【摘 要】
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据大数据统计可知,建筑火灾的发生具有高频性和不确定性。随着我国经济建设的发展,高楼大厦、高速公路、隧道、城市轨道交通等数量急剧增长。火灾的发生会导致混凝土的力学性能受到损伤,甚至导致建筑物发生坍塌破坏。而普通硅酸盐水泥作为建筑物的主要胶凝材料,其制备过程中高能耗高污染,并不符合我国生态文明建设。在“双碳目标”的驱动下,新型胶凝材料的研发及应用备受工程关注。碱激发矿渣胶凝材料是以碱溶液(如水玻璃、氢
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据大数据统计可知,建筑火灾的发生具有高频性和不确定性。随着我国经济建设的发展,高楼大厦、高速公路、隧道、城市轨道交通等数量急剧增长。火灾的发生会导致混凝土的力学性能受到损伤,甚至导致建筑物发生坍塌破坏。而普通硅酸盐水泥作为建筑物的主要胶凝材料,其制备过程中高能耗高污染,并不符合我国生态文明建设。在“双碳目标”的驱动下,新型胶凝材料的研发及应用备受工程关注。碱激发矿渣胶凝材料是以碱溶液(如水玻璃、氢氧化钠等)为激发剂,激发粒化高炉矿渣粉的潜在活性制备而成的胶凝材料。其制备过程中绿色环保,属于环境友好型材料,符合我国建设“环境友好型,资源节约型”社会的基本国策。碱矿渣胶凝材料作为一种应用前景广阔的建筑材料,现有研究中,碱矿渣胶凝材料在高温后的力学性能研究主要集中在碱矿渣净浆试件和碱矿渣砂浆试件上,而混凝土作为主要的建筑结构材料,对其高温后的力学性能研究较少。对其高温后的力学性能进行研究,能够扩宽碱矿渣混凝土的应用范围,基于提升碱矿渣混凝土的耐高温性能,为碱矿渣混凝土配合比设计提供参考,同时可为优化碱矿渣混凝土的耐高温性能提供理论支撑。本课题以水玻璃作为碱激发剂激发矿渣制成碱矿渣胶凝材料,掺入骨料制备碱矿渣混凝土。经实验室标准养护90d后,测试碱矿渣混凝土常温时及经历不同高温(200℃、400℃、600℃、800℃、1000℃和1200℃)作用后的力学性能(抗压强度、抗折强度、劈拉强度、轴心抗压强度以及弹性模量),探明水玻璃碱浓度、模数对上述性能的影响,水胶比对高温后碱矿渣混凝土残余抗压强度的影响,以及高温环境的升温速率和恒温时间以及高温后冷却方式对碱矿渣混凝土高温后的抗压强度的影响。同时为避免骨料对微观结构和物相组成造成影响,在同等条件下制备碱矿渣净浆试件,采用X射线衍射分析(XRD)、综合热分析(TG-DSC)和扫描电镜(SEM)等方式从胶凝材料基体水化产物及微观结构的高温变化对混凝土力学性能的高温变化进行了分析。研究结果表明:(1)随着温度的升高,碱矿渣混凝土高温后的力学性能逐渐降低。碱矿渣混凝土高温后相对残余抗压强度在常温~400℃之间由于温度较低,不足以使C-S-H凝胶出现损伤,而温度作用产生的微裂缝会释放混凝土内部的热应力,所以混凝土高温后的相对残余抗压强度降低幅度较缓;在400℃~800℃之间C-S-H凝胶逐渐分解,同时胶凝材料基体与骨料之间的热变形不一致会导致混凝土的裂缝急剧增长,所以在此温度区间内混凝土高温后相对残余抗压强度急剧降低;在1000℃之后由于水化产物C-S-H凝胶大部分已经分解,同时高温作用下,碱矿渣混凝土基体结构劣化情况加剧,所以碱矿渣混凝土高温后相对残余抗压强度已损失殆尽。(2)在常温~400℃时由于微裂缝的存在会削弱碱矿渣混凝土的受力面积,因此碱矿渣混凝土高温后相对残余抗折强度、相对残余劈拉强度和相对残余弹性模量等均急剧降低。在400℃之后强度下降趋势逐渐放缓,在1000℃之后由于胶凝材料水化产物完全分解,且温度会造成混凝土内部及表面的裂缝数量增多,混凝土基体结构劣化,不利于力学性能保持,所以上述力学性能均已损失殆尽。(3)水玻璃碱浓度和模数越高,在一定的温度的作用下越有利于碱矿渣胶凝材料的水化产物C-S-H凝胶的生成。而C-S-H凝胶具有干缩性,温度作用会加剧碱矿渣胶凝材料的收缩。因此常温力学性能发展较好的碱矿渣混凝土高温后性能损失较为明显。(4)水胶比对碱矿渣混凝土高温后抗压强度的影响主要集中在400℃以内。此时水胶比较小的混凝土由于“自蒸养”作用能较好地抵御高温对抗压强度的不利影响。(5)升温速率的增长可缩短碱矿渣混凝土的受热时长,但也会导致混凝土内热应力增大。当温度低于400℃时,热应力的影响不明显,较短的受热时长有利于残余强度的保持;随温升至800℃,热应力的影响显著,相对残余抗压强度明显降低;800℃之后,热应力作用达到一定程度,受热时长的缩短能减缓水化产物的持续分解,使混凝土的强度在一定程度上得以保持。(6)恒温时间的延长会加剧碱矿渣混凝土胶凝材料基体结构及基体-骨料界面过渡区的劣化效应,从而引起混凝土残余抗压强度的降低。(7)相较于自然冷却,浇水冷却降低了碱矿渣混凝土中胶凝材料基体出现损伤的温度,同时在混凝土内产生热应力,不利于残余抗压强度的保持。
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