堿礦渣混凝土耐高溫性能研究.pdf

1、堿礦渣水泥生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能耗低，用其配制的堿礦渣混凝土具有優(yōu)良的力學(xué)性能和耐久性能。對(duì)于該混凝土的耐高溫性能，不同學(xué)者有不盡一致的認(rèn)識(shí)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，堿礦渣水泥水化產(chǎn)物中幾乎不含在高溫下易發(fā)生分解的Aft和Ca(OH)2，因此，堿礦渣混凝土具有較好的耐高溫性能；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，堿礦渣水泥石高溫下的收縮更大，漿體與集料間的熱變形差異導(dǎo)致其耐高溫性能較差。開展堿礦渣混凝土耐高溫性能研究，揭示高溫作用對(duì)其力學(xué)行為及微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，并建

2、立數(shù)值化模型，對(duì)豐富和發(fā)展堿礦渣混凝土理論研究，指導(dǎo)堿礦渣混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要意義。
　　論文試驗(yàn)研究了升溫制度、靜置時(shí)間、強(qiáng)度等級(jí)、集料以及纖維對(duì)高溫后堿礦渣混凝土試件外觀、質(zhì)量和強(qiáng)度的影響；采用綜合熱分析（TG-DSC）、X射線衍射(XRD)、傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)、掃描電子顯微鏡（SEM）、氮吸附等測(cè)試手段分析了堿礦渣水泥石高溫后產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)的變化。建立了高溫下堿礦渣混凝土多物理場(chǎng)傳輸模型，推導(dǎo)了全耦合數(shù)值

3、解法，并進(jìn)行了算例分析。研究揭示的主要規(guī)律與取得的主要成果如下：
　　堿礦渣混凝土強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)變化與受熱溫度有關(guān)。室溫～200℃范圍內(nèi)，溫度升高促進(jìn)了堿礦渣水泥石水化反應(yīng)，水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，混凝土抗壓強(qiáng)度較常溫有所增長(zhǎng)；受熱溫度超過200℃后，水泥石與集料界面粘結(jié)強(qiáng)度下降，混凝土強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)；600℃～700℃，堿礦渣水泥石失去非蒸發(fā)水，混凝土強(qiáng)度大幅度降低；受熱溫度達(dá)到800℃后，水泥石發(fā)生固相反應(yīng)，生成鈣黃長(zhǎng)石，混凝土中石灰

4、石集料部分分解，質(zhì)量損失率急劇增大，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重劣化。
　　堿礦渣混凝土高溫性能受強(qiáng)度等級(jí)的影響。低強(qiáng)度等級(jí)混凝土受高溫影響較小。強(qiáng)度等級(jí)越高，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，高溫條件下蒸汽壓力和熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷越大。堿礦渣水泥石具有比普通水泥石更大的熱收縮，高溫下水泥石與集料界面結(jié)構(gòu)劣化產(chǎn)生的微裂紋不僅不會(huì)顯著降低混凝土強(qiáng)度，而且可以有效緩解蒸汽壓力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，避免爆裂現(xiàn)象的發(fā)生。與同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土相比，堿礦渣混凝土強(qiáng)度劣化溫度提高100

5、～200℃。
　　堿礦渣混凝土高溫性能受升溫制度的影響。受熱溫度在400℃及以上溫度條件下，升溫速度越快，混凝土的損傷越嚴(yán)重；1h～6h范圍內(nèi)，持溫時(shí)間越長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度損失越大?？諝饫鋮s與水冷兩種冷卻方式作用下堿礦渣混凝土高溫后性能相近。受熱溫度低于400℃，高溫后再經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，混凝土強(qiáng)度能夠增長(zhǎng)。經(jīng)600℃及以上溫度作用后的堿礦渣混凝土即使經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，水泥石水化過程難以發(fā)展，強(qiáng)度損失無法恢復(fù)。
　　堿礦渣混凝土高溫

6、性能受集料熱物理性能的影響。玄武巖高溫下體積變形小，與漿體界面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，蒸氣難以散逸，導(dǎo)致蒸汽壓力對(duì)混凝土損傷較大。石灰石在800℃左右發(fā)生分解，對(duì)以石灰石為集料的堿礦渣混凝土結(jié)構(gòu)影響顯著。頁巖陶粒孔隙率大，高溫作用下可以緩解蒸汽壓力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，降低混凝土高溫后的強(qiáng)度損失。比較而言，頁巖陶粒配制的堿礦渣混凝土高溫性能較好。
　　堿礦渣混凝土高溫性能受纖維影響較小。常溫至600℃范圍內(nèi)，鋼纖維對(duì)堿礦渣混凝土增強(qiáng)作用明顯，受熱

7、溫度達(dá)800℃時(shí)，鍍銅鋼纖維鍍層嚴(yán)重氧化，纖維與漿體粘結(jié)強(qiáng)度降低，增強(qiáng)作用減小。堿礦渣混凝土界面結(jié)構(gòu)劣化產(chǎn)生的微裂紋可有效降低孔壓，聚丙烯纖維在堿礦渣混凝土高溫性能中所起的作用不明顯。
　　堿礦渣混凝土高溫條件下的結(jié)構(gòu)變化符合多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)規(guī)律。將堿礦渣混凝土模型化為由固體骨架與孔隙組成的多孔介質(zhì)，以多孔介質(zhì)理論為基礎(chǔ)，建立了堿礦渣混凝土高溫過程中的濕熱傳輸機(jī)制。在Bazant模型基礎(chǔ)上考慮了固體骨架體積應(yīng)變率和孔隙壓力的全耦合

8、效應(yīng)以及全耦合效應(yīng)下的彈性形變對(duì)濕熱傳輸機(jī)制的影響，發(fā)展建立了堿礦渣混凝土高溫條件下的熱-孔隙-彈塑性全耦合數(shù)學(xué)模型。
　　采用徑向回歸解法和Newton-Raphson向后歐拉法求解介質(zhì)傳輸過程的應(yīng)力增量。同時(shí)，為了保證求解過程二階收斂，提出了用于熱-孔隙-彈塑性全耦合過程求解的一致性切線模量剛度矩陣，建立非穩(wěn)態(tài)有限元格式。結(jié)合對(duì)堿礦渣混凝土熱物參數(shù)的研究，通過二次開發(fā)，采用ABAQUS軟件進(jìn)行了算例分析。算例分析表明模型計(jì)算結(jié)