【摘 要】
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超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC),是一种高强度、高韧性、高耐腐蚀性的新型建材,在大跨度桥梁、高层建筑、防护工程等大型工程中被广泛应用。UHPC的水泥用量一般约为普通混凝土的2~3倍,水灰比极低,其内存在着大量未水化的水泥颗粒,当UHPC长期服役于水环境或者高湿度环境中,外界水分将会渗透到混凝土内部,并与未水化水泥发生二次水化反应,再水化作用
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超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC),是一种高强度、高韧性、高耐腐蚀性的新型建材,在大跨度桥梁、高层建筑、防护工程等大型工程中被广泛应用。UHPC的水泥用量一般约为普通混凝土的2~3倍,水灰比极低,其内存在着大量未水化的水泥颗粒,当UHPC长期服役于水环境或者高湿度环境中,外界水分将会渗透到混凝土内部,并与未水化水泥发生二次水化反应,再水化作用生成的物质的体积膨胀将造成混凝土内部结构损伤、开裂。由于裂缝的存在,外部的水分与有害成分得以渗透到混凝土材料内部,从而加快了材料各项性能的下降、缩短了其使用寿命。目前,针对UHPC的长期水稳定性问题,多数研究都是利用高温加速法来加速其水化作用,以缩短其完全水化的时间。但在高温下(如≥80℃),发育完全的钙矾石的膨胀会对UHPC的性能产生一定的影响,从而夸大了长期服役于水环境带来的不良影响。此外,目前针对硅灰、粉煤灰在再水化过程中的作用研究缺乏系统性。因此本文开展了UHPC长期浸泡试验,以系统研究UHPC在常温条件下的长期水稳定性。本文制备了四组UHPC试件(水灰比为0.2的纯水泥试件、单掺5%硅灰、单掺15%粉煤灰、双掺5%硅灰与15%粉煤灰),在长期常温水浸泡条件下,研究了再水化对UHPC试件的宏观性能、微观结构等的影响,并结合水分分布情况、孔结构分布、未水化物质与再水化产物含量变化,分析再水化作用机理及矿物掺合料对长期水稳定性影响机理。研究结果如下:(1)UHPC试件在长期常温浸泡下的强度变化可以分为三个阶段:(1)强化阶段,在浸泡初期,外界的水分会渗入到试件中,并与未水化的水泥颗粒发生水化反应,而新生成的C-S-H凝胶等则会填充孔隙、裂缝和空隙等缺陷,从而使其内部结构致密,力学性能得到显著的提升。(2)损伤阶段,随着水分的不断进入,试件内部持续进行再水化,水化产物会聚集成更大的凝胶体、吸水并不断膨胀,当孔隙内部的空间不足以容纳更多的再水化产物时,这些凝胶体会对孔隙产生膨胀应力,当此应力达到材料的极限时,孔壁开始破坏,有裂纹出现并继续扩展,微裂缝相连或是连通孔隙,形成了更大的裂缝和孔隙,致使力学性能下降。(3)修复阶段,裂纹的扩展使其内部的Ca(OH)2发生碳化,并产生微裂纹,从而更多的水分子能够进入到材料的内部,继续发生再水化反应,生成水化产物填充裂纹,从一定程度上修复了水泥基材料的力学强度。(2)在常温长期浸泡下,水分不断进入试件内部与未水化水泥颗粒发生反应,试件的质量持续增长,试件的吸水率先增长后降低。通过低场核磁共振测得试件内部的含水量随着浸泡龄期的增长先增加后减少,在浸泡初期,外界水分大量进入试件内部,水分子流动性变大,后期水分子与其他物质结合得越来越紧密。(3)在常温长期浸泡下,试件的孔隙率随浸泡龄期的增长呈先增大后减小的趋势,在浸泡360d后,C0.2与FA15%试件的孔隙率高于初始时。同时,随着再水化作用的不断发生,结构中无害孔和少害孔数量占比逐步增大,有害和多害的孔数量占比逐渐减小,孔结构不断优化。(4)在长期浸泡条件下,水分子不断进入与水泥颗粒发生水化反应,并通过消耗大量已生成的Ca(OH)2来加速未水化水泥颗粒的再水化,因此,UHPC试件的未水化水泥物质C2S、C3S、C3A、C4AF与水化产物Ca(OH)2的含量皆有所降低。本文采用场发射扫描电镜观察了各浸泡龄期试件内部在微观尺度下的变化情况,观测不同水化阶段的水化产物的微观形貌及其对结构的影响。(5)硅灰、粉煤灰的掺入优化了颗粒级配,使试件更加密实,从而降低了吸水率及质量变化率。在浸泡前期,矿物掺合料的火山灰效应未被激发、水化作用缓慢,从而试件的强度在前期较低;浸泡中后期,因火山灰效应,再水化速度加快,强度明显提高。硅灰、粉煤灰的掺入细化了孔隙,优化了孔结构。矿物掺合料的掺入替代了部分水泥,减少了未水化水泥颗粒,从而减少了再水化产物聚集、膨胀对试件内部结构造成的伤害,较低水灰比的纯水泥试件表现出更好的水稳定性。在长期常温浸泡条件下,双掺硅灰与粉煤灰的试件较单掺硅灰、单掺粉煤灰的试件表现出更好的水稳定性。
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