含粗骨料UHPC物相迁移行为及分布稳定性研究

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高昂的成本及较大的收缩严重限制了超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)的工程推广应用,粗骨料的掺入在降低成本、改善性能的同时,也带来了较为突出的混凝土稳定性问题,即大流态下钢纤维与粗骨料在UHPC浆体内分布均质性较差,进而导致力学性能离散性大的问题。为探究含粗骨料UHPC拌合物稳定性的关键影响因素,揭示含粗骨料UHPC物相分布稳定性对力学性能离散性的影响规律,提出高稳定、大流态、低成本的含粗骨料UHPC材料调控技术,本文通过流变及力学性能试验研究了粗骨料粒径、粗骨料掺量、钢纤维掺量等对含粗骨料UHPC流变特性、扩展度及拉压弹模的影响,采用新拌试样物相分离及硬化试样剖面图像处理技术,分析试样各层的粗骨料、钢纤维、孔洞结构分布特性及其对力学性能离散性的影响,并基于PFC离散元及三大流变模型对试验结果进行分析验证,主要研究内容及成果如下:(1)含粗骨料UHPC配比设计与流变及力学性能研究通过配比设计制备出抗压强度、抗拉强度、扩展度(ASTM C230/C230M)分别不低于150MPa、9MPa、200mm的含粗骨料UHPC,开展了各参数下含粗骨料UHPC的流变及力学性能试验,研究发现:改进Bingham流变模型的适配性较高,随着粗骨料粒径、粗骨料掺量、钢纤维掺量的增大,拌合物流动性能持续减弱,塑性粘度及屈服应力稳定增长,各流变参数对钢纤维掺量表现得较为敏感;粗骨料替代率在33.3%至50%范围内时粗骨料对UHPC抗压性能的提升效果较好,钢纤维掺量在2%左右时纤维对含粗骨料UHPC抗拉性能的提升效果较好;大粒径高掺量的玄武岩掺入能显著提高UHPC的弹性模量。(2)含粗骨料UHPC物相分布稳定性及迁移规律研究研究了新拌及硬化阶段含粗骨料UHPC的物相分布稳定性,分析出粗骨料和钢纤维两种关键物相的纵向迁移行为,其中,新拌组、硬化组试样物相的分层处理分别通过物相分布模具及剖面图像分析技术加以实现,研究发现:物相迁移主要发生在浇筑振捣阶段,30s的振捣时间已能够让物相较为充分地完成迁移,其中,粗骨料因重力产生向下迁移,而钢纤维存在两类迁移运动,但在骨料影响下向上迁移起主导作用;粗骨料粒径及掺量的增大、钢纤维掺量的降低均会在一定程度上提升粗骨料及钢纤维的不均匀分布程度,试样各层的钢纤维含量变化相较于粗骨料而言更为稳定。最终,通过基于PFC离散元的颗粒流模型模拟验证了试验中体现的物相迁移规律。(3)含粗骨料UHPC物相分布对力学性能离散性的影响研究开展了不同粗骨料粒径、粗骨料掺量、钢纤维掺量、振捣时间影响下的抗压性能及抗弯性能离散性研究,并基于硬化阶段物相分布结果对试验结果进行分析,研究发现:各组抗压试件的中间层均比顶层和底层表现出更为优异的抗压性能,顶层由于孔洞缺陷较多及收缩引起的表面成型质量不佳而导致抗压强度降低,而底层抗压强度因粗骨料含量过高及纤维分布较少而劣化;同一配比下试件各层抗弯性能相较于抗压性能而言离散性更小,两者相应变异系数变化范围分别为3.09%-7.95%、6.24%-17.44%。提出了含粗骨料UHPC的稳定性调控建议,即33.3%替代率的粗骨料或3%钢纤维的掺入、缩短振捣时间或适度加振均能够在一定程度上提升含粗骨料UHPC的稳定性。
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