超高性能再生细骨料混凝土制备与性能试验研究

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超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是一种力学性能和耐久性能优异的水泥基复合材料,在交通和建筑工程中具有广阔的应用前景。由于制备UHPC的水泥用量大、生产成本高等缺点,其推广应用受到较大限制。本文利用矿物掺合料部分替代水泥,再生细骨料(Recycled fineaggregate,RFA)全部代替河砂等天然骨料,并掺入微丝钢纤维,制备出性能优异的超高性能再生细骨料混凝土(Ultra-high performance recycled fine aggregate concrete,UHPRFAC),同时进行了 UHPRFAC工作性能、抗压性能和抗折性能试验,并结合SEM微观测试和XRD物相分析阐明了 UHPRFAC的性能演变机理,根据对试验结果的分析,建立相应的计算模型。主要研究内容如下:(1)通过石灰石粉、粉煤灰、硅灰和矿渣粉四种矿物掺合料的单掺和复合掺入方式对UHPC用硅酸盐水泥基胶凝材料工作性能及抗压性能改性效果的对比试验,优选复合胶凝材料的配合比。结果表明:水泥、石灰石粉、粉煤灰、硅灰和矿渣粉的较优掺量分别为55%、5%、12%、8%和20%,在此掺量下可发挥矿物掺合料的“超叠效应”,使复合胶凝材料硬化浆体抗压强度达到166.6MPa,可作为UHPRFAC的胶凝材料。(2)通过填隙法(VFM)、堆骨法(CAP)、Fuller模型(FM)和修正的安德森模型(MAAM)设计出不同的再生细骨料级配,利用优化的复合胶凝材料和不同级配的再生细骨料制备UHPC胶砂混合料,研究再生细骨料级配对UHPC胶砂工作性能、抗折和抗压强度的影响,结果表明:再生细骨料级配对拌合物工作性能、试件破坏形态及力学性能有显著影响;通过对力学性能和归一化综合强度的评价,提出MAAM应用于再生细骨料级配设计的关键参数建议值,即当MAAM中分布模数n取0.32、Φmin取0.038、Φmax取4.75时,可设计出较优的再生细骨料级配,使UHPC胶砂获得密实的堆积结构,其抗压强度达133.0MPa;0mm-0.15mm再生微粉对再生细骨料UHPC胶砂的工作性能及早期强度有显著影响;根据对试验结果的分析,提出了再生细骨料裹浆厚度的计算方法。(3)在优选的UHPC胶砂配合比基础上,将体积掺量0%-15%的长度分别为6mm和13mm两种镀铜微丝钢纤维掺入胶砂混合料中制备UHPRFAC,研究钢纤维类型和掺量对UHPRFAC工作性能和力学性能的影响。结果表明:随着钢纤维掺量从0%提高至15%,两种钢纤维均能显著提升UHPRFAC的力学强度;当6mm和13mm两种钢纤维掺量均为12%时,可制备出抗压强度分别达179.8MPa和185.5MPa的UHPRFAC,而当两种钢纤维掺量分别为15%和9%时,可制备出弯曲强度分别达49.9MPa和70.3MPa的UHPRFAC,综合技术和经济性能,6mm和13mm的最佳掺量分别建议为12%和9%。(4)研究了 6mm和13mm两种钢纤维均以0%-15%的掺量掺入后对UHPRFAC轴心抗压性能的影响,结果表明:UHPRFAC的轴心抗压强度、峰值应变和弹性模量等性能指标均随钢纤维掺量的提高呈先上升后下降的规律,由试验结果建立了考虑钢纤维特征参数影响的各指标经验模型,提出了上升段为六次多项式、下降段为有理分式的UHPRFAC单轴受压本构方程。(5)研究了 6mm和13mm两种钢纤维均以0%-15%的掺量掺入后对UHPRFAC弯曲抗折性能的影响,结果表明:随着钢纤维掺量的提高,UHPRFAC弯曲荷载-跨中挠度曲线变得饱满,在相同纤维掺量下,13mm钢纤维对应的全曲线包络面积和峰值荷载较6mm钢纤维的有大幅提升;UHPRFAC单轴受压本构模型仍适用于弯曲荷载-跨中挠度曲线;采用峰值荷载前后的弯曲韧度比评价UHPRFAC弯曲韧性,能够较为真实的反映UHPRFAC的弯曲韧性,并由试验结果建立了弯曲韧度比的计算模型。
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