含玄武岩粗骨料超高性能混凝土的抗压强度和弹性模量

摘要

抗压强度是混凝土最基本的力学性能，弹性模量反映了混凝土弹性变形能力，是衡量混凝土构件刚度和工程中结构设计的重要参数。超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC)为一种高强且具有优越耐久性的新型复合材料，其抗压强度为120MPa以上，弹性模量为40~60GPa，深入理解UHPC的高强度和高弹模有利于UHPC在工程中的运用。目前UHPC弹性模量可通过以下几种方式获取：轴向受压变形测试；基于微观弹性性能，采用多尺度模型以及均匀化理论进行弹性模量预测；建立抗压强度、动弹性模量与静弹性模量的关系而对弹性模量预测。但这几种方式的准确性以及其相互之间的差异性无法正确评估。此外，由于UHPC原材料、配比和养护的多样化，其水化产物和微观结构较为复杂，这会进一步影响UHPC的宏观弹性模量。　　本文旨在对含玄武岩粗骨料UHPC的抗压强度和弹性模量进行研究，并实现对UHPC弹性模量的有效预测。研究内容主要包括：测试不同水胶比、玄武岩粗骨料掺量、胶凝材料、钢纤维单掺及混掺、养护制度和龄期等因素对UHPC抗压强度和弹性模量的影响；基于试验数据，建立立方体抗压强度与轴心抗压强度、动弹性模量与静弹性模量以及抗压强度与弹性模量之间的关系；此外，基于UHPC的微观力学性能，采用均质化理论对不同尺度弹性模量进行预测，并进行验证分析。结果主要包括：　　关于不同因素对UHPC抗压强度和弹性模量的影响。1)低水胶比UHPC微观结构相对致密，水胶比0.16较0.18UHPC抗压强度更高，然而水胶比为0.14的UHPC抗压强度低于水胶比为0.16的强度。此外，未水化水泥颗粒较水化产物具有更高的弹性模量，其残留对UHPC弹性模量的提高有利，故水胶比0.14的UHPC弹性模量相对较大；2)当胶凝材料掺量为750kg/m3~850kg/m3时，基体相增多使得其与骨料间粘结作用增强，UHPC弹性模量随之增大；3)玄武岩骨料形成UHPC的刚性骨架，抗压强度随其掺量增加而先增大后减小，并在掺量为800kg/m3时达到最大值，弹性模量随粗骨料掺量增加呈线性增长；4)长、短钢纤维混掺较单掺更有利于提高UHPC抗压强度和弹性模量，总体上，纤维的影响较小；5)UHPC抗压强度和弹性模量早期发展较快，标准养护3d的抗压强度达80℃蒸汽养护3d时的65%~68%，标准养护7d弹性模量可达28d弹模的90%，80℃高温蒸汽养护3d较标准养护28d的弹性模量更大。　　对试验结果进一步分析可得出，UHPC轴心抗压强度约为立方体抗压强度的0.82倍，静弹性模量为动弹性模量的0.87倍。并对已有混凝土弹性模量关于抗压强度的表达式的适用性进行了评价，且基于本研究以及相关文献数据拟合出关于UHPC弹性模量的幂函数表示式。最后，采用均匀化理论对UHPC不同尺度的弹性模量进行预测，预测值与实测值相差较小，准确性较高。

目录

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目 录

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 超高性能混凝土受压弹性模量的测试

1.2.1 宏观测试

1.2.2 微观弹性性能测试

1.3 超高性能混凝土弹性模量的影响因素

1.3.1 胶凝材料

1.3.2 粗骨料

1.3.3 钢纤维

1.3.4 养护制度

1.4 研究目的和意义

1.5 研究内容及论文大纲

第 2 章 原材料及试验方法

2.1 主要原材料及其性能

2.1.1 胶凝材料

2.1.2 细骨料

2.1.3 粗骨料

2.1.4 钢纤维

2.1.5 减水剂

2.2 试验配合比设计

2.3 试件制备及养护

2.4 试验方法

2.4.1 强度

2.4.2 静弹性模量

2.4.3 动弹性模量

2.4.4 骨料压碎值

第 3 章 超高性能混凝土抗压强度的研究

3.1 水胶比

3.2 不同胶凝材料组分

3.3 粗骨料掺量

3.4 钢纤维

3.5 养护制度

3.6 立方体抗压强度和轴心抗压强度的关系

3.7 本章小结

第 4 章 超高性能混凝土弹性模量的研究

4.1 水胶比

4.2 胶凝材料掺量

4.3 粗骨料掺量

4.4 钢纤维

4.5 养护制度

4.6 静弹性模量和动弹性模量的关系

4.7 本章小结

第 5 章 超高性能混凝土弹性模量的预测

5.1 多尺度模型计算超高性能混凝土弹性模量

5.1.1 不同尺度弹性模量的计算

5.1.2 多尺度模型的验证

5.2 超高性能混凝土抗压强度和弹性模量的关系

5.2.1 不同强度等级弹性模量表达式

5.2.2 含玄武岩粗骨料超高性能混凝土弹性模量表达式

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢