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超高性能混凝土早期收缩变形和裂缝发展规律思考

日期:2023年12月16日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:80
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202312081552261958 论文字数:38456 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文针对UHPC存在的早期约束收缩开裂问题,探讨了不同掺量钢纤维对UHPC的力学性能、早期内部相对湿度和早期收缩变形的影响,主要研究钢纤维在不同掺量和不同长径比情况下对UHPC早龄期收缩裂缝发展规律的影响,钢纤维对UHPC早龄期收缩裂缝有效性。

第1章绪

1.1课题背景及研究的目的和意义

随着我国经济的快速发展和基础设施建设的不断扩大,对混凝土的需求量日益增大。与此同时,普通混凝土依旧存在着自重大、抗拉强度低、脆性大、混凝土废弃料不易回收等缺点,使得材料的利用率不足,不符合人们对未来建筑材料的标准,不符合人们对现代建筑结构超高层化、超大跨化的需求,而现代混凝土技术的主要发展趋势是混凝土的高性能化[1,2]。

我国已确定力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和的目标。绿色概念逐渐深入各行各业,也对高能耗的普通混凝土行业造成了严重冲击。据统计,2020年水泥生产碳排放量为13.2亿吨,约占建材行业总碳排放量的80%。对于建筑行业来说,减少水泥生产的碳排放是建材行业绿色发展的重中之重。鉴于此,研究设计具有高性能的新型建筑材料,一种可以提高混凝土使用年限,并且减少混凝土工程结构修缮,从而节约资源和能源,达到既满足现代工程又满足节能减排要求的超高性能混凝土(Ultra-high performanceconcrete,UHPC)适时而生[3]。

UHPC是由水泥、纤维、硅灰、粉煤灰,聚羧酸减水剂等组成,基于最紧密堆积理论设计的具有超高强度、优良耐久性和较好韧性的新型水泥基复合材料[4-6]。这让UHPC结构在地震中或者超负荷工况下,拥有比普通混凝土更高的可靠性。超高性能混凝土同时具有优异的耐久性能将结构的使用时间大幅提升,混凝土结构的修缮费用就会大幅降低[7]。通过掺加粉煤灰、磨细矿粉等工业废料作为矿物掺合料替代部分水泥,减少水泥用量的同时,降低了水化热和CO2的排放量,在降低成本的同时双向实现节能减排。

1.2国内外研究现状

1.2.1 UHPC的发展历程

20世纪70年代,丹麦学者Bache教授于1979年申请了关于UHPC的第一个发明专利,并于1981年提出了DSP(Densified System with ultra-fine Particles)理论[15]。1993年,法国的皮埃尔理查德采用最大粒径小于0.6mm的石英砂作为集料,依据DSP理论成功配制拥有优异力学性能和良好的耐久性能的活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC),并于1994年在美国首次进行了报道[16]。“超高性能混凝土”术语首次由法国学者Richard在1994年使用[17]。这个术语可以更好地、更全面地诠释纤维增强超高性能水泥基复合材料的性能,逐步被广泛接受和采用。1997年,在加拿大Sherbrooke完成的预应力混合人行天桥是UHPC的第一个工程结构应用[18,19]。1999年,覃维祖系统地介绍了UHPC的配制原理、性能特点及工程应用前景[20]。此后关于UHPC的设计原理、原材料选择、成型与养护制度、宏微观结构、强度、韧性、抗冲击性、耐久性等诸多方面展开了大量研究[21,22]。2015年底,我国颁布了关于活性粉末混凝土的第一部国家标准《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)。2018年8月,中国建筑材料联合会与中国混凝土与水泥制品协会颁布《超高性能混凝土基本性能与试验方法》T/CCPA 7-2018(T/CBMF 37),此标准对UHPC设计、施工、检验等环节,具有重大的指导意义。2021年,国内关于UHPC的试验方法标准T/CECS 864-2021发布,标志着我国在UHPC的研究应用方面逐渐走向成熟。而关于UHPC的定义,不同国家有不同的标准。其最主要的差异是体现在其力学性能(强度和韧性)上面。此外,一些研究人员认为UHPC不是混凝土,因为在UHPC的混合料中并没有传统意义上的粗骨料[23,24]。但是“混凝土”仍被选择用来描述掺入纤维以增强韧性的UHPC[25,26]。UHPC的发展历程如图1-1所示。

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第2章试验原材料与试验方案

2.1 UHPC的原材料

2.1.1水泥

UHPC所用的胶凝材料中水泥的占比是最大的,对UHPC的各项力学性能有着最直接的影响。本文试验选用吉林金隅冀东环保科技有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥,如图2-1所示,其化学组成和基本性能详见表2-1和表2-2。

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2.2试验配合比与仪器和设备

2.2.1配合比

在课题组已有的配合比基础上,经过反复适配和大量的性能测试,确定了超高性能混凝土的基准配合比。在混凝土中掺入不同掺量的钢纤维,配置出U0、U1、U2、U3、U4共5种超高性能混凝土,其配合比见表2-11。

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在进行早龄期抗裂性对比试验时,考虑钢纤维掺量、长径比对UHPC早龄期约束收缩的裂缝发展影响,在超高性能混凝土基准配合比的基础上,考虑钢纤维长径比不同和掺量不同的超高性能混凝土配合比见表2-12。

第3章 UHPC的力学性能 ....................... 24

3.1 抗压强度 ............................. 24

3.2 劈拉强度 ....................................... 27

3.3 抗弯强度与弯曲韧性 ......................... 30

第4章 UHPC早期内部相对湿度和收缩变形试验研究 .................... 36

4.1 UHPC早期内部相对湿度测试结果分析 ............................ 36

4.2 UHPC胶凝材料对内部相对湿度的影响与数值模型 .................. 38

4.3 UHPC早期收缩变形测试结果分析 ........................ 40 

第5章 UHPC早龄期约束收缩裂缝发展规律研究................... 47

5.1 钢纤掺量影响分析 ......................... 47

5.1.1 裂缝形态及分析 ............................... 47

5.1.2 裂缝名义面积和裂缝降低系数结果及分析 .......................... 52 

第5章UHPC早龄期约束收缩裂缝发展规律研究

5.1钢纤维掺量影响分析

5.1.1裂缝形态及分析

在考虑钢纤维(长径比为65)作为变量条件下早龄期约束抗裂性对比试验总共设计5个平板试件。分别是65U0、65U1、65U2、65U3、65U4。通过实时监测出UHPC平板开裂情况如图5-1(a~h),分别统计UHPC板件在温度为20±5℃,湿度为40±5%恒温恒湿环境下进行早龄期约束收缩开裂对比试验24h后的裂缝发展情况,不同钢纤维掺量下平板试件裂缝的数量和裂缝名义总面积,详见表5-1和表5-2。裂缝最大宽度、最大长度和裂缝数量随时间变化,如图5-2、图5-3和图5-4所示。

通过图5-1观察基准组65U0(钢纤维掺量为0%的UHPC板件)的开裂破坏形态,可以发现U0试件表面形成的裂缝大体上在板件表面中间部位开始产生,然后向下与横向裂缝相交,并在交互处产生了一个弧形裂缝继续纵向发展直至底部与横向裂缝形成了十字交错的贯穿裂缝。最先在板件中间部位出现一条或者两条,随即发展成十字交错贯通主裂缝。因为试验板件是四面约束所以产生的主裂缝可以更好地释放约束产生的收缩应力,所以裂缝会在两个方向发展延伸,在测试后期出现的裂缝大都顺着周边约束螺栓向板内延伸,从图5-1a中可以看出65U0的主裂缝较宽,释放掉较多应力,因此表现为裂缝总条数减少但是宽而长。由于UHPC用了大量胶凝材料,因此水化产生的胶体更多,胶体间距离减小,从微观角度来讲,胶体颗粒之间的相互作用力更强,非常容易在水化产物之间产生由于搭接组成的空间网络结构。同时UHPC的早龄期弹性模量和强度发展迅速,试件内部水化和表面水分散失产生收缩导致UHPC表面出现裂缝。

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结论

早期约束收缩导致的开裂破坏了UHPC结构构件的完整性,为后期开裂破坏留下了源头,限制其在工程结构中推广使用。本文针对UHPC存在的早期约束收缩开裂问题,探讨了不同掺量钢纤维对UHPC的力学性能、早期内部相对湿度和早期收缩变形的影响,主要研究钢纤维在不同掺量和不同长径比情况下对UHPC早龄期收缩裂缝发展规律的影响,钢纤维对UHPC早龄期收缩裂缝有效性。基于试验结果及分析讨论,得出以下结论:

(1)根据国内外最新标准及评价办法对UHPC的抗压、劈裂抗拉、抗弯强度试验得知,长径比为65的钢纤维对UHPC的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度都有明显提高,随着掺量的增加作用效果也增强。UHPC掺量在3%时抗压强度比不掺钢纤维提高16.4%。钢纤维掺量达到3%时,UHPC劈裂抗拉强度比不掺纤维增大1.94倍。钢纤维掺量的增加对UHPC的初裂荷载影响并不大,但UHPC的峰值荷载和弯曲韧性得到大幅增强。钢纤维掺量为3%时,抗弯强度较不掺纤维提高147%,弯曲韧性比钢纤维掺量为1%的UHPC提高47.4%。综合考虑钢纤维掺量对UHPC的抗压、劈裂抗拉、抗弯强度以及弯曲韧性的影响,当长径比为65的钢纤维体积掺量为3%时,UHPC获得最佳力学性能。

(2)用立式比长仪和高精度湿度测试仪测试UHPC早期内部相对湿度和早期收缩变形进行测试得到,早期内部相对湿度降低表现为前7d的湿度降低速度较快,7d之后的内部湿度降低逐步减缓,长径比为65的钢纤维掺量增加会促进对UHPC的内部相对湿度降低。钢纤维能有效地