超高性能水泥基復合材料微結(jié)構(gòu)形成機理與動態(tài)力學行為研究.pdf

1、超高性能水泥基復合材料(Ultra-high performance cementitious composites，UHPCC)是一種以硅酸鹽水泥和多種工業(yè)廢渣為膠凝體系、以高強粗集料和鋼纖維為增強項、采用常規(guī)制備技術(shù)所得抗壓強度大于150MPa、同時具有良好流動性能、力學性能和耐久性能的低能耗生態(tài)型綠色環(huán)保建筑材料。該新型材料具備活性粉末混凝土(Reactive powder concrete，RPC)超高力學性能、耐久性能之優(yōu)點，

2、同時克服了其材料造價高、能耗大、制備工藝復雜、不易于在實際工程中應用等不足，具有非常廣闊的工程應用前景。本文對超高性能水泥基復合材料微結(jié)構(gòu)形成機理、配合比設計理論、制備技術(shù)、準靜態(tài)力學性能、動態(tài)力學性能、抗高速侵徹性能和抗爆炸性能進行了深入系統(tǒng)研究，獲得以下創(chuàng)新成果:
　　 一、微結(jié)構(gòu)形成過程及機理
　　 自主發(fā)明了新型超聲波測量儀（專利號200910028456.8）和高溫型無電極電阻率測量儀（專利號201120085

3、277.0），新型儀器都克服了以往只能測量室溫條件下水化反應過程之不足，可以分別實現(xiàn)對多種溫度條件下水泥基材料早期水化過程超聲波速和電阻率變化的自動監(jiān)測，測量結(jié)果表明兩種新型儀器都具有很高靈敏性、可靠性以及重現(xiàn)性。利用發(fā)明的儀器，結(jié)合高精度恒溫量熱儀，對超高性能水泥基復合材料早期水化過程進行了原位、持續(xù)、定量地跟蹤監(jiān)測，系統(tǒng)研究了水灰比、養(yǎng)護溫度、礦物摻合料、集料、鋼纖維等因素對于超高性能水泥基復合材料早期水化進程、微結(jié)構(gòu)形成過程的影響

4、規(guī)律，并深入剖析了整個水化過程中化學反應和物理變化。
　　 基于超聲波、電阻率和水化熱試驗所提供關(guān)于超高性能水泥基復合材料早期水化、硬化過程多角度信息，建立了超高性能水泥基復合材料早期水化硬化、微結(jié)構(gòu)形成機理模型。該模型將UHPCC早期水化硬化過程分為溶解期、誘導期、加速期、減速期和穩(wěn)定期五個階段，并詳細描述了UHPCC自與水接觸開始到硬化完成的整個時期內(nèi)所發(fā)生的從微觀、細觀到宏觀多尺度下的物理化學變化，以及各因素在每一階段中對

5、UHPCC的水化、微結(jié)構(gòu)形成所造成的影響。該模型可以為指導超高性能水泥基材料配合比設計與及解釋其優(yōu)異物理力學和耐久性能的機理提供理論支持。
　　 二、配合比設計理論與制備技術(shù)
　　 利用本文建立的超高性能水泥基復合材料微結(jié)構(gòu)形成機理模型，提出了超高性能水泥基復合材料配合比設計理論。首先，基于最大密實度理論與流變學原理，采用不同顆粒細度的活性二元和三元超細工業(yè)廢渣復合技術(shù)，以最佳流動性能為判據(jù)、以最強力學性能為向標，制備出

6、適合超高性能水泥基復合材料的多元復合膠凝體系，該體系能充分發(fā)揮不同廢渣的潛能與互補效應，改善微集料-水泥凝膠、細集料-水泥基和高強粗集料-水泥砂漿整體多種尺度的界面區(qū)細觀與微觀結(jié)構(gòu)，消除傳統(tǒng)水泥基材料薄弱的過渡界面區(qū)，進而為粗細集料的摻加奠定了理論基礎(chǔ);其次，基于多元復合膠凝體系，利用密實骨架結(jié)構(gòu)設計理論，研究集料粒徑、級配對整體空隙率的影響，以實現(xiàn)集料最緊密堆積為原則，進行粗、細集料和級配的精確設計;最后，基于復合材料理論和纖維間距理

7、論，優(yōu)選與水泥基體間具有高粘結(jié)、高錨固作用的高強短細鋼纖維，合理設計其長徑比、體積摻量，做到鋼纖維在基體空間中的均勻分布，充分發(fā)揮其增強、增韌之功效。超高性能水泥基復合材料配合比設計理論的提出，在理論上豐富、充實、完善與發(fā)展了無機膠凝材料學。
　　 三、工作性能與準靜態(tài)學性能
　　 基于本文所提出的超高性能水泥基復合材料配合比設計理論，精心設計了摻加不同種類和不同粒徑粗集料、不同摻量和不同外形鋼纖維多種類型的超高性能水泥

8、基復合材料;然后，利用混凝土流變測定儀定量研究了新拌UHPCC漿體的流變行為，發(fā)現(xiàn)新拌UHPCC漿體不泌水、不分層、不離析，具備良好流動性、粘聚性、均勻性和易密性;最后，利用MTS試驗機對硬化后UHPCC試件的抗壓、抗折、軸心抗拉等準靜態(tài)力學性能進行了系統(tǒng)研究，并結(jié)合掃描電鏡(SEM)微觀測試技術(shù)，從多角度、多層面、系統(tǒng)性地揭示了粗集料與鋼纖維增強項的作用機理和對超高性能水泥基復合材料準靜態(tài)力學性能的影響規(guī)律。
　　 四、動態(tài)力

9、學性能
　　 利用直徑為75mm的霍普金森壓桿(Split Hopkinson press bar，SHPB)對16個不同配合比超高性能水泥基復合材料進行了應變率在120s-1范圍內(nèi)的動態(tài)沖擊壓縮、沖擊拉伸試驗，系統(tǒng)研究了多應變率條件下不同種類和粒徑的粗集料、不同摻量和外形的鋼纖維對UHPCC單次沖擊壓縮、單次沖擊拉伸、多次重復沖擊壓縮、多次重復沖擊拉伸性能的影響規(guī)律性。此外，借助超聲波技術(shù)對UHPCC多次重復沖擊進行損傷評估，

10、揭示了UHPCC材料抵抗重復沖擊荷載的本質(zhì)特征。結(jié)果表明:無論是沖擊壓縮試驗還是沖擊拉伸試驗，UHPCC材料都表現(xiàn)出明顯的“應變率效應”，但后者的效應現(xiàn)象更為明顯;高強的玄武巖集料能在試件內(nèi)部形成高強骨架，有利于UHPCC動態(tài)沖擊壓縮能力的提高，但對沖擊拉伸能力微有降低;鋼纖維摻量的提高能顯著提高其抗單次、多次重復沖擊的能力，維持試件的完整性。利用大型非線性有限元軟件LS-DYNA對動態(tài)沖擊壓縮過程進行三維數(shù)值仿真，通過與真實試驗結(jié)果反

11、復對比調(diào)試，獲得了能反映UHPCC材料在高應變率動態(tài)沖擊條件下?lián)p傷破壞過程的模型參數(shù)，該參數(shù)模型將為高速侵徹、爆炸這種超高應變率條件下的試驗數(shù)值仿真奠定基礎(chǔ)。最后，利用新獲得的模型參數(shù)，對UHPCC試件在高速沖擊壓縮這種瞬態(tài)過程中材料的受力、變形與破壞特征通過計算機進行了重現(xiàn)。
　　 五、抗侵徹與爆炸性能
　　 基于超高性能準靜態(tài)與動態(tài)力學性能的研究結(jié)果，精心挑選了五個普通混凝土與超高性能水泥基復合材料配合比，應用量綱分

12、析與相似理論設計并制作了20個大型靶體。利用新型高動能深侵徹縮比鉆地彈對靶體進行了中速(505m/s)與高速(850m/s)的實彈侵徹試驗，借助超高速數(shù)字攝影機（18000張/秒），觀察并記錄了彈體高速沖擊UHPCC靶體的全過程。基于對侵徹規(guī)律的研究和試驗數(shù)據(jù)，建立與靶體材料密切相關(guān)的彈體侵徹模型，該模型較準確地預測了彈體的侵徹深度。最后，應用非線性動力學分析程序LS-DYNA對侵徹過程進行數(shù)值仿真，重現(xiàn)了彈丸高速撞擊UHPCC靶體這種

13、微秒級瞬態(tài)過程中的受力特征;基于模擬結(jié)果，對彈靶結(jié)構(gòu)響應、靶體的整體與局部效應和彈丸的動態(tài)響應進行了深入的分析，深層次地揭示了超高性能水泥基復合材料抵抗新型彈體侵徹性能的機理特征。
　　 利用TNT炸藥，對五個配合比共15個靶體進行了野外抗爆炸、抗震塌試驗，此外還對UHPCC靶體進行了二次重復爆炸試驗，系統(tǒng)研究普通強度混凝土與超高性能水泥基復合材料的抗爆炸性能。試驗結(jié)果表明，與普通混凝土相比較，超高性能纖維增強水泥基復合材料具備

14、優(yōu)越的抗爆炸能力;鋼纖維的加入能明顯減輕爆炸沖擊對于靶體迎爆面和背爆面的破壞，防止靶體震塌破壞情況的出現(xiàn)。二次爆炸試驗表明，UHPCC靶體在二次爆炸后能保持其完整性，裂而不散，具備優(yōu)異的抗多次爆炸能力。最后，利用LS-DYNA軟件、采用流固耦合算法對靶體接觸爆炸過程進行了數(shù)值仿真，重現(xiàn)了靶體在爆炸這種微秒級瞬態(tài)過程中應力波傳播、變形與破壞特征，基于模擬結(jié)果分析了爆炸沖擊荷載對UHPCC靶體的毀傷效應及靶體的動態(tài)響應，揭示了超高性能水泥基