破坏。历经最高温度不超过300℃时,高温后RPC抗压强度略微升高,当温度高于300℃时,高温后RPC抗压强度降低。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、MIP分析仪、热重分析(TG)等微观分析手段,研究了RPC高温物理、化学变化和力学性能退化的机理。TG/DSC曲线结果表明:100-250℃时游离水和凝胶水蒸发,500℃左右时CH和C-S-H水合物在开始分解,700-900℃时发生方解石脱碳。在此温度范围内RPC物理、化学变化是导致STC数值明显变大的主要原因。XRD分析表明,在25到35~o之间的主要水合物为C-S-H,CH,C_3A,C_2S,C_3S和方解石。在500℃及500℃以上,C-S-H,CH,C_3A,C_2S,C_3S的峰值逐渐减少。570℃石英砂状态转变,导致STC在此温度范围内明显增大。温度高于400~500℃,TS明显增大,主要是C-S-H高温下分解所致。此外,Ca(OH)_2分解为CaO导致RPC内部孔隙增多,也是导致TS增大的原因。随温度升高,RPC内部孔隙增多。显微照片显示,温度不超过300℃时,RPC微观结构较为致密,这主要是高温产生的水化硅酸钙等所致。当温度超过300℃时,微裂纹增多,水化物分解,石英态转变,内部孔隙增多。基于试验结果,发展了RPC高温蠕变、力学性能及应力-应变关系的计算公式。所提出的公式对于RPC结构的耐火设计具有一定的参考价值。在上述研究基础上,发展了RPC柱抗火性能分析的三维有限元模型,考虑了高温蠕变、瞬态热应变对结构构件变形的影响。结果表明:瞬态热应变和高温蠕变将使轴压柱的变形增大,若忽略其影响,导致柱耐火极限计算偏于不安全。
【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】：2019
【分类号】：TU528.2
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本文编号：2677928