堿礦渣膠凝材料耐高溫性能及其在工程中應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、目前，粘貼碳纖維布加固技術(shù)，已被納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2006）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS146：2003）。碳纖維絲在絕氧條件下具有良好的耐高溫性能，其強(qiáng)度在1000℃以內(nèi)不隨溫度升高而降低。加固所用的常規(guī)環(huán)氧樹脂膠的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg僅為60℃~82℃，其燃點(diǎn)為600℃。由于火災(zāi)是一種高頻災(zāi)種，火災(zāi)發(fā)生時(shí)環(huán)境溫度高達(dá)數(shù)百度至上千度，這嚴(yán)重制約了粘貼碳纖維布加固技術(shù)的發(fā)展

2、。鑒于耐高溫環(huán)氧樹脂膠價(jià)格昂貴，且在粘貼碳纖維布過程中需在高溫環(huán)境中進(jìn)行，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用，研發(fā)耐高溫的無(wú)機(jī)膠凝材料成為行業(yè)的一種迫切需求。同時(shí)也可考慮耐高溫?zé)o機(jī)膠凝材料替代混凝土，用于高溫環(huán)境的工程建設(shè)。從相關(guān)文獻(xiàn)了解到地聚物具有良好的耐高溫性能，定性判斷堿礦渣膠凝材料（AASCM）應(yīng)具有與地聚物類似的性能。因此，我們以AASCM作為一個(gè)著力點(diǎn)，開展研究工作。
　?。?）嘗試進(jìn)行了?；郀t礦渣與鉀水玻璃，?；郀t礦渣與氫氧化鈉

3、，?；郀t礦渣與水泥和少量碳酸鈉，?；郀t礦渣和粉煤灰分別與鉀水玻璃、氫氧化鈉、水泥和少量碳酸鈉等六種方案試配，獲得了AASCM兩種較優(yōu)配比，即以礦渣為原料，模數(shù)Ms=1.0的鉀水玻璃為堿性激發(fā)劑，水玻璃用量占礦渣質(zhì)量的12％，用水量分別占礦渣質(zhì)量的35%和42%的兩種配比。按優(yōu)選配比配制的AASCM養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí)，當(dāng)用水量占礦渣質(zhì)量35%時(shí)40mm×40mm×160mm膠砂件抗壓強(qiáng)度為90.16MPa，邊長(zhǎng)70.7mm的立方體試件

4、抗壓強(qiáng)度為71.75MPa，70.7mm×70.7mm×228mm棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度為48.44MPa，啞鈴型試件抗拉強(qiáng)度為3.47MPa。當(dāng)用水量占礦渣質(zhì)量42%時(shí)40mm×40mm×160mm膠砂件抗壓強(qiáng)度為80.88MPa，邊長(zhǎng)70.7mm的立方體試件抗壓強(qiáng)度為64.53MPa，70.7mm×70.7mm×228mm棱柱體試件軸心抗壓強(qiáng)度為44.90MPa，啞鈴型試件抗拉強(qiáng)度為3.24MPa。AASCM強(qiáng)度相對(duì)較高，單方造價(jià)約

5、合330元，價(jià)格相對(duì)較低。兩種較優(yōu)配比中用水量占礦渣質(zhì)量42%時(shí)AASCM工作性能較好。因此，選擇用水量占礦渣質(zhì)量42%配比的AASCM為后續(xù)研究對(duì)象。
　?。?）為考察AASCM的常溫下力學(xué)性能，完成了60個(gè)40mm×40mm×160mm膠砂件、60個(gè)邊長(zhǎng)為70.7mm的立方體、60個(gè)70.7mm×70.7mm×228mm棱柱體的抗壓試驗(yàn)，完成了60個(gè)40mm×40mm×160mm試件的抗折試驗(yàn)，完成了60個(gè)啞鈴型試件的抗拉試驗(yàn)

6、，完成了60個(gè)邊長(zhǎng)為70.7mm立方體試件的劈拉試驗(yàn)。AASCM膠砂件抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)121.18MPa，邊長(zhǎng)為70.7mm立方體抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)96.43MPa，軸心抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)59.86MPa，抗折強(qiáng)度最高可達(dá)16.56MPa，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)4.45MPa，劈拉強(qiáng)度最高可達(dá)4.15MPa。通過對(duì)36個(gè)70.7mm×70.7mm×228mm的棱柱體試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，得到了AASCM受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€方程。對(duì)比分析可知，AA

7、SCM受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程上升段與普通混凝土相似，均為二次拋物線形式，AASCM考慮應(yīng)變梯度影響的下降段呈斜直線形式。通過采用SEM掃描電鏡和XRD衍射分析技術(shù)，確定了AASCM的水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣凝膠、水滑石和水化鋁酸四鈣等非晶質(zhì)物相。
　?。?）為對(duì)比粘貼效果，采用雙剪試驗(yàn)方法對(duì)90個(gè)用AASCM在混凝土表面粘貼纖維布試件（邊長(zhǎng)為100mm的混凝土立方體試塊，兩對(duì)面粘貼寬度為70mm，長(zhǎng)為100mm的纖維布條帶），進(jìn)行常溫

8、雙剪試驗(yàn)，獲得了與膠層毗鄰混凝土撕裂剝離的破壞形式，雙剪試件的面內(nèi)剪切強(qiáng)度在1.09~1.61MPa之間，與常規(guī)環(huán)氧樹脂膠基本持平。通過在160mm×160mm×1000mm混凝土棱柱體兩對(duì)面粘貼寬70mm，長(zhǎng)120mm至300mm，相鄰試件粘貼長(zhǎng)度相差20mm碳纖維布條帶的20個(gè)試件粘結(jié)錨固性能試驗(yàn)，量測(cè)了在各級(jí)荷載下碳纖維布與混凝土間剪應(yīng)力的分布及有效粘結(jié)長(zhǎng)度，獲得了碳纖維布被拉斷的同時(shí)混凝土被撕裂剝離時(shí)的碳纖維布的粘貼長(zhǎng)度（即錨固

9、長(zhǎng)度），擬合得到了常溫下碳纖維布有效粘結(jié)長(zhǎng)度和錨固長(zhǎng)度的計(jì)算公式。有效粘結(jié)長(zhǎng)度計(jì)算公式考慮了破壞荷載，碳纖維布軸向剛度bf Ef tf和碳纖維布加載端滑移量的影響；錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式考慮了碳纖維布抗拉強(qiáng)度，計(jì)算厚度以及碳纖維布與混凝土間粘結(jié)應(yīng)力的影響。
　?。?）為考察AASCM高溫下和高溫后力學(xué)性能，完成了96個(gè)40mm×40mm×160mm膠砂件和96個(gè)邊長(zhǎng)為70.7mm立方體在100℃~800℃高溫下和高溫后抗壓試驗(yàn)，完成了9

10、6個(gè)40mm×40mm×160mm試件在100℃~800℃高溫下和高溫后的抗折試驗(yàn)，完成了96個(gè)啞鈴型試件在100℃~800℃高溫下和高溫后的抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在600℃高溫下和600℃高溫后，AASCM膠砂件抗壓強(qiáng)度分別為常溫時(shí)的81.5%和103.5%， AASCM邊長(zhǎng)70.7mm立方體抗壓強(qiáng)度分別為常溫時(shí)的85.2%和105.5%，AASCM試件抗折強(qiáng)度分別為常溫時(shí)的44.6%和52.5%，AASCM啞鈴型試件抗拉強(qiáng)度分別為

11、常溫時(shí)的40.1%和48.3%。在800℃高溫下和800℃高溫后，AASCM立方體抗壓強(qiáng)度分別為常溫時(shí)的61.3%和66.7%。相同尺寸和養(yǎng)護(hù)條件下的水泥石立方體抗壓強(qiáng)度分別為常溫時(shí)抗壓強(qiáng)度的33%和42%，證明AASCM的耐高溫性能明顯優(yōu)于水泥石。通過回歸分析，擬合得到AASCM的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)隨溫度變化的計(jì)算公式?？芍?0℃~200℃高溫下，膠砂件和立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而降低；200℃~500℃時(shí)，

12、抗壓強(qiáng)度有所回升，500℃~800℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨溫度升高再次降低。在20℃~400℃高溫后，膠砂件和立方體抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而增大；400℃~800℃高溫后，抗壓強(qiáng)度隨溫度升高而降低。在100℃~800℃高溫下和100℃~800℃高溫后，40mm×40mm×160mm試件的抗折強(qiáng)度和啞鈴型試件的抗拉強(qiáng)度均隨溫度升高而降低。對(duì)比分析可知，高溫下AASCM各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)比高溫后的略低。采用SEM掃描電鏡和XRD衍射分析技術(shù)，揭示了AASCM

13、在600℃~800℃之間時(shí)，其水化產(chǎn)物—水化硅酸鈣凝膠逐漸分解，并伴有鎂黃長(zhǎng)石生成，物相組成由非晶相轉(zhuǎn)變?yōu)榫?，這是AASCM高溫力學(xué)性能下降的根本原因。
　?。?）為考察高溫下和高溫后用AASCM作膠粘劑和密封絕氧層時(shí)碳纖維布與混凝土間的粘結(jié)錨固性能，通過在160mm×160mm×1500mm棱柱體兩對(duì)面粘貼寬70mm，長(zhǎng)225mm至400mm，相鄰試件粘貼長(zhǎng)度相差25mm碳纖維布條帶的20個(gè)試件在100℃~500℃高溫下的雙剪

14、試驗(yàn)，呈現(xiàn)出粘結(jié)破壞（混凝土被撕裂剝離，或部分混凝土被撕裂剝離部分膠層滑脫）但碳纖維布未被拉斷，碳纖維布被拉斷但未發(fā)生粘結(jié)破壞以及碳纖維布被拉斷的同時(shí)發(fā)生粘結(jié)破壞。獲得了高溫下試件的破壞荷載和錨固長(zhǎng)度，擬合得到高溫下碳纖維布錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式?？芍?0℃~100℃高溫下，碳纖維布錨固長(zhǎng)度隨溫度升高而增加；100℃~500℃時(shí)，錨固長(zhǎng)度隨溫度升高而降低。為考察高溫后的粘結(jié)錨固性能，通過在160mm×160mm×1500mm棱柱體兩對(duì)面粘貼寬

15、70mm，長(zhǎng)200mm至340mm，相鄰試件粘貼長(zhǎng)度相差20mm碳纖維布條帶的20個(gè)試件和長(zhǎng)350mm至500mm，相鄰試件粘貼長(zhǎng)度相差25mm碳纖維布條帶的20個(gè)試件在100℃~500℃高溫后的雙剪試驗(yàn)，呈現(xiàn)出粘結(jié)破壞但碳纖維布未被拉斷，碳纖維布被拉斷但未發(fā)生粘結(jié)破壞以及碳纖維布被拉斷的同時(shí)發(fā)生粘結(jié)破壞等破壞形式。在前20個(gè)試件中量測(cè)了在各級(jí)荷載下碳纖維布與混凝土間剪應(yīng)力的分布和有效粘結(jié)長(zhǎng)度，獲得了高溫后相關(guān)試件的破壞荷載、有效粘結(jié)長(zhǎng)