（材料学专业论文）绿色超高性能水泥基复合材料的制备、静动态力学行为及微观机理.pdf

c o m p o s i t e ( g u h p c c ) ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 毋 f o rt h ea c a d e mi cd e g r e eo fo rm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y s h ew e i s u p e r v i s e db y p r o z h a n gy u n s h e n g s c h o o lo fm a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t l l e a s tu n i v e r s i 够 s e p t e m b e r2 0 0 9 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同 ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：金兰1 日期：2 塑星j l 址 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：簧蔓莘乙一导师签名： 摘要 摘要 活性粉末混凝士r p c ( r e a c t i v ep o 、v d e rc o n c r e t e ) 是一种新型超高性能水泥基复合材料 ( u h p c c ) 。本文在国外r p c 材料研究的基础上，采用天然细砂替代国内外r p c 中的石英 粉，通过二元、三元矿物掺合料复合技术，充分发挥超细矿物掺合料的粒径叠加、活性互补 效应，火掺量取代水泥，经过系统的试验和配比优化，改善微集料水泥凝胶、细集料。水泥 基和高强粗集料一水泥砂浆整体的界面区细观与微观结构，成功制备出流动性好、强度高 ( 1 0 0 m p a 2 0 0 m p a ) 、韧性犬、抗爆炸与抗侵彻能力好绿色超高性能水泥基复合材料 ( g u h p c c ) 。 本文分析了矿物掺合料掺量和掺入方式、水胶比、砂胶比、纤维体积分量、粗集料掺入 种类、成型压力与持荷时间对g u h p c c 的流动性能、静态力学性能( 抗压和抗折强度、抗拉 强度、弯曲韧性) 、动态力学性能( 撞击和冲磨) 的影响，对矿物掺合料掺量和掺入方式的 研究表明，二元、三元矿物掺合料掺入方式对g u h p c c 的工作性能有着明显的改善作用， 通过分析水胶比和砂胶比对g u h p c c 的各种性能的影响，确定了最终设计了g u h p c c 制 各基体的最优配合比( 硅灰l o ，粉煤灰1 0 ，矿粉3 0 ) ，最优水胶比和砂胶比分别为o 1 7 和1 2 。对钢纤维体积含量的研究分析表明了钢纤维的加入对g u h p c c 抗压、抗折、抗拉 强度和韧性有着明显的提高和改善作用。另外本文还采用压力成型技术和热水养护制度对 g u h p c c 进行制备，结果表明，这两种技术的应用明显改善了环保型g u h p c c 的力学性能。 在材料优选与优化的基础上在现场制备多系列具有高动态效应和不同材料组成结构的 高与超高性能水泥基复合材料，合理设计靶体尺寸，进行抗爆炸与抗侵彻试验，分析不同系 列高与超高性能混凝土的爆炸与侵彻破坏特性和机理。 本文通过原材料粒径分析、压汞分析、x 射线衍射、s e m 扫描电镜等手段研究了g u h p c c 具有超高性能的微观机理及结构。分析表明通过多元复合超细矿物掺合料，优化了基体粉体 的粒径分布，提高了基体的密实度。x 射线衍射结果显示g u h p c c 基体中的c a ( o h ) 2 和 未水化水泥熟料的含量随着养护温度的提高而减少，这说明提高温度促进了水泥水化、激发 了超细矿物掺合料的火山灰活性，达到优化微观结构、提高基体性能的作用。利用s e m 扫 描电镜技术，观察了g u h p c c 水泥基细集料、水泥砂浆整体一高强粗集料，基体一纤维界面 区。 试验结果充分表明：本文所研制的g u h p c c 各项静态力学性能和动态力学性能优异，具 有高抗冲击、抗震塌、抗侵彻工程防护能力，是一种应用前景j “泛、性价比高、绿色超高性 l n 摘要 a b s t r a c t r e a c t i v e p o 、v d e rc o n c r e t e ( r p c ) i san e w 够p eo fu l 垭卜l l i 曲p e r f o n n 锄c e c 叩c r e t e i nt h j sp 印e r ，b r a v ei i u l o v 砒i o i l sw e r em a d eb a s e do nm ea d v a n t a g e so f p r e v i o u sr p ca b r o a d 6 0 0 岬g r o u n df i n eq u a n zs a n dw a sc o m p l e t e l yr e p l a c e db y 3 n u n 咖lf i n es a i l d b y l em e 龃so f b i 彻r ya l l dt r i n a 巧c 唧o s i t i o no fu l t 胁f i n e i n d u s t r i a l 、岫，ag r e a td e a lo f c e m e n tu pt 05 0 、糯r e p l a c e da n dt l l ea d v 啦e so f f a n u l a rp a c k i n g ，e l e m e n tc o n l p l e m e n t i n ga i l dp o z z o l a l l i ce 彘c tw e r ea c l l i e v e d a 舭r m a n ye x p e r i m e n t san e w 咖eo f1 1 1 柏一1 1 i 曲p e r f o 姗a n c ee c 0 1 0 9 i c a lu l t m1 1 i 曲 p e 而m a i l c ec 锄e n t - b a s e dc o m p o s i t e ( g u 肿c c ) w 硒p r e p a r e 也州c hh a sm e c h a r a c 缸o f9 0 0 dn u i d 时p e r f b n i l 觚c e ，k 曲c o m p r e s s i v ea i l dn e x u r a ls 仃e n g 啦 e x c e l l e n t 趾t i p e 删i o na i l d 砌i e x p l o s i o np r o p e r 毗r e s o u r c ea n de n e 唱ys a v i n ga n d e c o l o g i c a le i i m 啪e n tp m t e c t i o n i l lt h j sp a p e r ，t h ee 行- e c t st h ei 1 1 c o 印o r a t i o no fr n i n e r a la d m i 】( t i l r e s ，t h ew a 伦r - t 0 一 c e m e n tr a t i o ，s 锄dc o n t e 鸲s t e e lc o n t e n tb yv o i 啪e ，s o n so fm ec o a r s ea g g r e g a t e s ， a p p i i c a t i o no fp r e s s u r e 觚dt l l ew 嬲c 证n gc o n d i t i o no nt h ef l u i d 时a l l dm e c h a l l i c a l p r o p e r t i e sh a v eb e e no b s e r v e d t h et e s tr e s u l to ft h em l d yo nt l ! 呛c o m e m 柚d m c o 叩l o m t i o nm o d e lo fm j i l e r 甜m i x t i l r er e v e 甜e dt 量l a tt h em o d e lo fs i l i c a 内i i i l e f l v 嬲h 。s l a gh a dp o t e n t i a lt 0e 伍c i e n t l yi m p r o v e l ep e 面翔蛆i l c eo fg u h p c c a n dt l l e m o s t0 p t 洳mp r o p o r t i o nd e s i 驴i s 仕l es f ( 1 0 ) + f a ( 1 0 ) + s l ( 3 0 ) 1 kt e s tr e s u l to f c h 锄唔i n g 廿1 ec w 锄ds a l l dc o i 哟ma l s os h o w e dt h a tt h em o s ta p p r o p a t ec w 锄ds c i s0 1 7a n d1 2r e s p e c t i v e l y t h c 印p r o p r i a t es 钯e i 舶e rc o m e n tb yv o l u i 】舱h a da b i l i 够t 0d e c r e a s et h en u i d 时 、) i ，：h i l ei tc a i ld i 栅l ye n h a l l c et ：h em e c h 觚i c a lp r o p e n i e s ( c o m p r e s s i v es 吮n g t ha n d t h ed u c t i l i 够) a sw e l l 嬲吐屺o p 血n a la d d i t i o no ft l l e c o a r a g g r e g a t i o ni st l l ei r o n s t o n e t l l et e c h l l i q u e so f 印p l y i n gac o 耐- m i l l gp r e s s u r e 衄t h en e s hc o n c r e t ea i l dt h e w 五衄c 谢n gc o n d i t i o nh a db e 锄印p l i e d 蕾0p r e p a r em eg u h p c ci i lt b j se s s a y ，、砌c h p r o v e d 呦t 1 1 e s em e t l l o dc 趾e m 啪c em em e c l l a l l i c a lp r o p e n i e so ft l l eg p c c p r e v i o u st op r 印a r e 三15 0 m p au l 仃ah i g l lp e r f o m 啪c e 锄d g o o df l u i d i 够c o n c r e t e ， n i 东南大学硕士学位论文 e ) 淅锄e l yl o ww 船b i n d e rm t i om u s tb eo b t a i n e d t h eh y d r a t h l gp r o c e s sa n dn l e p o r el r eo fc e m e n t i t i o l l si i i l a g e a r eq u i t ed i 旋崩l t舶mt t l o s ew h e nt l l e w a t e r - b i n d e rr a t i oi sl l i 曲u s m gq 舳u l a ra n a l y s i s ，m e r c u r c yi n t n l s i o np o r o s i m e t 巧 ( m i p ) ，s c 锄i n ge l e c 仃o n 觚c r o s c o p e ( s e m ) ，x m yd i f 觚t i o n ( x r d ) ，舭h y d r a t i o n p r o d u c t s ，p o r es 伽t u r e ，面c m 锄dm a c r 0s m l c t u r a lf e a t u r ea l l d l e 面c r o m e c h a n i s m o fu l 衄i h i 曲p e r f o 彻a 1 1 c eo fg u h p c cw e r ei 1 1 v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt t l a tt h eg u h p c cp r e p a r e di i lt l l i sp a p e rh a s e x c e l l e n t 蚴i c d y 彻埘cm e c h 锄i c a lc 白e r 觚d 也er e s u l t sa l s os h o wi t se x c e l l e n t a n t i p e n e 觚i o n 粕d 锄t i e x p i o s i o np r o p e r 咿n e s eg u h p c ci sag r e e nu l t m h i 曲 p e o 删ec e m e n _ t i t i o u sc o m p o s i t e 、批c hh a sl l i 曲p e b 册a n c et op r i c e 枷oa n d 丽d e 印p l i c a t i o i l s k 叼刑a r d s ： u n r a1 1 i 曲p e 而册a n c e ，g u 肿c c ，u l 仃a - f i n ei n d l 鼬 a lw a s 钯， f l u i d i 饥s t a _ d c d y n a i i l i cm e c b a i l i c a lc k 瞰l c t e r ，锄t i p e n e t r a t i o np r o p e r 眈锄t i e x p l o s i o n p r o p e r 饥 i i l i c r o m e c h a l l i s m 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i e 录、， 第一章绪论一l 1 1g u h p c c 1 1 2u h p c 研究现状2 1 3 目前研究中存在的问题5 1 4 本课题研究的内容5 第二章g u h p c c 的制备技术8 2 1 g u h p c c 的配错0 原理8 2 2 原材料的优选1 0 2 3 实验方法1 4 2 4 实验方案l8 2 5g u h p c c 的制备工艺2 2 第三章g u h p c c 的流变学分析2 4 3 1 基体的流变学分析2 4 3 2 增强项对流变学性能的影响2 9 3 3 小结3 2 第四章g u h p c c 静态力学性能3 4 4 1抗压强度3 4 4 2 抗折强度4 l 4 3 抗拉强度4 6 4 4 弯曲韧性4 8 4 5小结5 2 第五章g u h p c c 动态力学性能5 3 5 1 混凝土动态力学研究概况5 3 5 2g u h p c c 动态力学实验方法5 5 5 3g u h p c c 抗冲击性能5 6 5 4g u h p c c 耐掩磨性能6 0 5 5g u h p c c 抗冲击性能与耐撩磨性能的关系6 2 5 6，j 、结一6 3 第六章g u h p c c 抗侵彻、抗爆炸性能。6 4 6 1 混凝土抗侵彻、抗爆炸研究概况“ 6 2 试验方案6 5 6 3 抗侵彻试验结果与讨论6 7 6 4 抗爆炸试验结果与讨论7 4 6 5 ，j 、结。7 9 第七章g u h p c c 的微观机理一8 0 7 1 颗粒堆积分析( l s a ) 8 0 7 2 孔结构分析( m l p ) 一8 l 7 3 微观结构分析( s e m 。e d x a ) 8 3 7 4水化产物分析( x r d ) 8 5 v 东南大学硕士学位论文 7 5小结一8 6 第八章实验结论与展望8 7 8 1 结论8 7 8 2 展望一8 8 致谢8 9 参考文献9 0 攻读硕士学位期间发表论文及专利9 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1g u h p c c 从十九世纪2 0 年代波特兰水泥问世直到二十世纪7 0 年代，以硅酸盐水泥为胶凝材料的 混凝：l 二成为土木建筑工程的生要结构材料，虽然已经有了近2 0 0 年的历史，也经历了几次质的 飞跃，但是在一些特殊领域已不能满足现代社会的发展需求【1 l ： ( 1 ) 随着科学技术和生产的发展，现代工程结构向大跨、重载、高耸发展，同时要求其能 在恶劣环境下工作，如高层建筑、跨海火桥、海底隧道、海上采油平台、核反应堆、有毒有 害废物处置工程等。这些混凝二t 工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝 土不但施工性能要好更要耐久性好，使用寿命长1 2 1 。 ( 2 ) 由于混凝土耐久性差而引发的建筑物破坏，使得各国用于维修的费用不断增加。如美 国现存的全部混凝土工程的价值约6 万亿美元，每年用于维修的费用高达3 0 0 亿美元。我国结 构工程中混凝土耐久性问题也非常严重。建设部于2 0 世纪9 0 年代组织了对国内混凝土结构的 调查，发现大多数工业建筑及露天构筑物在使用2 5 3 0 年后即需大修，处于有害介质中的建 筑物使用寿命仅1 5 2 0 年。 ( 3 ) 本着可持续发展的宗旨，必须考虑混凝土材料对环境的影响。传统混凝上排放有害物 质较多，因此，未来的混凝土必须减少污染，更多地利用各种矿物掺合料作为其原材料， g u h p c c 在这种背景下应运而生【3 ，4 5 一。 活性粉末混凝上( r 铋c t i v ep o w d e rc 伽c 眈，简写成i 冲c ) 是一种典型且具有代表性的 g u h p c c ，它是二十世纪末由法国人研究成功的一种超高强、超高性能、耐久性优异的新 型水泥基复合材料7 1 ，特别是在混凝士材料的韧性和延性方面取得了突破性进展可获得 2 0 0 8 0 0m p a 的超高抗压强度，具有3 0 6 0 m p a 的抗折强度，有效地克服了普通高性能混凝 土的高脆性。它由级配石英细砂、水泥、磨细石英粉、硅灰、高效减水剂和昂贵超细钢纤维 组成，在成型、凝结、硬化过程中适当采取加压、加热等辅助工艺制备而成r p c 已经成为一 类新型混凝土，其将混凝土的研究由高性能时代带到超高性能时代嗍。 但是活性粉末混凝土组成需要大量硅灰( 约3 0 ) ，石英粉等超细粉末成本很高，能 耗大，且养护制度严格( 热压养护) ，制备较复杂，不利于现场施工，此外l 冲c 混凝土的收 缩徐变明显，所以本论文在吸收r p c 材料优点的基础上，在吴中伟院士绿色高性能混凝土 ( g h p c ) 概念的指导下【9 1 ，以降低能耗、提高性能、保护环境为宗旨，致力于研究另外一 种绿色超高性能水泥基复合材料( g u h p c c ) ，以推进g u h p c c 在实际工程中的广泛使用。 1 东南大学硕士学位论文 1 2u h p c c 研究现状 1 2 1 国外 8 0 年代初以来，在水泥基复合材料领域先后出现了m d f 、d s p 、u h p c 、r p c 等一系 列新型水泥基复合材料，我们将这些材料统称为超高性能水泥基复合材料( u l t m _ h i 曲 p e r f o m 扑c ec e m 即t - b 弱e dc o m p o s 沁s ，简称u h p c c ) 1 m d f 材料 8 0 年代初，英国牛津大学冶金与材料科学系和帝国化学丁业公司以n m a l f o r d 和 j d b i r c h a l l 博士为代表的科研人员，用高铝水泥、p o r t l 锄d 水泥，掺加一些有机聚合物， 采用热压成型工艺，首先制备出抗折强度高达2 0 0 m p a 的m d f 水泥( m 姗d e 触f r e e c e m e n t ) ，并在实验室制备出了不同颜色和规格的板材、棒材、管材、弹簧、层压板、盘子 与唱片等f 1 0 1 1 ，1 2 1 。 2 d s p 材料 1 9 8 2 年b a c h e 等人第一次报道了d s p 材料，它的全称为高致密水泥基均匀体系 ( d e n s i f i e ds y s t e mc o n t a i n i n gh o m o g e n e o u s l ya m n g e du l 妇f m ep a 币c l 部) 。该材料为7 0 8 0 水泥和2 0 3 0 平均尺寸只有0 1 o 2um 的超细材料组成的致密和高强的胶结材料。应 用高效分散剂使超细颗粒材料在水泥颗粒间的孔隙中均匀分布，从而保证了水泥紧密地堆 积，d s p 材料的抗压强度可达到3 4 5 m p a 【1 3 ，14 1 。 3 u h p c 材料 日本三菱材料株式会社开发了一种超高强、耐磨的混凝土，使用硅灰、高性能减水剂、 特殊的天然骨料，成型后蒸养1 6 小时脱模、混凝土脱模强度达1 4 0 m p a 。按照a s t m c 6 6 6 方 法进行抗冻实验，重量损失小于0 2 ，耐久性系数o 9 7 ：此外耐磨耗性明显提高，按雷氏磨 耗实验法测定，耐磨性比普通的混凝二i ：提高l o 倍1 5 j 。 4 i t p c 材料 活性粉末混凝土( r e a c t i v ep o w d e rc ( ，n 吮钯，缩写为r p c ) 是续高强度，高性能混凝土 之后，于二十世纪末由法国布伊格( b o l i y 目燃) 公司研究成功的超高强、低脆性、耐久性优 异并具有广阔应用前景的新型超高强混凝土。它是由级配良好的石英细砂( 不含粗骨料) 、 水泥、石英粉、硅粉、高效减水剂等组成，为了提高l 砷c 的韧性和延性可加入钢纤维。在 r p c 的凝结、硬化过程中可采取适当的加压、加热等成型养护工艺。由于其成分中粉末的含 量和活性的增加而被称为活性粉末混凝土。 国际上的r p c 材料有两大系列，一是r p c 2 0 0 ，二是r p c 8 0 0 ，r p c 8 0 0 的性能已能与金 2 第一章绪论 属材料媲美，与高分子材料抗衡了，但其生产工艺复杂，能耗高，难以向工程化和产业化转 换，相比之下r p c 2 0 0 则显示出更美好的发展前景【8 l 。 国外对g u h p c c 的研究已经比较成熟，尤其是对r p c 的配制技术的研究，众多科学 家研究了其养护制度，粉末含量，不同的纤维掺量，不同配合比对r p c 混凝土试件的力学 性能，耐久性，抗冲击性能等的影响，这些多为g u h p c c 这种新型材料的发展做出了贡献。 i抛蛳馕i 撇删i 纛蠢厅精 豳1各种混凝试件的力应变曲线重2 普通砂浆和蹴2 切口粱三点弯曲茧线 为了探明进行r p c 材料工业生产的可行性，加拿大于1 9 9 4 年1 0 月作了两批实际生产 试验1 1 6 l 。试验的各种典型应力应变曲线如图1 所示，并同无纤维高性能混凝土和普通的混 凝土应力应变曲线进行了比较。从图中可见，同普通混凝土和高性能混凝土比较起来，l 姆c 材料不仅强度极火提高，而且延性也得到很大的提高。通过小批量试验，证明了工业生产 r p c 材料的可行性。目前加拿大可在常规的混凝土生产工艺条件下工业生产2 0 0 m p a 级的 r p c 材料。 o l i v e rb o n n e a u 【1 7 1 对普通砂浆和r p c 2 0 0 切口梁三点弯f n l 的性能进行了研究，其挠度与 等效弯曲应力关系曲线如图2 所示。由该图可见，i u c 具有很好的韧性和延性。加拿大 s h e r b r 0 0 k e 采用r p c 2 0 0 建造了世界上第一座r p c 步行桥( 圣布鲁克步行桥，图3 ) ，该桥 不仅强度高、耐久性好，而且水泥用量降低4 0 ，初级能耗减低4 9 ，c 0 2 排放降低5 3 ， 结构自重减少l 2 2 3 ，且制备工艺简单，有自流平特征1 1 8 l ；法国b o u y g u e s 公司与美国 陆军工程师团合作，进行了r p c 材料制品的实际生产，合作生产的i 冲c 制品包括：大跨度 预应力混凝土梁、污水处理构件、压力管道及放射性固体废料储存容器【1 9 】；在欧洲，跨越 克罗地皿的b a k a r 海峡的座4 3 2 m 的活性粉末混凝土拱桥正在设计中；在加拿大及北美 地区，以著名的l a f a r g e 公司为首的r p c 应用项目研究组目前正致力于建筑墙体、桩基、 抗震构件以及桥梁结构的开发；在韩国采_ jd u c t a l 制成了仙游步行桥( 图4 ) 。 3 算鳟 船 翰 播矗 它l，弋， 东南大学硕士学位论文 图3 圣布鲁克步行桥，加拿大图4 仙游桥，酋尔，韩国 1 2 1 国内 相比国外的研究，我国对r p c 混凝土的研究起步较晚，国内近几年才开始l 冲c 的研究， 目前还没有工程应用实例国内研究者结合我国h p c 的制备技术及经验，选择了水泥一粉煤灰 硅粉三组分胶凝材料体系。从1 9 9 7 年以来，我国清华大学、中南大学、同济大学、东南大学、 湖南大学、福州大学等科研机构的学者就粉末混凝土领域进行了积极探索。开展了人量的试 验室研究，并就其机理进行了讨论。 清华大学在参考外国资料的基础上，在水泥基体中复合使用了粉煤灰，在减少硅灰用量 的同时，降低了粉末混凝土成本等方面作了尝试。并配置出了抗压强度达2 3 0 m p a 的试件， 抗折强度达2 0 0 m p a 的粉末混凝土材料，他们还对钢管粉末混凝土材料的力学性能进行了初 步研究口1 1 。 同济大学研究了磨细粉煤灰、磨细矿渣、砂灰和钢纤维以及养护温度和龄期对粉末 混凝二l 材料强度的流动性影响规律，并探讨了不同条件下收缩龄期的变化，分析了其自收缩 与干缩的关系。在常规的制作j r 艺和蒸汽湿热养护条件下，配置出了抗压强度达2 4 0 m p a ， 抗折强度达4 0 m p a 的混凝上材料。 湖南人学试验研究了原材料品种、性质及配合比对r p c 的强度的影响。并且在未掺 钢纤维的情况下，配制出了流动性好，高温养护下抗压强度为2 2 9 m p a 的i 冲c ，在掺钢纤维 的情况下，r p c 的抗压强度高达2 9 8 m p a 。研究发现热养护有利于提高混凝土的抗压强度， 然而热养护后静置室内或浸入水中抗压强度均有倒缩现象。 东南大学冽选用超细粉煤灰、超细高炉矿渣、硅粉以及煅烧超细高岭土和硅酸盐水泥 制备r p c 材料的基材，采用多元复合的技术线路，运用纤维增强水泥基复合材料的原理混 合了设计理论，通过火量试验，找出最优配比，在现有的技术和条件下，成功制备了抗压强 度达2 0 0 m p a 的r p c ，并结合市政府的工程的需要，还利用此材料制备出了井盖。 4 第一章绪论 在j 程应用方面，除了上述应用于青藏铁路中的超高强、超高耐久性的i 冲c 材料以外， 在北京市五环路石景山转体斜拉桥隔离带，采用了形状尺寸为2 0 0 0 1 2 0 0 6 0 咖的无配筋 r p c 空心板，板内有直径为4 0 m m 的圆孔可切、可锯。材料抗压强度为1 4 0 m p a 、抗折强度 为1 4 m p a l 2 5 1 。 1 3 目前研究中存在的问题 ( 1 ) 原材料的成本 i 冲c 的所选用的原材料成本高。能耗大，细石英砂，石英粉，硅灰的掺入、高效减水 剂和钢纤维的使用以及较高的成型和养护条件，都提高了的生产成本，阻碍了超高性能混凝 土的推广和使用。所以，寻找较廉价的掺合料来优化替代昂贵的组分，形成工艺简单、成本低 廉的生产线，仍然是今后需要改善和加强的方向，只有这样，超高性能混凝十在实际施工过 程中的应片j 才能变得切实可行。 ( 2 ) 成产工艺和设计标准 工厂化的生产工艺的研究是u h p c c 具备超高性能的重要保证，也是得以在土木工程中 的推广和应用的重要前提，但是国内外对此的研究很少。此外，尽管国内对超高性能混凝土 的力学性和耐久性已经有一定的研究，但是国内没有明确的设计指标。一般说来，现行的测 试手段、测试标准对超高强度、超高性能水泥基复合材料有很多不适应的地方，有时候往往 还会存在一定的误差，就拿养护来说，由于掺入了较多的活性矿物掺合料，当混凝士龄期到 2 8 d 时，强度并未得到充分发展，到5 6 d 、9 0 d 时增长趋势仍然明显，因此，混凝土强度设 计规范以2 8 d 强度作为设计依据不是很合理，有必要以5 6 d ，甚至是9 0 d 强度作为设计依据。 ( 3 ) 性能缺陷 由于超高性能混凝土的水胶比低( 郢2 0 ) ，且又采用热养护制度，自身收缩大，而且 u h p c c 施工过程中，施工人员的技术水平有限，养护措施不到位，使u h p c c 的密实性和 质量不稳定。所以国外在使用l 冲c 混凝土的时候要先在预制厂生产预制构件，这样，在实 际的结构工程中，其运用会受到限制。所以在u h p c c 的制备过程中，一定要注意拌合物的 工作性。 1 4 本课题研究的内容 本课题主要是在国内外超高性能活性粉末混凝土( r p c ) 的研究基础上，结合国内的实际 5 东南大学硕士学位论文 情况，应用常见原材料，依据不同要求，制备与研究不同超细矿物掺合料掺入方式、纤维掺 量、水胶比等对不同基体强度等级( 1 0 0 m p a 2 0 0 m p a ) 的超高性能纤维增强水泥基材料的 强化与韧化效应。系统研究其增强、增韧与阻裂机理及准静态力学行为，经分析对比和优选 与优化形成系列化高与超高性能水泥基复合材料。采用先进的复合技术和复合理论，综合考 虑施工性能、力学性能和动态性能，制各出不同防护要求的抗压强度为1 0 0 m p a 2 0 0 m p a 大范围的系列化、多层次高性能防护工程新材料，这种材料不仅具有高抗冲击、抗震塌、抗 侵彻能力，而且具有优异的施：1 二性能和经久不衰的耐久性能，能满足不同防护要求的水泥基 复合材料本课题研究内容如下： 1 4 1 原材料的优选与优化 充分发挥活性掺合料( 粉煤灰和矿粉) 本身的物理化学和力学性能优势及其与水泥基体 的物理与化学界面结合效应和优势【2 6 ，”，2 8 1 ，达到节省资源、节省能源、保护生态环境、延 长服役寿命、走生态化道路的目的。在充分发挥粉煤灰微集料效应的同时，使其能取代 3 0 5 0 水泥熟料，充分利用5 咖天然黄砂以及最大粒径牛2 0 m m 的粗集料( 玄武岩石 子、铁矿石、钢块) ，经合理的组分配制，制备出抗压强度达1 0 0 m p a 2 0 0 m p a 的超高性能 水泥基复合材料。提高g u h p c c 材料的增韧和阻裂能力，依据不同工程要求采用适度的纤 维增强技术，综合考虑工作性，以最小的纤维体积掺量，获得最佳的增强、增韧与阻裂效应。 1 4 2g u h p c c 的制备技术 l 基体材料配合比的优化 首先，通过实验分析研究粉煤灰，硅灰，矿粉等的不同掺量和掺加方式对g u h p c c 的 流动性和力学性能的影响，建立流变学和力学强度与组分种类、掺量之间的关系方程，并由 此确定g u h p c c 基体材料的最优配合比。 2 掺增强项后配合比的优化 掺入增强项，并根据流动性和力学性能分析研究g u h p c c 的最优配合比， ( 1 ) 在确定的最优基体材料配合比的基础上，掺入不同掺量的天然河砂根据流动性和 力学性能确定最优砂胶比。 ( 2 ) 在已经确定的最优基体材料配合比和砂胶比的基础上，添加不同体积分数掺量的 钢纤维，根据流动性和力学性能确定钢纤维的最优掺量。 ( 3 ) 在已经确定的最优基体材料配合比，砂胶比和纤维体积含量的基础上，分别掺入 6 第一章绪论 玄武岩、铁矿石和钢块这三种不同种类的高强粗集料，最后根据流动性和力学性能分析确定 最适宜的粗集料种类。 3 高压成型以及高温养护 根据上述试验步骤，确定最优的配合比、砂胶比、纤维体积分量、粗集料的掺入种类， 通过高压成型和高温养护制备出系列化、多层次超高性能水泥基复合材料。 1 4 3 静态力学行为分析 研究不同强度等级( c 1 0 0 c 2 0 0 ) 超高性能水泥基材料的静态力学行为( 轴压、轴拉、 弯曲、韧性) 及其随养护时间的演变规律。 1 4 4 动态力学行为分析 通过落锤法和撞磨法研究掺合料掺入方式、水胶比、纤维掺量对g u h p c c 动态力学性 能的影响。 1 4 5 抗爆炸、抗侵彻性能现场试验与分析 在材料优选与优化的基础上选取多系列具有高动态效应和不同材料组成结构的钢纤维增 强混凝土材料，合理设计试件尺寸以高能炸药和高速穿甲弹进行抗爆炸和抗侵彻试验，分析 不同系列高与超高钢纤维混凝土的爆炸、侵彻破坏规律特性并分析机理。 1 4 6 微观机理研究 我们研究的高性能水泥基复合材料水胶比非常低( 0 1 l o 2 1 ) ，成分非常复杂( 砂子、 纤维、粗集料) 成型方式也与普通混凝土材料大大不同( 模压高温) ，所以分析其微观增强、 增韧机理用于指导实践很重要。国内外对这方面的研究也很少。所以我们通过粒度分析仪、 x r d 、s e m 、m i p 等分析其增强、增韧与阻裂微观机理。 7 程度上借鉴 孔隙与微裂 料平均粒径 黜混凝土 塞了骨料的 和孔隙相的 骨料的线膨 胀系数的差异) 、化学上( 化学收缩性质的差异) 匀质性极差的材料，这是普通混凝土的致命弱 点。砌混凝土通过采用下列方法改进匀质性： 用细骨料代替粗骨料； 提高浆体的密实度进而提高浆体的力学性能； 降低骨料与浆体的体积比。 ( 2 ) 通过诸多措施提高堆积密实度 通过最人密实度理论，选择若干粒径的粉体与骨料，并进行最密实级配计算，获得 高密实级配； 通过采用高性能减水剂，降低水灰比，提高水泥石的密实度； 采用超细高活性矿物掺合料( 即硅粉) 改善胶凝材料体系的密实度，同时利用该材 料的火山灰作用，提高水泥石的密实度与均匀性； 采用高频率振捣措施 ( 3 ) 改善微观结构 r p c 采取低水灰比拌制活性组分，使极细小的粒子以及反应生成的水化物填充沉积在水 泥凝胶孔及微裂缝之中，缩小了孔径，改变了孔形孔貌，同时在混凝上凝同后进行热养护可以 8 第章g u h p c c 的制备技术 大大改善其微观结构。采用9 0 的热养护可显著加速火山灰反应，同时改善水化物形成的微 观结构，但这时候形成的水化物仍是无定形的，只能用于制作r p c 2 0 0 ；若采用2 5 0 4 0 0 的干热养护使水化生成物c s h ( 水化硅酸钙) 凝胶体大量脱水，形成硬硅钙石结晶，可获得 r p c 8 0 0 【2 9 1 。 ( 4 ) 提高水泥浆强度 怎样尽可能减少水泥浆中的空隙是一个亟待解决的问题。其有效的方法是降低水灰比。 为此加大包括水泥在内的粉体、骨料混合体的最大填充密实性是很必要的。r p c 混凝j ：为取 得最佳填充性能，采用了硅灰和微细石英等活性超细粉进行粒度分布的调整，改善微观结构， 提高密实度，从而提高强度。使用了高效减水剂，竭力减少搅拌时的用水量，降低水灰比。 ( 5 ) 掺入钢纤维以提高韧性 未掺钢纤维的r p c 的受压应力应变曲线呈线弹性变化，断裂能低，破坏时呈明显的脆性 破坏，掺入钢纤维可以提高弯折强度，提高韧性和延性。r p c 使用的钢纤维，直径为0 1 5m m 0 18m m ，长3i n m 1 2m m ，是一种短细纤维，掺量为2 6 ( 体积) 。不掺钢纤维的r p c 灌入 钢管形成钢管i 冲c ，则i 冲c 受到钢管的有效约束，而钢管具有很强的抗剪和抗扭能力，通过二者 的结合，可以有效地克服不掺钢纤维i 冲c 脆性大和延性差的弱点。 ( 6 ) 压力成型 施加压力有着以下三项促进作用： ( a ) 减少混入的空气量 施加压力可以在短短几秒内以一定程度减少拌合基体中混入的气泡。 ( b ) 去除过量水分，如果对新拌混凝土施加的压力持续几分钟，由于成型试件并不是 完全水密的，多余的水会通过成模试件的空隙排出。而这些空隙应该足够得窄，以使得其中 的极细同体不致随水渗出。达到此目的很简单，需要把金属模上的渗水层取来，并直接通过 肉眼检查一下，是否水足够的清澈而没有被过多的渗出质混浊。给r p c 设置一个较低的水灰 比进行拌合的结果是很可观并且有意义的，这使得其相对压实密度有了2 的增长。渗出的 水分一定是来源于试件内部的，渗水的效果主要取决于试件的大小，以及渗水点的位置。 ( c ) 补偿化学收缩 如果施加的压力在混凝土的凝固阶段一直维持着，特别是在混合后的6 至1 2 小时，由于 化学收缩在试件中引起的孔隙会被部分地消除。 通过拆模后对于其动弹性模量的测定可以推断出：在凝尉过程中施加的压力会导致试件 中的微裂纹。而这些微裂纹的形成机理在于，由于在凝固过程中施加的压力，使得试件中的 9 与水泥浆体的界面过渡区变得小而薄。 添加了多种矿物掺和料，一定程度上消除了界面效应：利用矿物掺合料的胶凝性或火 山灰性，将混凝土中尤其是浆体与集料界面处的人量的氢氧化钙晶体转化为对其强度和致密 性更加有利的c s h 凝胶，改善界面缺陷，提高混凝土的强度； 运用高压成型和热水养护等措施来降低界面效应的影响 ( 2 ) r p c 混凝土选用了造价昂贵的细石英砂和石英粉，目的是为了提高体系的匀质性 和堆积密实度，但是这无疑会提高其成本。因此本课题中选用的国内比较普遍使用的天然河 砂和少量硅灰( 1 0 ) ，掺加大量的粉煤灰和矿渣粉，不但降低了u h p c c 的成本，而且 由于硅灰粉粒径细，具有良好的填充作用，同时硅灰的活性很高，有助于提高