（材料学专业论文）生态型rpc材料的力学行为、耐久性及微观机理研究.pdf

东南大学项土学位沦文 生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 摘要 活性粉末混凝土r p c ( r e a c t i r ep o w d e rc o n c r e t e ) 是一种新型超高性能混凝土。本文 在保留国外r p c 材料优点的基础上大胆创新，以5 0 6 0 的超细工业废渣取代水泥用粒 径为3 a m 的天然黄砂取代粒径为6 0 0 9 m 的磨细石英砂，采用超细1 业废渣多元复合技术， 充分发挥超细工业废渣闻的粒径叠加。成份互补效应。经大量试验优化出三个系列节省资 源、节约能源、保护生态环境的超高性能生态型活性粉末混凝土( e c o r p c ) 。 本文系统研究了各配合比e o r p c 在三种养护制度( 标准养护、9 0 c 热水养护、2 0 0 高压养护) 下的静载力学性能( 抗压与抗折强度、弯曲韧性、界面粘结强度、断裂能、泊 松比和弹性模量) ，充分揭示了e c o r p c 优异的力学行为和钢纤维对e c o r p c 增强、增韧与 阻裂的功效。研究表明养护制度和纤维掺量对e c o - r p c 的各项力学性能有显著影响，随着 养护温度的提高和纤维掺量的增加，其力学性能不断提高。标准养护2 8 d 时，e c o r p c 的 强度较其它两种养护时的强度低，但随着标准养护龄期的延长，超细工业废渣火山灰效应 的不断发挥，9 0 d 和1 8 0 d 龄期时e c o - r p e 的力学性能达到甚至超过了另两种养护制度f 的 性能指标。采用霍普金森杆方法研究了高速冲击下应变速率对e c o - r p c 力学性能的影响， 结果显示，随着应变率的提高，e c o r p c 的破坏应力及破坏应变显著增长应力一应变曲线 所包国的面积不断增大。 本文研究了e c o - r p c 的长期变形性能及耐久性( 抗冻性、耐腐蚀性、抗碳化性) 。e c o - r p c 基体的干燥收缩率随基体强度等级的提离而减小，通过加入体积率为3 超细钢纤维， e c o r p c 的干燥收缩率较r p c 基体减少了3 0 4 0 。e c o - r p c 具有超高的耐久性7 0 0 次 冻融循环后，其相对动弹性模量损失最少的不超过1 ，重量损失为零。经过1 8 0 d 高浓度 卤水浸泡后，e c o r p c 的相对动弹性模量损失最少的不超过2 ，重量损失为零，试件外观 完好无损。9 0 d 快速碳化试验后，e c o r p c 的碳化深度几乎为零。 通过原材料粒径分析、x 射线衍射，环境扫描电镜等手段研究了e c o r p c 具有超高性 能的微观机理及结构形成全过程。分析表明通过超细工业废渣的多元复合，优化了基体的 粒径分布，提高基体的密实度，x 射线衍射结果显示了e c o - r p c 基体中c a ( o h ) 。和未水化水 泥熟料的含量随养护温度的提高而减少，这说明提高温度促进了水泥水化、激发了超细工 业废渣的火山灰活性，达到了优化微观结构、提高基体性能的作用。利用环境扫描电镜技 术，观察了e c o - r p c 基体从加水搅拌到标准养护9 0 d 后结构形成的仝过程，并观察了r p c 基体与超细钢纤维界面随龄期变化的情况。 试验结果充分表明：本文所研制的e c o - r p c 各项静态力学性能达到甚至超高国外的r p c 材料，动态力学性能优异，耐久性能极高，是一种应用前景广泛、性能价格比高、绿色超 高性能的水泥基复合材料。 关键词：超高性能，生态r p c ，超细工业废渣，钢纤维， 静载力学行为，动载应力 应变曲线，耐久性，环境扫描电镜，微观机理 东南人学颤j 学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性发微观帆理研究 a b st r a c t r e a c t iv ep o w d e rc o n c r e | e ( r p oisan e wt y p eo fu j l r a h i g h 1 ( j 1 1 f o r 9 1 a n c eg o u c r e t c 。 i nt h isp a p e r ，b 1 1 a v ein n e v a t i o n sw e l e 1 a d eb a s e do nt h ea d v a n t a g e so f p r e y i ( ) u nr p c 5 07 6 0 c e m e n tw a sr e p l a c e db yu 】l r a l i n ei n d u s l f i a lw a s t e ，6 0 0u9 1 g r o u n di in eq u a t l z s a n dw a si o t a 】y r e p l a c e db y3 9 1 mn a t u r a lf i n ea g g r e g a t e s b yt h em e a n so fb i n a r ya n d t r i n a r yc o m p o s i t i o no fu l t r a f i n ei n d u s t r i a l w a s t e ，t h ea d v a n t a g e so fg r a n u l a r p a c k i n ga n de l e m e n tc o m p l e m e n t i n gw e r ea c h i e v e d a f t e rm a n ye x p e r i m e n t st h r e et y p e s o fu l t r a h i g hp e r f o r m a n c e e c o l o g i c a lr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ( e c o - r p c ) w e r ep r e p a r e d ， w h i c hh a s t h ec h a r a c t e ro f r e s o u r c ea n de n e r g y s a v i n ga n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n i nt h i s p a p e r ，t h es t a t i c9 1 e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fe c o r p c ( f 】e x u r a ia n d c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，f l e x u r a lt o u g h n e s s ，i n t e r f a c i a lb o n d s t r e n g t h ，f r a c t u r ee n e r g y ， e l a s t i c a lm o d u l u s ) w a s s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e du s i n g t h r e ec u r i n gc o n d i t i o n s ( s t a n d a r d c u r i n g ，9 0 。cw a t e rc u r i n g ，2 0 0o ch i g hp r e s s u r ec u r i n g ) t h ee x c e l l e n tm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c eo fe c o r p ca n dt h er e i n f o r c e m e n to fs 9 1 a ll s i z es t e e lf i b e r so ne c o - r p c w e r ef o u n d t h r o u g hh o p k i n s o nc o m p r e s s i o nb a re x p e r i m e n t ，t h ee f f e c to fs t r a i nr a t e o ne c o r p c9 1 e c h a n i c a b e h a v i o u rw a s s t u d i e du n d e r i 9 1 p a c ti o a d i n g 。1 1 h el o n gt i m e d e f o r m a t i o no fe c o r p ca n di t sd u r a b i l i t y ( f r e e z e t h a w c y c l e ，c o r r o s i o n ，c a r h o n a t i o n ) w e r es t u d i e da l s o x i a n u s i n gg r a n u l a r a n a l y s i s ，x - r a yd i f f r a c t i o na n de n v i r o n m e n t a l e i e c t r o nm i c r o s c o p y ( e s e m ) t h em i c r o 一9 1 e e h a n i s 9 1o fu l t r a h i g hp e r f o r m a n c eo fe c o - r p c a n di t ss t u c t u r ef o r m i n gp r o c e s sw e r e i n 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 h a tt h es t a ti c m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fe c o - r p ci sa sw e l1a so rh i g h e rt h a nt h a to f p r e v i o u sr p c r e s u l t sa l s os h e wi t se x c e l l e n t d y n a m i cm e c h a n i c a lc h a r a c t e ra n du l t r a h i g hd u r a b i l i t y e c o - r p cisa g r e e nu l t r a h i g h p e r f o r m a n c ec e 9 1 e n t i t i o u sc o m p o s i t ew h i c hh a sh i g hp e r f o r m a n c et op r i c er a t i oa n dw i d e f u t u r ea p p li c a t i o n s ， k e y w a r d s ： u l t r a h i g hp e r f o r m a n c e ， e c o l o g i c a lr p c ，u l t r a - f i n ei n d u s t r i a lw a s t e s t e e lf i b e r ，s t a t icm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c e ，d y n a m i cs t r e s s s t r a i nc u r v e ，d u r a b i l i t y e s e m ，口i c r o - m e c h a n i s m y6 9 4 4 5 l 东南大学学位论文独创性声明及使用授权的说明 一、学位论文独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究t 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 5 而使用过的材 料。与我一同工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井表示 了谢意。 签名 二、关于学位论文使用授权的说明 日期 ；，呼v 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 件和屯子文档，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 纸质论文的内容相一致。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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 签名：要灶导师签名 日期：逆塑! ：生：皇! 缈 东南大学硕士学位论立生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 i i 生态混凝土 第一章概述 建筑材料是应用最广、用量最多的材料，主要包括水泥、混凝土、建筑玻璃、建筑装 饰装修材料等。长期以来，人们生产与使用传统建树，只考虑其使用性能，两忽视其对生 态环境与社会发展的影响。传统建材在生产过程中不仅消耗大量的天然资源和能源还向 大气中排放大最的有害气体( c 0 2 、s 0 2 、n o ，等) ，向地域环境排放大量固体废弃物，向水 域环境摊教人量污水。某些建筑装馋装修材料在使用过程中释放出对人体有害豹挥发物。 建筑物拆除后，废弃的建筑材料通常不再利用，成为又一环境污染源m 。、n ”。 进入2 l 世纪以来，地球环境问题变得越来越严重，因此建筑材料不仅要求其使用性能， 还必须考虑其环境协调性，开发生产对于建材工、监的可持续发展和环境保护具有重要意义 的生态建材( e c o l o g i c a lb u i i d i n gm a t e r i a l ) 。生态建材就是赋予优异环境协调性的建筑 材料，故又称环境协调建材( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sb u i l d i n gm a t e r i a l ) 。生态建 材有如下主要特点： ( 1 ) 具有优异的使用性能； ( 2 ) 生产时少用或不用天然资源，大量使用废弃物作为再生资源； ( 3 ) 采用清洁的生产技术，废气、废渣和废水的排放量相对较少； ( 4 ) 使用过程中有益于人体健康、有利于生态环境改善及与环境相和谐； ( 5 ) 废弃后使之作为再生资源或能源加以利用，或能作净化处理。 目前，国内外生态建材的研究开发十分活跃，主要内容有生态承泥、生态涡凝土、生 态玻璃、生态陶瓷、生态装饰装修材料等。 混凝士是用量最大的建筑材料。可是混凝十的生产消耗大量的资源和能量。其主要原 料水泥在生产时排放出大量c o 。是造成地球温室效应的主要原因。每年还有大餐的概凝十 建筑物囡各种原因要拆除，废弃物又难以处理。因此，混凝土作为2 l 世纪的建筑材料，必 须考虑其与环境的协调性。 生态混凝士可分环境负荷降低型生态混凝土和生物对应型生态混凝士两类。 1 环境负荷降低型生态混凝 所谓环境负荷降低型生态混凝土是指能降低地球环境负荷的混凝土。降低环境负荷的 羔塑叁兰塑! ：兰丝堡苎兰查型! 鉴塑! ! 塑生兰! ! 垄：堕叁堡丝壁些垫些竖一 术途释卡要有以f 二条。 ( 1 ) 降低制造时的环境负荷。1 - - 要通过州体废卉物的阿生利h j 实现。例如 本秩父小鲥 田水泥( 林) 利川城市垃圾焚烧灰、r 水道污泥羽li 业废弃物佧原料生产的生态水怩。再如 利心粉煤灰、矿渣等1 业剐产物、抛合生产混凝l ：，有利 惯省资源、废弃物处理霸l 抑制o o ： 排放量。义如再生混凝十是将废弃的泄凝七破碎后作为骨料使_ l | j ，这样可以有效地解决废弃 物、骨料资源蒋问题。 ( 2 ) 降低使用时的环境负荷。例如通过提高泄凝七的耐久性来提高建筑物的寿命，或通 过优化设计、加强管理来提高建筑物的寿命。混凝七建筑物的使用寿命延长了就相当于市省 了资源、能源减少了c 0 ，排放_ 量。 ( 3 ) 利j 【 j 混凝十降低环境负荷。这种技术途径是利用混凝十自身所具有的降低环境负荷 的能力米降低周围环境的负荷。例如目前研究较多的多孔混凝土，通过控制不同的空隙特性 和不同的空隙量，使混凝土具有不同的性能，如透水性、吸音性、蓄热性、吸附气体的性能。 2 生物对应型生态涅凝土 生物对应型生态混凝十是指能与动植物等生物和谐共生的混凝土。根据用途可分为植生 开! ! 生态混凝十、海洋生物对应型生态概凝十、淡水生物对应型生态混凝十以及净化水质用混 凝 ：等。 ( 1 ) 植生剂生态混凝十是利_ j 多孔混凝十的空隙部透气、透水，能渗透植物所需营养、 生长植物根系这一特点来种植小草、低的灌木等植物，f l j 于河川护堤的绿化、美化环境。 ( 2 ) 海洋生物、淡水生物对应犁混凝十是将多孔混凝士设置在河川、湖沼和海滨等水域。 止陆生和水生小动物附着平【j 栖息在其凹凸不平的表面或连续空隙内，通过相互作用或共生作 f = 形成食物链，为梅洋生物和淡水生物提供良好条件，保护生态环境。 ( 3 ) 净化水质用混凝士是利用多孔混凝士外表面对各种微生物的吸附，通过生物层的作 抖 间接净化水质这一特点，将其制成浮体结构或浮岛设置在富营养化的湖沼内以净化水质， 使草类、藻类生长更加繁茂，从而保护生态环境。 1 2 r p c 的研究现状及存在问题 r p c ( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e l e ) 是一种新型超高强的水泥基复合材料，具有先进的 力学性能，优越的物理特性，空前的延性和极低的渗透性。r p c 是由普通的混凝士材料配制 而成，这些材料具有特定的化学成分、颗粒尺寸和水化能力。r p c 的原材料可以在一般的施 2 东南大学硕l ：学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 e ：环境中混合和放置，并能适应特别的浇注要求。 r p c 是法囤的b o u y g u e s 公司在九十年代初首先发明的。加拿大s h e r b r o o k e 人学的混 凝r 学会主任p ie r r ec l a u d eh it c i n 致力于将r p c 从实验宝转移到应用中，从而在加拿大 魁北克省的s h e r b r o o k ei f j hr p c 建造了一座步行及白行车两用桥。b o u y g u e s 公司是这座 桥梁的主要设计者”“”。 r p c 的基本原理包括： ( 1 ) 去除粗骨料，将砂的j t 寸控制在6 0 0 u 以内，掺加超细活性s 。0 2 微粉，改善匀质 性： ( 2 ) 加入超塑化剂，降低水灰比，通过优化颗粒级配及在凝固前和凝固过程中对混凝 十施加压力，增加密实度； ( 3 ) 硬化后通过热处理来改善混凝土的微结构： ( 4 ) 加入微细钢纤维提高混凝土的延性和韧性。 按前三种原则可以配制出超高强度的水泥基体，但其脆性极大，必须加入微细钢纤维 方能获得商韧性和延性，并充分发展r p c 的特有优势。 r p c 根据组分和配制条件的不同分为r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 两种。典型的r p c 2 0 0 和r p c 8 0 0 的主要力学性能分别列于表卜i 、表1 - 2 。对于r p c 2 0 0 ，标准养护2 8 d 的抗压强度可达 1 7 0 m p a ，9 0 。c 热养护的抗压强度可达2 3 0 l p a 。抗弯强度和断裂能随纤维掺量提高而提高。 r p c 2 0 0 的最大抗弯应力( 5 0 l p a ) 为初裂应力( 2 5 肝a ) 的2 倍，在最大应力处的挠度约 为初裂处的1 0 倍。r p c 2 0 0 的断裂能为3 0kj 舻，而普通砂浆为0 1 1kj i l l 2 故r p c 具有很人的弯曲应变和很好的延性行为。 在r p c 8 0 0 中用长度3m 的钢纤维代替长度1 2t o m 的钢纤维，其他组分与r p c 2 0 0 相同。 混凝土凝固前和凝固过程中对其施加5 0m p a 的压力热处理温度达2 5 0 。c 4 0 0o c 。若 崩钢骨料代替右英砂可使抗压强度达8 0 0m p a 。 表卜1r p c 2 0 0 的力学性能 力学性能数据 厕柱体抗j 卡强度( m p a ) 抗弯强度( m p a ) 断裂能( kj 一) 杨氏模量( g p a ) 破坏应变( 一1 ) 1 7 0 2 3 0 3 0 6 0 2 0 4 0 5 4 6 0 5 1 0 3 7 1 0 3 东南入学硕叶：学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 表卜2r p c 8 0 0 的力学性能 力学性能数据 抗压强度 硅质集料( m p a ) 钢质集料( 肝a ) 抗弯强度( m p a ) 断裂能( kj ，m 2 ) 杨氏模量( g p a ) r p c 不仅具有超高的力学性能，同时由于其密实度高，孔隙率极小，因此渗透率非常 低，具有超高的耐久性。表卜3 中对普通混凝土( n c ) 、商强混凝十( h s c ) 、r p c 的主要耐 久性指标进行了比较，可见r p c 的耐久性大大优于n c 和h s c 。 表1 - 3n c 、h p c 、r p c 的耐久性比较 r p c 以其优异的力学性能和耐久性能，能很好地满足有特殊要求的上程需要，在国外 率先在上程中应用。加拿大魁北克省用r p c 预制构件现场组装了一座跨长7 0 m 的人行混凝 士桁架桥，人大减轻了自重，提赢了在高湿度环境、频繁受除冰盐腐蚀及冻融循环作用f 的耐久性能。美国c p r a 计划及法国与美国陆军j ：程师团合作生产的r p c 制品包括：人跨度 预应力混凝土粱、压力管道及核废料储存器。法国电力公司将r p c 制成的i 形粱用于发电 站的空气冷却塔中，以代替原先那些被严重腐蚀的粱和柱子。由于不含粗骨料，r p c 还用 丁建筑屋面板，井具有多种颜色及形状。除此之外，r p c 还能用于安全围墙、抗爆结构、 坑道的高强衬里、矿井的支撑和铁路的轨枕等口一、1 0 。 近年来，我国有少数高校对r p c 的制各技术及力学性能进行了初步研究。东南大学孙 伟教授成功研制r p c 2 0 0 ，并用于生产窨井盖及制备用了二防爆门的r p c 材料。清华大学覃维 祖、同济大学龙广成、湖南大学何峰、黄政宇等均对r p c 的基本原理及制各方法进行了介 篡竺娟 篙篙一 东南人学顾_ f 学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 纠和研究m ”、2 6 、z ”。r p c 在我国的研究及应用已经引起越来越多的关注。 从i 程应_ 【 j 角度看，r p c 材料具有如r 优越性m 、”j ： ( 1 ) 人人减少混凝士结构的自重。钢筋混凝十结构的一个主要缺点是自重大，在一般 的建筑中结构自重为有效荷载的8 1 0 倍。利用r p c 的超高强度与高韧性，在不需要配筋 或少繁配筋的情况下，能生产溥壁制品和采片j 具有刨新性截面形状的构件。当混凝土的强 度提高时结构构件的断面减小、自重减轻，故可替代丁业厂房f 匀钢屋架和高层建筑的钢 结构，进入现有高强混凝土不能进入的领域，从而可以节省工程的综合造价。 ( 2 ) r p c 属丁：高断裂能材料，其断裂能和抗弯强度接近于铝，比钢低一个数量级：与 瞥通水泥混凝士相比，抗弯强度高一个数量级，断裂能高两个数量级以上。用r p c 制作构 什，比钢结构的单价低，比用钢筋混凝土和预应力混凝士时的尺寸和质量几乎小5 0 。可 以预见，r p c 将制成型村并与金属、聚合物叠合，代替钢筋混凝+ 结构与钢结构。另外， 利_ l 月r p c 的超高性能，将其州作镶面材料，可提高表层混凝土的抗压、耐磨、耐蚀、抗气 渗等功能。 【3 ) r p c 的优越性能使其在石油、核电、市政、海洋等工程及军事设施有广泛的应用 前景。例如，利用r p c 的高抗渗性与高冲击韧性，制造放射性核废料的储存容器；由于它 的良好的耐磨性能和低渗透性，可以t ；f j 丁生产各种耐腐蚀的压力管和排水管道；r p c 早期 强度高，后期强度发展空间大，用于补强和修补工程中可替代钢材和昂贵的有机聚合物。 所以，r p c 的前景十分光明。 目前r p c 的研究中主要存在以一f j l 个主要问题： ( 1 ) 国外r p c 使用磨细7 i 英砂取代背通骨料，最大粒径只有6 0 0 i lm ，粉磨过程的能耗 人；所掺活性涅台材品种单一，硅灰掺量大( 2 5 ) ，价格昂贵；微细金属纤维用量大，价 格高( 3 万吨以上) ，国内使用依赖于进v i 。高额的价格为r p c 的工程应用带米困难。 ( 2 ) 为使r p c 的强度得以充分发展，目前主要采用9 0 c 热水养护和2 0 0 。c 咀上的高乐 养护，养护时间k = ，能耗高生产中不易控制。标准养护或自然养护下r p c 的长龄期力学 性能还没有详细报道。 ( 3 ) i = l 前r p c 的研究仅限丁1 静载力学性能其在高速冲击下的力学行为未见报道；r p c 的耐久性极高。但高到什么程度，还缺乏足够的试验依据；r p c 高性能的微观机理还没有 进行透彻的研究。 东南大学硕士学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 1 3 生态r p c 的研究思路及研究方案 针对当今国际上r p c 材料存在的主要问题并结合我国实际情况，本文采用多重复合技 术、超细微粉技术，充分发挥超细工业废渣潜能与互补优势m “，取代国外大掺量硅灰 及磨细石英粉，用天然砂取代磨细石英砂，制备高强度、高韧性、高阻裂、高动能吸收能 力的新型超高性能生态r p c ( e c o l o g i c a lr e a c t i r ep o w d e rc o n c r e t e ，倚记为e c o - r p c ) 水泥基复合材料。并简化生产过程与r 艺，系统研究了其静载力学行为、高述冲击 ，为、 耐久性平超高性能形成的微观机理。具体研究内容及研究途径如f ： ( 1 ) 优选与优化r p c 的组成材料在保持国际上已有r p c 优异性能的前提f ，采用二 元或三元超细工业废渣复合技术有效发挥其功能效应，发挥其粒径叠加与成分互补效应 及内在潜能，全面改善微集料一水泥凝胶、细集料一水泥基和水泥基整体的界面区细观与 微观结构研究超细混合材掺量和龄期对e c o r p c 材料强度的影响规律；用普通黄砂取代 国际上采用的磨细石英砂，以3 m m 的粒径取代6 0 0 p m 粒径的集料，制备出超高性能且经济 合理的e c o r p c 2 0 0 水泥基复合材料。 ( 2 ) 优选超细钢纤维品种，优化纤维长度、长径比和外形。研究钢纤维性能参数对 e c o r p c 2 0 0 的增强、增韧、阻裂效应及其在高速冲击下的特性，以国产纤维取代昂贵的进 口超细纤维，提高e c o r p c 2 0 0 的性能价格比。研究钢纤维增强e c o - - r p c 2 0 0 的应力一应变 或荷载一挠度全曲线特征。对各品种纤维增强e c o - r p c 2 0 0 的功能进行分析对比，提供最佳 纤维性能参数。 ( 3 ) 研究生态r p c 2 0 0 和f r p c 2 0 0 ( f i b e rr e i n f o r c e dr e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ) 的制备工艺和技术优选高效减水剂其减水率在3 0 3 5 ，基本无坍落度损失，确保在 成型过程中，能通过自流平而充分密实。研究与优化r p c 的搅拌t 艺制度与方法、成型j 艺制度与方法、施i ：工艺制度与方法、养护1 j 艺制度与方法提出各1 艺过释中的1 艺参 数，为现场施_ 工：与f ：厂预制提供科学的依据。 ( 4 ) 研究各系列r p c 2 0 0 和f r p c 2 0 0 在静载与动载作用下的力学性能( 主要包括抗压强 度、抗弯强度、弹性模量、泊松比、弯曲韧性、高速冲击性能及相应的全曲线) 、长期性能 ( 干燥收缩) 、耐久性( 抗冻性、耐腐蚀性、抗碳化性能) 及上述各性能随材料组成不同和 龄期延长的变化规律。 ( 5 ) 在上述性能的大量分析研究基础上优选与优化几种不同材料组成和不同纤维品 种、纤维体积率的e c o - f r p c 材料，以供实际工程中台理选用。 6 东南大学硕十学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 ( 6 ) 通过细观与微观分析，研究e c o r p c 产生优异性能的机理。 为达到上选目标，本文制定了如f v 3 试验方案： 1 e c o r p c 的制各技术 ( 1 ) 优选原材料 优选多种1 ：业废渣( 硅灰、超细粉煤灰、超细矿渣等) ，采片 i 二元、三元复合技术，发 挥各纲分协同1 ：作的超叠加效应，制备出t 作性更好、密实性更高、力学及耐久性能更优 的人掺量j 二业废渣节能环保型生态水泥基材料。用普通黄砂取代磨细石英砂，优选国产纤 维取代进口纤维，降低e c o i p c 的生产成本，提高其性价比，使大规模的工程应用成为可 能。 ( 2 ) 优化配合比 根据所掺混合材的不同将e c o r p c 分为三种：单掺、双掺、三掺。研究一元、二元、 二元复台时不同掺最、不同品种混台材对r p c 性能的影响规律，从中优选出最佳的混台材 掺量。在保持基体不变的情况f 研究胶砂比、纤维体积率对e c o r p c 性能的影响，从而确 定最佳胶砂比及纤维体积率。研究水胶比及外加剂掺量对e c o r p c 1 2 作性、强度的影响， 确定最佳水胶比和外加剂掺量。 ( 3 ) 优化成型 ：艺 研究原材料投放顺序、搅拌时间、搅拌方式对e c o r p c 工作性的影响。优化成型工艺， 缩短搅拌时间、降低搅拌能耗，最大限度地提高混台料的均匀性，充分发挥高效减水剂羊i 】 超细混合材协同作刚对t 作性的影响，实现混合料的自流平。 ( 4 ) 优选养护制度 本课题拟采用以f - - - - 种养护制度：标准养护、9 0 热水养护、蒸压养护。通过研究温 度及龄期对r p c 性能的影响优选出一种晟佳的养护制度。 2 e c o r p c 的静力学性能研究 本试验将研究养护制度及纤维体积率对e c o - r p c 抗折强度、抗压强度、断裂能、泊松 比、弹性模量的影响。 实验内容：抗折强度( 荷载一挠度曲线) 、抗压强度、断裂能( 荷载一挠度曲线) 、泊 松比、弹性模量； 试件尺寸：4 0 x 4 0 1 6 0 ( 栅) ，中7 0 1 4 0 ( m ) ； v f = o 、1 、2 、3 、4 ； 养护制度：标准养护、热水养护、蒸压养护。 7 东南大学硕士学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微删机理研究 3 e c o - r p c 的动力学性能研究 本试验研究麻变速率及纤维掺最对e c o - r p c 动力学性能的影响。 实验内容：冲击轴压及全曲线； 试件尺寸：m7 0 3 5 ( m i l l ) ； 养护制度：标准养护9 0 d 。 4 e c o r p c 的长期变形性能及耐久性能研究 ( 1 ) e c o r p c 的长期变形性能 本实验用来测定r p c 在l 、3 、7 、1 4 、2 8 、4 5 、6 0 、9 0 、1 2 0 、1 5 0 、1 8 0 天的相对于缩 值 试件尺寸：4 0 4 0 x1 6 0 ( m m ) ； ( 2 ) 抗冻 该实验采用快冻法测定e c o r p c 在冻融循环5 0 次、1 0 0 次、2 0 0 次、7 0 0 次后性能 变化。 冻融条件 试件尺寸 养护制度 评价指标 一1 7 2o c 8 2o c ，每个周期4 小时 4 0 4 0 x1 6 0 标准养护9 0 d 相对动弹模量 m m ) 重量损必率。 ( 3 ) 耐腐蚀 该试验测试e c o - r p c 在高浓度卤水浸泡后性能变化。 试件尺寸：4 0 4 0 x1 6 0 ( m m ) 养护制度：标准养护9 0 d ： 评价指标；相对动弹模量，重量损失率。 ( 4 ) 抗碳化 该实验测定e c o r p c 在碳化3 d 、7 d 、1 4 d 、2 8 d 、5 6 d 、9 0 d 后的碳化深度。 碳化环境：二氧化碳浓度2 0 + - 3 ，温度2 0 + _ 5 。c ； 试件尺寸：4 0 x 4 0 1 6 0 ( m m ) ： 养护制度：标准养护，热水养护。 5 e c o - r p c 的微观机理研究 ( 1 ) 原材料的粒径分析 本实验采用激光粒径分析仪测定e c o r p c 原材料各自的颗粒粒径分布及多元复合后的 8 东南人学硕士学位论文生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 粒径分布。 ( 2 ) e c o r p c 的x 射线衍射分析 本实验用来分析r p c 中c a ( o h ) 2 、c a s 、c a s 含量随养护制度及养护龄 i j 变化的规律。 ( 3 ) e c o r p c 的环境扫描电镜分析 本实验用环境扫描电镜对e c o r p c 水化硬化的全过程及纤维与基体的界面进行连续的 观测，揭示e c o r p c 结构形成的微观机理，从微观角度分析e c o r p c 高性能的原田。 9 东南人学硕j 1 学位论义生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微舢机埋研究 第二章生态r p o 的制备技术 2 1 生态r p c 的原材料 水泥( c e m e n t ) 南京江南水泥厂生产的“金c 羊，牌p i i4 2 5 硅酸盐水泥，各项性能见表2 - 1 2 - 3 ， 颗粒形貌见幽2 1 。 表2 一l 金宁羊p 1 1 4 2 5 水泥熟料的矿物组成 百i 丽丽百面面i 百五丽百画t 丽 表2 - 2 金宁羊p 1 1 4 2 5 水泥熟料的化学组成 表2 - 3 金宁羊p 1 1 4 2 5 水泥的主要物理性能 磨细矿渣( u s l a g ) 南京江南水泥厂粉磨公司提供粒化高炉矿渣微粉( s l a g ) ，比表面积4 0 5m 2 k g ，磨细 至比表面积8 0 0m 2 k g ”“7 j ，密度2 8 2 9 c m 3 ，各项性能见表2 - 4 、2 - 7 ，颗粒形貌见图2 - 1 。 表2 4 矿渣的主要化学成分 超细粉煤灰( u f a ) 南京热电厂生产超细粉煤灰，各项性能如表2 - 5 2 7 所示。 1 0 东南凡学坝1 。学位论文生态型r p c 材料的j j 学行为、耐久性技微舭帆理宄 26 粉燥灰物理性能 表2 7 原材料粒径分布 轴锌 7 “1 “1 磊雨丽百两嚣磊百丽雨浠丽纛雨而百磊鬲菊百两西丽f 【p m )( ) ( ) ( )( )( ) ( ) 1033 31 0 00 1 0 00 0 0 硅献( s f ) 比表面积2 2 0 0 0 m ：k g ，s i 0 2 含苗，9 2 胩灰的化学组成及颗粒形貌如表28 和刚2 一l 所 不。 表2 - 8 石睾灰化学织成 东南人学硕士学位论史生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 ( a ) 水泥 ( b ) 超细粉煤灰 ( c ) 磨细矿渣( d ) 硅灰 图2 - l 水泥及超细混合材颗粒形貌 高效减水剂 广州西卡公司生产的商效减水剂，主要成分为聚羧酸，减水率3 5 ，本文掺 量为胶凝材料的质量酉分数。 微集料 普通黄砂，最大粒径3 m m ，连续级配，细度模数1 3 4 ，泥含量0 4 2 。 水 自来水 钢纤维 钢纤维性能参数见表2 - 9 钢纤维形貌如图z 一2 所示。 表2 - 9 钢纤维性能参数 东南人学硕十学位论文 生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 ( 8 ) 贝 尔特公司超细钢纤维 ( b ) 江西国贸超细钢纤维 ( c ) 江西利发哑铃型钢纤维 图2 2 超细钢纤维及短钢纤维形貌 2 2 生态r p c 的配合比 为提高r p c 材料基体的力学行为，并达到超高强、超增韧、超阻裂、超耐久的目的， 满足材料材料生态化、提高性能价格比的要求，本文采用了超细混合材多元复合技术，取 代5 0 6 0 的水泥，以达到节能、节资、保护生态环境、提高r p c 材料性能的目的一7 1 。 众所周知。混凝土基体材料强度越高，脆性易裂越严重，因此，伴随r p c 材料强度的提商， 性脆易裂的问题则越突出，为解决这个问题，本文采用纤维增强技术充分发挥活性粉末混 凝土的独特优势。经过犬量试验分析对比，特别经动载与静载力学行为、断裂能、耐久性 的分析对比，本文优选y - 个配合比的r p c 材料【1 8 、m ”。优化后r p c 的配合比及组成材料 见表2 1 0 、2 一1 1 。 东南大学硕l 学位论文 生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 表2 1 0r p c 配合比 表2 一l lr p c 组成材料 往上述基体中分别掺入了v r = o ，1 ，2 ，3 ，4 的钢纤维，且保持r p c 基体 不变，将不同钢纤维均按相同体积率掺入，以对比纤维品种和进1 ：3 纤维与国产纤维的差异， 便丁在i ：程应川中依据不同使厢条件进行优选。为便于叙述，本文对配合比进行如f 标记： m 。f ，y m 。- - r p c 基体类型( 见表2 一1 0 ) ； f 。一纤维品种( 见表2 - 9 ) ； y 一纤维体积率( o 、1 、2 、3 、4 分别表示v ，= o ，l ，2 ，3 ，4 ) 。 2 3 生态r p c 的成型工艺 如圈2 - 5 所示，先将原材料( 超细混合材、水泥、砂) 千拌均匀，然后在搅拌过程中 将混台均匀的水和外加剂缓慢地倒入搅拌机内，湿拌2 3 分钟。当混合料进入粘流状态后， 均匀地撒入钢纤维，同时继续搅拌2 3 分钟。之后，在模具中浇铸成型，并适当加以振动 以增进密实。试件表面覆盖一层保湿薄膜，室温f 静置i 2 天后拆模养护( 视气候不同而 确定静置时间) 、2 2 、z ”。 东南大学坝i 学位沦史生态型r p c 材料的力学行为、耐久性及微观机理研究 超缃混合材、水 泥、砂f 拌均匀 加水与高效 减水剂耀拌 溉拌过程中均 匀撒八铡纤维 搅拌均匀后靠 自流甲装模并 振动密实 剀2 - 3e c 0 一r p c 成型工艺 2 4 生态r p c 的养护制度 静置2 4 4 8 h 后拆摸 在规定条件下养 护到测试龄期 本文采用二种养护制度、2 4 、2 6 1 ： 标准养护( c u rj n 9 1 ) ：温度2 0 。c 2o c ，湿度 9 0 的标养室中养护2 8 d 、9 0 d 、1 8 0 d ； 热水养护( c u r i n 9 2 ) ：温度9 0 。c 5o c 的热水中养护4 8 h ： 蒸压养护( c u r i n 9 3 ) ：6 0 。c 热水养护2 4 h 后，在温度2 0 0 。c 。压力1 7 m p a 的蒸压 釜中养护8 h 。 1 5 东南人学硕j + 学位论义生态型r p c 材科的力学行为、耐久性及微观机理研究 第三章生态r p o 的静载力学性能 3 1 生态r p c 的抗折强度 r i ，c 基体是种准脆性材料，强度越高脆性越人，为改善r p c 基体的这致命弱点。 通常将纤维与r p c 复合。本文研究了e c o r p c 抗折强度随纤维掺量、纤维种类、养护制度 变化的规律。试件尺寸为4 0 4 0 1 6 0 ( m m 3 ) ，采用三分点加载。抗折强度计算公式为； 驴等 其中： 办一抗折强度( m p a ) ： 尸1 。极限抗弯荷载( k n ) ； 试验跨度( 本文为l o o m m ) ： b 、h 一试件横截面的宽度和高度( m m ) 。 3 1 1 纤维体积率对e c o r p c 抗折强度的影响 本文系统测定了纤维体积率为o 、1 、2 、4 的f 和l 纤维分别对不同种基体 e c o r p c 抗折强度的影响，养护条件为标准养护2 8 d 。并对试验数据进行了线性回归，试验 数据及回归方程如图3 - 1 所示，相关系数r 均大于0 9 6 。从图中可以看出，随着纤维体积 率的增加，r p c 的抗折强度几乎成比例增长，相同纤维体积率下，f ，纤维增强r p c 的抗折 强度赢丁纤维增强r p c 的抗折强度。从回归方程的斜率来看，f ；纤维方程的斜率是f 4 纤 旷粼器7 主。s 一“”“”咖引踮协 型2 5 1 蚓麓嚣臻2 3 8 8 6 v f ( a ) m f 0 1 23d 纤雏体积奉v f i 1 6 ( b ) m l 厶鬈一 踟雕 一 粼 一 蛩么 东南大学硕十学位论文生态型r p c 材料的力学行为耐久性及微观机理研究 育 a - = 正 趟 疆 123 纤维体积翠v f ( ) ( c ) m 2 f 1 0234 纤蝴率v f ( ) ( e ) m 3 f o 123 纤维体积率v f ( ) ( d ) m 2 f 1 01234 纤黼率w ) ( f ) f 图3 - 1 不同纤维对不同基体e c o - r p c 抗折强度的影响 维方程斜率的两倍，这说明随着纤维掺量的增加，掺入f 纤维的r p c 抗折强度的增加速度 是掺入f 。纤维r p c 增加速度的两倍。 f ，纤维优越的增强能力主要归功于其较大的长径比、超高的抗拉强度和优异的分散性 能。根据纤维间距理论，在纤维的粘结强度定时，混凝土的抗拉强度主要由纤维的平均 厂7 _ 间距s 决定- 三维乱向分