关键词：
超高性能水泥基复合材料
粉煤灰
耐磨性能
断裂
韧性
计算机断层扫描
微结构
纳米压痕
纳米划痕
可持续性
摘要：
超高性能水泥基复合材料（Ultra-high performance cementitious composite,UHPCC）是近年来发展起来的一种新型土木工程材料。和普通混凝土相比,它具有极其优异的力学性能和耐久性,能够满足当代建筑结构高层化、大跨化、轻量化以及长寿命等要求,因而它具有广阔的应用前景。高韧性作为UHPCC的一个重要特征,其主要源自于高强纤维的掺加。纤维的增韧机理如纤维拔出、纤维断裂、纤维变形以及基体的多缝开裂等,已经被相关试验研究所证实,然而关于各个机理对材料韧性所贡献的比重,相关研究较为匮乏。在UHPCC制备方面,粉煤灰等矿物掺合料的应用越来越广泛,然而目前缺乏对其宏观性能产生机理的系统研究。因此,本文一方面对UHPCC中纤维的增韧机理进行了定量分析,另一方面系统研究了低水胶比条件下矿物掺合料尤其是粉煤灰对UHPCC微结构的影响。此外,为了推进UHPCC的绿色化,本文还探索了铁矿尾砂作为细集料应用于UHPCC中的可行性。首先,本文采用"水泥+粉煤灰+硅灰"的三元胶凝材料体系,制备出了性能优异的UHPCC材料,并研究了其基本性能。研究表明,粉煤灰单掺时会降低材料的抗折强度,和硅灰复掺后能够消除这种不利影响。和标准养护至成熟龄期相比,蒸汽养护提高了材料的抗压强度,但对抗折强度影响不大,高温干热养护能够显著提高材料的抗压强度。采用天然河砂和石英砂分别配制的UHPCC的力学性能较为接近,而采用铝矾土作为细集料能够提高材料的力学性能。UHPCC的力学性能随纤维掺量的增加而提高,纤维对抗折强度的提高程度高于抗压强度。UHPCC的耐磨性能较水灰比为0.3的高性能混凝土（HPC）高54%,这主要源于其浆体具有较高的耐磨性能。UHPCC中硅灰的掺加缩短了诱导期的持续时间,而粉煤灰的掺加延缓了水化进程,半绝热条件下UHPCC的内部温升峰值比HPC高约6.8℃。对于水养至成熟龄期的UHPCC,其干缩值在后期约为300个微应变,小于HPC。UHPCC的抗氯离子渗透性能远高于HPC。其次,采用缺口试件的三点弯曲试验,对UHPCC的韧性进行了表征,继而通过纤维拉拔试验和X射线计算机断层扫描,分别对断裂过程中纤维拔出和基体开裂所消耗的能量进行了定量分析。研究表明,纤维掺量为1%和2%时,UHPCC的断裂能分别为同配比砂浆试件的230倍和290倍。基体多缝开裂对韧性的贡献较小,而纤维拔出对韧性的贡献较大。当纤维掺量为1%和2%时,多缝开裂所消耗的能量与系统总输入能量的比值分别为4%和5.5%左右,而纤维拔出所消耗的能量与系统总输入能量的比值分别为50%和70%左右。再次,采用扫描电镜、X射线衍射Rietveld定量分析以及压汞测孔法研究了 UHPCC微结构的演变过程。结果表明,标准养护条件下,UHPCC在3d龄期时能够形成较为密实的微结构,且其内部水化反应主要发生在7d龄期之内,在28d时水泥的水化程度接近50%。单掺粉煤灰延缓了水化初期微结构的形成,对早期力学性能不利,而粉煤灰和硅灰复掺后发挥协同效应,降低了粉煤灰对早期微结构的不利影响。蒸汽养护条件下水泥的水化程度略有降低,而材料内部火山灰反应程度有所提高,微结构十分密实。另一方面,采用网格点阵纳米压痕技术对UHPCC浆体以及界面区的微观力学行为进行了研究。结果表明,UHPCC的水化反应产物主要为力学性能较高的高密度（HD）水化硅酸钙凝胶（C-S-H）和超高密度水化产物相（UHD相）,二者在标养过后占据反应产物的80%。和标养相比,蒸养条件下水化产物中低密度（LD）C-S-H的含量大幅降低,而UHD相的含量大幅提高,HD C-S-H和UHD相的含量占据反应产物的90%,这从微观力学的角度解释了蒸汽养护有助于提高材料的的力学性能。UHPCC中未反应的水泥和粉煤灰颗粒的力学性能远高于水化产物,能够作为高刚度的微集料增强浆体。在纤维或集料与浆体的界面区,力学性能较为稳定且与基体相当,表明纤维或集料与浆体之间具有较强的粘结作用。这些结果从根本上揭示了 UHPCC宏观力学性能的产生机理。此外,采用纳米划痕技术对比研究了 UHPCC和HPC浆体的微观力学性能,结果表明,UHPCC试样的瞬时划痕深度均值和残余划痕深度均值相比HPC试样分别低约35%和38%,这与二者在宏观上的耐磨性能较为一致。最后,为了推进UHPCC的绿色化以及水泥基材料的可持续发展,研究了铁矿尾砂取代天然河砂用于UHPCC材料制备的可行性。结果表明,当尾砂完全取代天然河砂时,材料的工作性能和力学性能均明显下降。然而,当尾砂取代率不高于40%时,标养90d以及蒸养条件下材料的力学性能与基准相接近。因此,从力学角度分析,尾砂在UHPCC中的应用具有可行性。
