硅粉对钢纤维再生混凝土高温后轴压及断裂性能影响研究

摘要

目前我国建筑垃圾年产量超过15亿吨，污染严重且资源化利用率低，其环保再生技术急需提升。实际上，建筑垃圾绝大部分属于可再生利用的材料（废旧混凝土、砖块和天然石材等），采用建筑垃圾制备再生混凝土的技术在我国具有广阔的应用前景。然而，由于建筑垃圾再生骨料存在强度低、孔隙率大等缺陷，目前国内成熟的技术较少，以建筑垃圾再生骨料制备的混凝土总体性能不佳。因此，研发高性能再生混凝土，并探明其常温和高温后的力学性能，从而推广应用，既能减轻环境污染，又节省原材料的消耗，对推动我国绿色建筑发展具有重大的战略意义。
　　在改性混凝土中，加入钢纤维的技术已经广泛地运用在实际工程中，钢纤维的桥接和拉结效应能较大幅度地改善混凝土材料的脆性、抗冲击、抗拉和抗折强度以及耗能能力等性能。另外，在混凝土掺入硅粉也一种常见的改性方法。硅粉是在冶炼工业中产生的废料，对环境有严重污染。硅粉作为掺和料掺入混凝土后，将发挥其火山灰和微填充效应，能够增加混凝土的密实度，提高抗压强度。国内外对硅粉改性普通混凝土和钢纤维混凝土的基本力学性能开展了较多的试验研究，但缺少对硅粉改性钢纤维再生混凝土力学性能的研究，特别欠缺其高温后轴压及断裂性能的研究。为此，本研究以硅粉钢纤维再生骨料混凝土（SSFRAC）为研究对象，探讨硅粉对钢纤维再生混凝土（SFRAC）常温和高温后轴压及断裂性能的影响。以硅粉掺量（以质量相等的方式取代水泥）和不同目标温度为变量，制备了一系列的圆柱体试件和切口小梁，分别实施了单轴压缩试验和三点弯曲断裂试验，分析不同温度作用后SSFRAC轴压性能和断裂性能的变化规律。本文的主要研究内容和结论如下：
　　1)以硅粉掺量（0％、4%、8%和12%）为变量，制备了30组共90个尺寸为φ150mm×300mm（直径×高度）的SSFRAC圆柱体试件，在不同目标温度（25℃、200℃、400℃、600℃和800℃）作用后，通过实施单轴压缩试验，探讨了硅粉对纤维再生混凝土高温后轴压性能的影响。研究结果表明，硅粉与钢纤维显现优良的耦合作用，硅粉的掺入能提高纤维再生混凝土高温后的抗压强度。不同高温作用后，各配合比的SSFRAC的抗压指标均下降，与抗压强度相比，其抗压刚度的降幅更为明显。各级温度条件作用后，SSFRAC的硅粉最优掺量并不呈现单调的规律。综合考虑SSFRAC不同目标温度作用后的各项抗压性能指标，当目标温度低于400℃时，8%的硅粉掺量为SSFRAC的最优掺量；当目标温度大于400℃时，4%的硅粉掺量为SSFRAC的最优掺量；
　　2)以硅粉掺量（0%、4%、8%和12%）为变量,制备了30组共90个尺寸为100mm×100mm×515mm（长×宽×高）的SSFRAC带切口小梁，在不同目标温度（25℃、200℃、400℃、600℃和800℃）作用后，通过实施三点弯曲试验，探讨了硅粉对纤维再生混凝土高温后弯曲断裂性能的影响。研究结果表明，硅粉的掺入能提高纤维再生混凝土高温后弯曲作用的断裂能、起裂韧度和失稳韧度等抗折性能指标，但硅粉对其改善提高的效果不尽相同。随着作用温度的升高，SSFRAC抗折性能越来越差，与抗压强度相比，高温对SSFRAC抗折强度的影响更大。基于对SSFRAC高温后轴压性能与断裂性能的综合考虑，4%宜作为硅粉的最优掺量；
　　3)基于SSFRAC的轴压与三点弯曲断裂试验，结合扫描电镜（SEM）技术，探索了SSFRAC高温损伤机理以及轴压和断裂的破坏模式。研究发现，掺入硅粉增加了轴压破坏脆性特征。常温下硅粉的二次水化作用生成的C-S-H凝胶能使结构更为致密，从而提高水泥石与骨料、水泥石与钢纤维的粘结性，某些带缺陷的骨料会先于骨料与水泥石界面被劈裂切断破坏。大于400℃后各配合比混凝土中的C-S-H凝胶网状结构连结减弱，开始有分层与疏松的趋势，高温使骨料与水泥石、钢纤维与水泥石之间的粘结力降低。

目录

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 SSFRAC高温后轴压性能研究

2.1 引言

2.2 试验概况

2.3 轴压性能试验结果与分析

2.4 本章小结

第三章 SSFRAC高温后断裂性能研究

3.1 引言

3.2 试验概况

3.3 高温后的质量损失

3.4 硅粉对SFRAC高温后断裂能的影响

3.5 硅粉对SFRAC高温后双K断裂参数的影响

3.6 本章小结

第四章 SSFRAC高温后轴压和断裂破坏机理

4.1 引言

4.2 高温作用后混凝土外观

4.3 高温损伤机理

4.4 高温作用后SSFRAC破坏模式

4.5 本章小结

结论与建议

本研究结论

建议

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

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致谢