超高性能海水海砂混凝土的组成设计及力学性能试验研究

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超高性能海水海砂混凝土(Ultra-high performance seawater sea-sand concrete,UHPSSC)是基于超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)的设计方法,采用海水和原状海砂代替淡水及石英砂制备的水泥基复合材料。而海水海砂中的Cl-和SO42-会对混凝土力学性能及耐久性产生十分严重的影响,此外,UHPC中往往会掺加纤维,对其力学性能具有显著影响。本文主要研究了UHPSSC的组成设计及其力学性能,取得的成果如下:(1)采用正交设计试验,研究了UHPSSC流动度、抗折和抗压强度的影响因素,发现对三者影响最大的因素依次为水胶比、水胶比和粉煤灰掺量;纤维种类和掺量均会对UHPSSC的抗折和抗压强度有影响,表现出与纤维抗拉强度及弹性模量正相关的特性。基于单纯型重心设计法,综合考虑UHPSSC流动度及抗折强度和抗压强度,当水胶比为0.2、砂胶率为1.0、减水剂掺量为2%时,其胶凝组成的最优掺量为水泥75%+硅灰15%+粉煤灰10%。即每立方混凝土用水量148kg,水泥用量554kg,海砂用量739kg,硅灰用量111kg,粉煤灰用量为74kg。(2)研究了不同龄期下海水和海砂对UHPC抗折抗压强度、水化过程及微观结构的影响,通过分析其强度发展、水化速率、水化产物、孔结构及微观形貌等探究了海水海砂对UHPC的影响机制。结果显示:海水能够增强UHPC的早期水化发展,进而提高其早期抗折抗压强度,且龄期在3d左右时促进效果较为明显;另一方面,海水能促进UHPC中Friedel盐的生成;而同时使用海砂和海水时,才能加速UHPC的早期水化,有利于UHPC的早期强度发展,不利于其后期强度发展,并且会在一定程度上使其孔隙结构更加致密。(3)研究了超高分子量聚乙烯(Ultra high molecular weight polyethylene,UHMWPE)纤维的体积掺量、纤维长度及与钢纤维的混杂对UHPSSC流动度及力学性能的影响,并与钢纤维进行了对比,通过分析其性能指标的变化,揭示了UHMWPE纤维与UHPSSC之间的作用关系。结果发现:随着UHMWPE纤维掺量的增加,UHPSSC的流动度会显著降低,抗压强度和抗折强度均会提高,三点弯曲韧性也会显著增强;UHMWPE纤维的长径比越小,对UHPSSC的流动度降低幅度越小,而对抗压强度和抗折强度及三点弯曲韧性的提升幅度则越大;UHMWPE纤维和钢纤维混杂,会加剧UHPSSC的流动度损失,使抗压强度和三点弯曲韧性均得到提升;在UHMWPE纤维掺量一定时,增加钢纤维掺量可提高抗折强度,而在钢纤维掺量一定时,增加UHMWPE纤维掺量则会小幅降低其抗折强度。
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