本土化材料对UHPC力学性能及微观结构的影响研究

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在“碳达峰”和“碳中和”的国家重大战略背景下,对混凝土的材料和性能提出了更高的要求。超高性能混凝土(简称UHPC)是一种新型的高性能水泥基复合材料,它具有高强、高韧、高耐久等特性而被应用于重大的工程建设中。通常UHPC在研究过程中都采用了经典的UHPC材料组成(如石英砂、硅灰、石英粉、水泥等)来配制它的高性能,其造成成本高昂、环境破坏严重、不利于减碳低碳要求,对UHPC工程化的应用及推广也造成了困难。甘肃所处的地理位置特殊、环境恶劣、在工程建设中对构件性能要求极高,结合我省自身情况,依据2020年甘肃省自然资源厅颁布的《关于规范砂石资源有序绿色开发保障全省经济高质量发张的指导意见》中指出的统筹建设五大砂石资源开发基地,选择兰白地区(A)、陇南地区(B)、天水地区(C)、陇东地区(D)、河西地区(E)的机制砂,以及甘肃特色性地材凹凸棒土(又称坡缕石或缕缟石),开展本土化材料对UHPC力学性能及微观结构影响的试验研究。本文研究了本土化材料对UHPC力学性能及微观结构的影响,首先对机制砂进行了基本特性的测定以及凹凸棒的改性研究,其次运用正交设计试验方法研究了机制砂、水泥、水胶比、砂胶比、硅灰、减水剂对UHPC性能的影响以及分析了各地域的砂对UHPC性能影响的差异性,最后应用最优配合比来研究在UHPC中掺加凹凸棒对其性能的影响。本文主要研究的成果如下:(1)为了研究不同地域机制砂的特性,采用对比分析的研究方法,研究了不同地域机制砂的形貌、矿物成分、密度、空隙率、坚固性、亚甲蓝MB值等的差异性,研究结果表明,圆形度C地域的最好,B地域的最差,最好圆形度和最差圆形度平均值和标准差分别相差9%、60%;5个地域机制砂的XRD衍射图谱各不相同,但都具有Si O2的衍射峰且强度不一样;机制砂的堆积密度、表观密度、空隙率均符合标准规定,各自间的差异性不大;压碎值C地域的最小,B地域的最大,两者相差80%;各地域砂的亚甲蓝MB值均小于1.4。(2)为了研究凹凸棒的基本特性,采用对比分析的研究方法,研究了不同温度煅烧前后凹凸棒的性能变化,研究结果表明,凹凸棒中水的脱失分为5个阶段,在700℃左右脱去结晶水;凹凸棒的主要成分是凹凸棒和石英(Si O2),随着煅烧温度的升高,凹凸棒的颜色变的越来越红,750℃时有稍许的烧结,凹凸棒的波峰在减弱,粒径先减小后增大。(3)为了研究本土化材料对UHPC性能的影响,采用正交试验设计方法,研究了砂、水泥、水胶比、砂胶比、硅灰、减水剂对UHPC性能的影响,研究结果表明,砂、水胶比对UHPC性能影响最为显著,水泥、减水剂次之,硅灰、砂胶比影响最小;综合考虑各因素对UHPC工作性和力学性能的影响,得到最优配比为,水胶比取0.18~0.20、砂胶比取1.1~1.3、硅灰掺量取18%~20%,减水剂掺量取2.2%~2.4%。(4)为了研究各地域机制砂之间UHPC性能的差异性,采用相同的配合比,研究了各地域机制砂对UHPC流动度、抗压强度、抗折强度的影响,研究结果表明,各地域的砂与C地域的砂配制的UHPC强度虽有差距,但各地域的砂依旧可以配制出流动度220~250mm,抗压强度120MPa以上,抗折强度25MPa的UHPC。(5)为了研究凹凸棒对UHPC性能的影响,采用正交试验得出的最优配比,研究了原矿凹凸棒、100℃、400℃、600℃、750℃改性的凹凸棒取代硅灰对UHPC工作性能和力学性能的影响,研究结果表明,750℃改性的凹凸棒对流动性能影响最小;7d和28d的抗压强度与基准组相比,均小于基准组,但750℃改性的凹凸棒,在掺量15%时28d的抗压强度和基准组相当,两者强度相差0.7%;掺了凹凸棒的UHPC在掺量适宜的情况下,抗折强度均要大于基准组;凹凸棒对UHPC后期强度增长的影响要大于前期,750℃改性的凹凸棒可以作为掺合料在UHPC中使用。(6)为了研究凹凸棒对UHPC微观结构的影响,运用XRD、SEM测试方法,研究了掺凹凸棒的UHPC水化产物变化,研究结果表明,掺了750℃改性凹凸棒28d的微观形貌和JZ组一样堆积紧密,水化产物的Ga/Si比,原矿凹凸棒和750℃改性凹凸棒的最低;掺了不同温度改性凹凸棒的UHPC水化产物与基准组的衍射峰基本相同。
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