【摘要】：本文主要研究活性粉末混凝土高溫蠕變行為和關(guān)鍵力學(xué)性能。活性粉末混凝土(RPC)是一種具有超高強(qiáng)度、高耐久性和高韌性新型水泥基材料。RPC性能提升的主要原因是對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的改善。在過去的二十年,RPC因其優(yōu)越性能,已逐漸應(yīng)用于民用建筑、核工程和工業(yè)建筑。混凝土結(jié)構(gòu)在高溫性能對(duì)于核工程和民用建筑的火災(zāi)下安全評(píng)估具有重要意義。因此,RPC高溫蠕變行為及其對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能的影響,是工程界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的問題。本文研究主要包括文獻(xiàn)綜述、試驗(yàn)研究和有限元分析三部分。在文獻(xiàn)綜述中,收集了RPC高溫下/后熱工性能、力學(xué)性能和應(yīng)變的試驗(yàn)結(jié)果,并與現(xiàn)有規(guī)范建議值進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,關(guān)于RPC高溫應(yīng)變及力學(xué)性能、高溫后RPC力學(xué)性能的無損檢測(cè)方法、高溫對(duì)RPC微觀結(jié)構(gòu)的影響研究較少。本文重點(diǎn)研究鋼纖維、聚丙烯(PP)纖維和混摻纖維(鋼纖維和PP纖維)對(duì)RPC高溫蠕變行為和關(guān)鍵力學(xué)性能的影響。摻加鋼纖維、PP纖維和混摻纖維的不同種類RPC分別被稱為SRPC、PRPC和HRPC。試驗(yàn)研究重點(diǎn)是RPC高溫蠕變行為、高溫下/后力學(xué)性能、高溫后的微觀結(jié)構(gòu)分析�；诓煌母邷�-力學(xué)狀態(tài),RPC高溫下變形可分為自由熱應(yīng)變(FTS)、短期蠕變(STC)和瞬態(tài)應(yīng)變(TS)。考慮了穩(wěn)態(tài)(恒溫加載)和瞬態(tài)(加載升溫)兩種不同的試驗(yàn)方案。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的目標(biāo)溫度為120℃、300℃、500℃、700℃和900℃。結(jié)果表明,STC隨著應(yīng)力水平和溫度的升高而增大。STC的增大在石英砂的過渡區(qū)域尤為明顯。此外,HRPC和SRPC的STC明顯高于PRPC和其他類型的混凝土(普通混凝土、高強(qiáng)混凝土)。在250℃以下,FTS和TS的發(fā)展非常緩慢。然而,在高溫下FTS和TS的數(shù)值明顯增大。此外,應(yīng)力水平的增大和鋼纖維摻加會(huì)導(dǎo)致TS增大。當(dāng)升溫速率在3℃/min到5℃/min之間時(shí),升溫速率對(duì)TS沒有影響。發(fā)現(xiàn)摻PP纖維RPC高溫蠕變小于摻鋼纖維或混摻纖維RPC的高溫蠕變。RPC受火3h高溫蠕變可達(dá)常溫下年蠕變的10~33倍。此外,RPC短期高溫蠕變明顯高于普通混凝土和高強(qiáng)混凝土,這主要是其水泥、石英和鋼纖維含量高所致。較系統(tǒng)研究了三種不同纖維摻量RPC在高溫下/后的力學(xué)性能。具體包括RPC立方抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變和應(yīng)力-應(yīng)變曲線。通過超聲波脈沖速度測(cè)試(UPV)和共振頻率測(cè)試(RF)兩種無損檢測(cè)(NDT)技術(shù)對(duì)高溫后RPC力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估。高溫下RPC的抗壓強(qiáng)度不斷降低:溫度不高于300℃時(shí),RPC相對(duì)抗壓強(qiáng)度低于NSC和HSC的相對(duì)抗壓強(qiáng)度,溫度高于300℃時(shí),RPC相對(duì)抗壓強(qiáng)度高于NSC和HSC。這可能會(huì)導(dǎo)致常溫下RPC適筋梁在高溫下發(fā)生少筋破壞。歷經(jīng)最高溫度不超過300℃時(shí),高溫后RPC抗壓強(qiáng)度略微升高,當(dāng)溫度高于300℃時(shí),高溫后RPC抗壓強(qiáng)度降低。通過掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、MIP分析儀、熱重分析(TG)等微觀分析手段,研究了RPC高溫物理、化學(xué)變化和力學(xué)性能退化的機(jī)理。TG/DSC曲線結(jié)果表明:100-250℃時(shí)游離水和凝膠水蒸發(fā),500℃左右時(shí)CH和C-S-H水合物在開始分解,700-900℃時(shí)發(fā)生方解石脫碳。在此溫度范圍內(nèi)RPC物理、化學(xué)變化是導(dǎo)致STC數(shù)值明顯變大的主要原因。XRD分析表明,在25到35~o之間的主要水合物為C-S-H,CH,C_3A,C_2S,C_3S和方解石。在500℃及500℃以上,C-S-H,CH,C_3A,C_2S,C_3S的峰值逐漸減少。570℃石英砂狀態(tài)轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致STC在此溫度范圍內(nèi)明顯增大。溫度高于400~500℃,TS明顯增大,主要是C-S-H高溫下分解所致。此外,Ca(OH)_2分解為CaO導(dǎo)致RPC內(nèi)部孔隙增多,也是導(dǎo)致TS增大的原因。隨溫度升高,RPC內(nèi)部孔隙增多。顯微照片顯示,溫度不超過300℃時(shí),RPC微觀結(jié)構(gòu)較為致密,這主要是高溫產(chǎn)生的水化硅酸鈣等所致。當(dāng)溫度超過300℃時(shí),微裂紋增多,水化物分解,石英態(tài)轉(zhuǎn)變,內(nèi)部孔隙增多。基于試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)展了RPC高溫蠕變、力學(xué)性能及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的計(jì)算公式。所提出的公式對(duì)于RPC結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。在上述研究基礎(chǔ)上,發(fā)展了RPC柱抗火性能分析的三維有限元模型,考慮了高溫蠕變、瞬態(tài)熱應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形的影響。結(jié)果表明:瞬態(tài)熱應(yīng)變和高溫蠕變將使軸壓柱的變形增大,若忽略其影響,導(dǎo)致柱耐火極限計(jì)算偏于不安全。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TU528.2
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本文編號(hào)：2677928