石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土升温化冰研究

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石墨砂浆注浆钢纤维混凝土长龄期耐久性能

Ｋｅｏｒｓ：ｇａｈｔｓｅｌｉｅ；ｏｒｔｄｒｂｌｙｙｗｄｒｐｉｅ；ｔｅｂｒｃｎｃｅｅ；ｕａｉｉｆｔ
０引言
注浆纤维混凝土（ｌｒｎｌａｅｉｅｏｃｅｅ简称ＳｕｒＩｆｔｔｄＦｂｒＣｎｒｔ，ｙｉｒ
关键词：石墨；钢纤维；混凝土；耐久性中图分类号：Ｔ５８５２Ｕ２．７文献标志码：Ａ文章编号：１０ — ５０２０）１０５ — ３０２３５（０８１－０３０
Ｐｒｐｅｒｉｓｏｆｔｏｎｇ— ｉｅｄｕｒｂｉｔｆＧＳＩＣＯＮｏｔｅｈｅｌｔｍａｌｙｏｉＦ
ｍｅｔｌｅｕｌｈｏｔａ，ｕｎｅｒ，ｈｏｒｓｉｅｓｒｎｈｏＩｎａｓｔｓｗｈｔｄｒｇ５ｙａｓｔｅｃｍｐｅｓｖｔｅｇｔｆＧＳＦＣＯＮａｅｍｐｏｉｇｃｎｉｕｕｓｄｃｅｒｃｒｏｉｎｏｅｓｅｌｒｓｉｈｓｂｅｎｉｒｖｎｏｔｏｌａｌａｏｒｓｏｆｔｔｅｎｙｎｈｉｒａｅｎｔｅｏｎｄｆｅｓｈｖｏｅｎｆｕ．ｂｂ
２０年第１０８１期（总第２９期）２
Ｎｕｅ１ｎ２０（ｏａＮｏ２９ｍｂｒ０８Ｔｔｌ．）１ｉ２
混
凝
Ｃｏｃｅｅｎｒｔ
土
原材料及辅助物料
ＭＡＴＥＡＩＲＩＡＮＤＡＤＭＩＣＬＮＩＥ
石墨砂浆注浆钢纤维混凝土长龄期耐久性能

玻纤-钢纤维对混凝土抗裂和冻融性能的影响的开题报告

玻纤-钢纤维对混凝土抗裂和冻融性能的影响的开题报告
一、选题背景
混凝土是一种广泛应用于建筑领域的材料，具有高强度、易塑性、可塑性以及耐久性等特点。

但由于混凝土自身的物理性质，容易出现裂缝问题，而裂缝则会影响其整体的强度和耐久性。

因此，如何提高混凝土的抗裂性能是一个重要的研究方向。

另一方面，在寒冷地区，混凝土还需要具备可靠的抗冻融性能。

随着近年来大规模建设和改造的进展，建筑材料的研发和应用也在不断地提高，为了满足对混凝土材料的要求，于是就有了使用玻纤-钢纤维来改善混凝土性能的想法。

因此，本文研究的目的是探究玻纤-钢纤维对混凝土的抗裂性能和冻融性能的影响，以提高混凝土的整体品质和使用寿命。

二、研究内容
本文主要研究的内容如下：
1. 玻纤-钢纤维的基本性质和特点，以及其改善混凝土性能的机理。

2. 对混凝土抗裂性能和冻融性能的检测，采用经典的试验方法，如拉伸试验和冻融循环试验等。

3. 将玻纤-钢纤维加入混凝土中，并观察对混凝土抗裂性能和冻融性能的影响。

4. 通过实验数据分析，探究玻纤-钢纤维对混凝土性能的改善程度。

三、研究意义
本文的研究意义主要在于：
1. 探究玻纤-钢纤维对混凝土性能的改善程度，为混凝土抗裂和冻融性能的改革提供了有力的支持。

2. 提高混凝土的整体品质和使用寿命，为建筑工程的长期使用提供了保障。

3. 进一步推动新型建筑材料的研发和应用，具有重要的科研价值。

钢纤维水泥砂浆与混凝土界面粘结性能试验研究的开题报告

钢纤维水泥砂浆与混凝土界面粘结性能试验研究的开题报
告
一、研究背景和意义：
钢纤维水泥砂浆和混凝土是目前建筑领域中广泛应用的材料之一，它们的性能已经得到了广泛的认可。

然而，两种材料之间的粘结性能却很少被研究。

研究材料的粘结性能对于提高整体工程质量，延长材料使用寿命具有重要意义。

二、研究内容：
本研究选取一种破碎钢纤维、水泥和砂为原料，制作钢纤维水泥砂浆。

同时，也将破碎钢纤维加入混凝土中，制作钢纤维混凝土。

利用不同粘结剂在不同的接触时间下，研究钢纤维水泥砂浆与混凝土之间的粘结性能。

显微观下分析界面破坏的形态。

通过对不同粘结剂的对比试验，找出最佳的粘结剂。

三、研究方法：
1. 材料选取：研究选取破碎钢纤维、水泥、砂、金红石粉、水泥黄沙、水凝胶等作为原材料。

2. 样品制备：制作钢纤维混凝土和水泥砂浆样品。

3. 粘结性试验：利用不同粘结剂在不同的接触时间下，测量两种材料之间的粘结强度。

观察并分析钢纤维水泥砂浆和混凝土之间粘结破坏的形态。

4. 结果分析：对试验结果进行分析和归纳，并对最佳粘结剂进行探究。

四、预期成果：
通过对钢纤维水泥砂浆和混凝土界面之间的粘结性能进行研究，能够得到如下结果：
1、了解钢纤维水泥砂浆和混凝土之间的粘结性能。

2、找出最佳的粘结剂。

3、提高钢纤维水泥砂浆和混凝土之间的粘结强度，增强建筑材料的整体力学性能。

五、研究进度：
目前，本研究正在进行样品制备的阶段。

预计在下个月开始进行粘结性试验，并在接下来的两个月内完成试验。

最终的研究成果预计在明年年底完成。

混掺纤维水泥砂浆的高温性能研究　

第43卷第3期2024年3月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETYVol.43㊀No.3March,2024混掺纤维水泥砂浆的高温性能研究郭子荣1,杨鼎宜1,曹忠露2,贾向锋3,赵㊀健1,陈龙祥1,毛㊀翔1(1.扬州大学建筑科学与工程学院,扬州㊀225127;2.中交天津港湾工程研究院有限公司,天津㊀300222;3.扬州华运新材料科技有限公司,扬州㊀225000)摘要:火灾产生的高温会对水泥基复合材料造成严重损伤,而混掺玄武岩纤维可一定程度上提高水泥基复合材料的耐高温性能㊂为研究不同种类玄武岩纤维与聚丙烯纤维混掺水泥砂浆经高温作用后的性能变化规律,测试了混掺纤维水泥砂浆高温后的基本力学性能,并借助扫描电子显微镜(SEM)和压汞试验对混掺纤维水泥砂浆的微观结构进行分析㊂结果表明:不同种类的玄武岩纤维与聚丙烯纤维混掺后均能改善水泥砂浆的耐高温性能;温度在200ħ时由于水泥砂浆内部发生二次水化,混掺纤维水泥砂浆的抗压强度和抗折强度显著提高㊂随着温度升高至800ħ,水泥砂浆内部结构被破坏,孔隙率逐渐增大,力学性能逐渐下降,但混掺纤维水泥砂浆性能仍高于基准组,这是因为聚丙烯纤维高温熔化后留下大量的孔道,缓解水泥砂浆内部孔隙压力,且玄武岩纤维在水泥砂浆内部起到桥接作用,缓解了高温裂纹的扩展㊂关键词:聚丙烯纤维;玄武岩纤维;高温;力学性能;孔隙率;微观结构中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)03-0851-15 High Temperature Performance of Blended Fiber Cement Mortar GUO Zirong1,YANG Dingyi1,CAO Zhonglu2,JIA Xiangfeng3,ZHAO Jian1,CHEN Longxiang1,MAO Xiang1(1.College of Civil Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou225127,China;2.Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin300222,China;3.Yangzhou Huayun New Material Technology Co.,Ltd.,Yangzhou225000,China)Abstract:The high temperature caused by fire will cause serious damage to cement-based composites,and mixing basalt fiber can improve the high temperature resistance of cement-based composites to some extent.In order to study the performance changes of cement mortar mixed with different kinds of basalt fiber and polypropylene fiber after high temperature,the basic mechanical properties of blended fiber cement mortar after high temperature were tested,and the microstructure of blended fiber cement mortar was analyzed by means of scanning electron microscope(SEM)and mercury intrusion test.The results show that the mixture of different types of basalt fiber and polypropylene fiber can improve the high temperature resistance of cement mortar.When the temperature is200ħ,due to the secondary hydration in the cement mortar,the compressive strength and flexural strength of blended fiber cement mortar are significantly improved.As the temperature rises to800ħ,the internal structure of cement mortar is destroyed,the porosity gradually increases,and the mechanical properties gradually decline.However,the performance of blended fiber cement mortar is still higher than that of the reference group,because the polypropylene fiber leaves a large number of pores after melting at high temperature,alleviating the internal pore pressure of cement mortar,and the basalt fiber plays a bridging role in cement mortar,and the propagation of high temperature cracks is alleviated.Key words:polypropylene fiber;basalt fiber;high temperature;mechanical property;porosity;microstructure收稿日期:2023-08-29;修订日期:2023-11-21基金项目:江苏省重点研发计划(社会发展)项目(BE2022776);扬州市-扬州大学合作共建科技创新平台项目(YZ2020262);中交第一航务工程局有限公司揭榜挂帅项目(2022-YHJJBGS-02)作者简介:郭子荣(1999 ),女,硕士研究生㊂主要从事纤维混凝土性能方面的研究㊂E-mail:2856458889@通信作者:杨鼎宜,博士,教授㊂E-mail:ydy1991@852㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷0㊀引㊀言近年来研究[1]表明火灾是工程建筑中最常遇到的灾害之一㊂火灾产生的高温使水泥基复合材料内部水化产物分解,微观结构疏松,导致水泥基复合材料的力学性能显著降低甚至丧失[2-4],火灾引起的工程结构承载力劣化还会严重威胁人类的生命财产安全㊂这就要求水泥基复合材料在具备优异力学性能的同时还要具备良好的耐高温性能㊂大量研究[5-6]表明掺入纤维可以有效提高水泥基复合材料的耐高温性能,常见的纤维有玻璃纤维㊁玄武岩纤维(basalt fiber,BF)㊁碳纤维㊁钢纤维㊁聚丙烯(polypropylene,PP)纤维以及聚乙烯醇纤维等[7-9]㊂由于水泥基复合材料是多相非均质材料,掺入单一纤维发挥的作用有限[10]㊂因此,国内外学者发现在水泥基复合材料中掺入两种或两种以上的纤维可以更充分地发挥纤维的协同作用[11-12],使得在高温环境下水泥基复合材料的力学性能有所提高㊂韩丰[13]研究发现,钢纤维与PP纤维混掺不仅可以提高混凝土的抗爆裂性能,还可以提高混凝土的残余强度㊂张晓艺等[14]将钢纤维与PP纤维掺入高强高性能混凝土发现,混掺纤维有利于改善高强高性能混凝土的脆性并提高其耐高温性能㊂Sciarretta等[15]和Li等[16]研究表明,钢纤维和PP纤维的共同作用可以有效改善超高性能混凝土的高温性能,避免其爆裂㊂Kalifa等[17]发现,PP 纤维在高温下形成连通的孔隙,为水蒸气提供了逃逸途径,从而降低了混凝土内部的毛细压力,避免了混凝土爆裂㊂研究表明钢纤维与PP纤维混掺可有效改善高温后混凝土的力学性能,并缓解混凝土的爆裂㊂而相较于钢纤维,BF生产工艺相对简单,制备方便,生产过程无污染,对人体和环境无害,是一种绿色环保的无机非金属纤维,是钢纤维的良好替代品[18-19]㊂Yao等[20]研究发现,BF和PP纤维混掺可以进一步提高砂浆的残余强度和抗剥落性㊂Tangirala等[21]研究发现,BF与PP纤维混掺可保证基体的完整性并发现粉煤灰以60%的质量分数替代水泥后可明显提高混凝土的残余强度,在600ħ时性能提升最为明显㊂Su等[22]研究发现,在橡胶混凝土中掺入BF与PP纤维有利于橡胶混凝土升温后性能的改善㊂孔祥清等[23]探究了聚丙烯-玄武岩混杂纤维再生混凝土经高温作用后的性能变化,结果表明,BF与PP纤维混掺有效提高了再生混凝土的抗火性能㊂综上发现,关于BF与PP纤维混掺水泥基复合材料经高温作用后力学性能的研究相对较少㊂且BF由天然玄武岩矿石高温熔融拉丝制成,故BF的原料产地以及生产工艺不同,其性能也有所不同[24]㊂因此,本文选取不同种类的BF与PP纤维混掺,探究不同种类的BF与PP纤维混掺水泥砂浆经高温作用后性能变化的基本规律,通过扫描电子显微镜(SEM)和压汞试验对高温后混掺纤维水泥砂浆的微观结构进行分析,进一步探究BF与PP纤维混掺后水泥砂浆的高温损伤机理,为混掺纤维水泥基复合材料在高温环境中的应用提供重要依据㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料水泥:P㊃O42.5普通硅酸盐水泥,产自扬州亚东水泥有限公司,主要化学成分如表1所示㊂细骨料:天然中砂,细度模数2.3㊂纤维:PP纤维和不同种类短切BF,物理力学性能如表2所示㊂表1㊀水泥的主要化学成分Table1㊀Main chemical composition of cementComposition SiO2CaO Al2O3Fe2O3MgO Mass fraction/%21.858.7 6.3 3.2 2.3表2㊀纤维物理力学性能Table2㊀Physical and mechanical properties of fibersFiber type Length/mm Diameter/μm Tensile strength/MPa Modulus of elasticity/MPa Elongation/%PP1231.12510.424653.7319.69BF11216.271856.6045152.77 4.16第3期郭子荣等:混掺纤维水泥砂浆的高温性能研究853㊀续表Fiber type Length /mm Diameter /μm Tensile strength /MPa Modulus of elasticity /MPa Elongation /%BF21222.571755.1334444.57 5.21BF31214.241845.2541098.83 4.27BF41214.271557.3040287.56 4.30BF51218.581928.3335797.01 4.87BF61219.181533.6032709.58 4.61BF71216.201513.5239662.77 3.731.2㊀试验配合比及试样制备试验水胶比为0.5,具体配合比见表3㊂本研究包括素水泥砂浆㊁单掺纤维水泥砂浆和混掺纤维水泥砂浆三种:素水泥砂浆,试件编号为JZ;单掺纤维水泥砂浆,掺加体积分数为0.1%的PP 纤维,试件编号为PP;混掺纤维水泥砂浆,掺加体积分数为0.1%的不同种类BF(BF1~BF7)和0.1%的PP 纤维,试件编号依次为BP1㊁BP2㊁BP3㊁BP4㊁BP5㊁BP6㊁BP7㊂其中,抗压强度和抗折强度试件尺寸为40mm ˑ40mm ˑ160mm,毛细吸水试件尺寸为70.7mm ˑ70.7mm ˑ70.7mm㊂试样制备流程见图1,覆膜静置24h 后脱模,65ħ蒸养3d,自然冷却至室温后取出㊂表3㊀试验配合比Table 3㊀Test mix proportion No.Mix proportion /(kg㊃m -3)Fiber volume content /%Cement Water Sand PP BF JZ 450225135000PP 45022513500.10BP145022513500.10.1BP245022513500.10.1BP345022513500.10.1BP445022513500.10.1BP545022513500.10.1BP645022513500.10.1BP745022513500.10.1图1㊀试样制备流程图Fig.1㊀Flow chart of sample preparation 1.3㊀试验方法试样养护完成后,放入烘箱105ħ干燥3d 后取出,置于马弗炉中以5ħ/min 的速率分别加热至200㊁400㊁600和800ħ,达到目标温度后恒温1h,恒温结束后使试样自然冷却至室温[25],之后取出试样进行力学性能试验和微观结构测试㊂采用S-4800场发射扫描电子显微镜(SEM)和AutoPore IV 9500压汞仪(MIP)对砂浆试样进行微观分析,样品取自不同温度的混掺纤维水泥砂浆试样,试验前要对试样进行真空干燥以及喷金处理㊂力学性能测试参照‘水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)“(GB /T 17671 2021)[26];超声波速测试参照‘超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程“(CECS 02 2005)[27],用于检测试件高温内部损伤,并通过损伤程度来评价水泥砂浆的高温损伤,计算公式如式(1)所示㊂D =1-V T V 0()2(1)式中:D 表示损伤程度,V 0表示高温之前的超声波速,V T 表示高温之后的超声波速㊂在毛细吸水测试中,将试件于105ħ干燥至恒重,冷却至室温后用石蜡将试件四个侧面密封,以保证试854㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图2㊀毛细吸水示意图Fig.2㊀Schematic diagram of capillary water absorption 件中的水沿着一个方向进入,毛细吸水示意图见图2㊂在开始测试前称取试件质量,记为m 0(g),吸水至一定时间,取出试件并擦拭其表面水分,测量试件质量,记为m 1(g),之后将试件放回原位,此过程持续时间为72h㊂毛细吸水量及毛细吸水系数计算公式为ΔW =m 1-m 0S(2)ΔW =A W t (3)ΔW =a (1-e -b t )(4)A (t )=A i e -b t(5)式中:ΔW 为砂浆立方体的吸水量,g /m 2;t 为吸水持续时间,h;S 为吸水面积,m 2;A W 为毛细吸水系数,g /(m 2㊃h 1/2)㊂式(4)㊁(5)描述了在忽略重力对吸水率影响的情况下水泥基材料的吸水情况[28],其中A i 和A (t )分别表示初始吸水率和随着时间变化的吸水率,a 和b 为拟合参数㊂2㊀结果与讨论2.1㊀表观特征图3为试件高温后的表观形貌变化㊂在常温环境(25ħ)和200ħ下,试件颜色呈浅灰色,外观完整,未发生明显变化;400ħ后试件颜色发生明显变化,呈浅黄色,在试件表面未观察到裂纹;600ħ时,试件颜色由浅黄色变为黄色,试件表面有较多的细小裂纹;800ħ时,试件颜色逐渐加深,JZ 组试件表面裂缝宽度较大且棱角处有明显脱落,而BP 组试件完整性较好,表面裂纹逐渐增多㊂这说明掺入纤维可有效抑制裂缝的发展[29]㊂图3㊀混掺纤维水泥砂浆的表观特征Fig.3㊀Apparent characteristics of blended fiber cement mortar 2.2㊀质量损失试件经高温作用后的质量损失率变化如图4所示,砂浆的质量损失率随着温度上升逐渐增大㊂由图4可知:在25~200ħ时,试件的质量损失主要是砂浆内部的自由水蒸发,在200ħ时,砂浆的质量损失率在0.02%~0.13%;200~400ħ时,砂浆内部除了自由水蒸发外,还有吸附水和层间水的进一步蒸发[23,30],质量损失率在1.40%~1.71%;400~600ħ时,质量损失来源于砂浆内部化学结合水的蒸发以及Ca(OH)2的第3期郭子荣等:混掺纤维水泥砂浆的高温性能研究855㊀图4㊀混掺纤维水泥砂浆质量损失率Fig.4㊀Mass loss rate of blended fiber cement mortar 分解[31],砂浆的质量损失率大幅度增加,质量损失率为3.01%~3.25%;温度增加至800ħ时,砂浆内部水化硅酸钙(C-S-H)凝胶以及CaCO 3分解使得质量损失增加,质量损失率在4.28%~4.99%㊂在400ħ时,JZ 组质量损失率低于混掺纤维组,主要原因为PP纤维的熔点在170ħ左右[32],随着温度升高,砂浆内部的PP 纤维逐渐熔化并随着水蒸气逸出,增加了质量损失;且PP 纤维高温熔化留下的孔道为水蒸气的逸出增加了途径,降低了高温造成的孔隙压力,有效缓解了砂浆的高温损伤㊂2.3㊀超声波速超声波无损检测以其良好的便捷性和数据可靠性,逐渐广泛应用于混凝土相关性能检测,可反映混凝土材料的性能和混凝土内部损伤情况[33-34]㊂混掺纤维砂浆经过高温作用后的超声波速和损伤程度变化如图5所示㊂由图5(a)可知,JZ 和BP 组试样的超声波速随着温度的升高出现不同程度的下降㊂25ħ时,试样的超声波速范围在3.40~3.55km /s㊂200ħ时,试样的超声波速有所下降,分别下降了14.0%㊁11.3%㊁14.3%㊁16.4%㊁14.8%㊁15.3%㊁13.4%㊁16.3%和13.1%;温度从400ħ升至800ħ时,试样的超声波速大幅度下降,其中JZ 组下降幅度最明显,800ħ时,JZ 组超声波速仅为0.75km /s,表明随着温度的升高,砂浆内部水分蒸发㊁砂浆内部产物分解㊁纤维熔化留下的孔道以及浆体受热膨胀产生的微裂缝以及气孔等,使得砂浆内部的孔隙增加,而超声波在空气中的传播速度低于固体介质,使超声波速下降[32,35]㊂但PP 和BP 组试样超声波速相较于JZ 组试样有所提升,表明了掺入适量的BF 和PP 纤维可以有效抑制砂浆内部裂缝的发展,提高砂浆的耐高温性能㊂图5(b)为高温作用后混掺纤维水泥砂浆的损伤程度,并建立水泥砂浆高温损伤程度D 与温度T 的计算公式,如式(6)所示,相关系数为0.96,表明水泥砂浆损伤程度与温度之间具备良好的拟合关系㊂D =0.00121T -0.0206(6)图5㊀高温后混掺纤维水泥砂浆超声波速和损伤程度变化Fig.5㊀Change of ultrasonic wave velocity and damage degree of blended fiber cement mortar after high temperature 2.4㊀抗压强度经高温作用后混掺纤维水泥砂浆试样的抗压强度及残余抗压强度保留率如图6(a)㊁(b)所示㊂由图6(a)可以看出,砂浆试样经高温作用后抗压强度变化均呈先上升后下降的趋势㊂25ħ时,可发现单掺PP 纤维组与混掺纤维组抗压强度均高于JZ 组,表明掺入纤维可提高砂浆抗压强度;混掺纤维组抗压强度高于PP 组,说明适量掺量的PP 纤维和BF 混掺起到了明显的正增益效果[36]㊂200ħ时,抗压强度均有所提高,其中JZ 和PP 组抗压强度较常温环境下分别增加了7%和8%,BP 组抗压强度较常温环境下分别增加了17%㊁14%㊁8%㊁11%㊁9%㊁15%和13%,抗压强度增加的原因是高温促进了砂浆内部附着在纤维表面未水856㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷化的水泥颗粒进行了二次水化反应[37],使砂浆内部结构更加密实和稳定,进一步使纤维与水泥基体粘合得更加充分,增强了水泥浆体的强度㊂当温度从400ħ升至800ħ时,砂浆试样的抗压强度随着温度增加开始大幅度下降,其中JZ组下降幅度较大,800ħ时抗压强度仅为4.23MPa,其次为PP组,抗压强度为6.94MPa,混掺纤维组别抗压强度均高于JZ组㊂主要原因为随着温度的升高,砂浆内部的Ca(OH)2以及C-S-H凝胶逐渐分解,水泥浆体与纤维之间的黏结力逐渐减弱,砂浆内部孔隙增加,使得抗压强度逐渐下降㊂图6(b)可知,当温度上升至800ħ时,JZ㊁PP和BP组砂浆试样的残余抗压强度保留率分别为11%㊁17%㊁19%㊁24%㊁21%㊁22%㊁32%㊁22%和21%㊂相同温度下,混掺纤维组残余抗压强度保留率均高于JZ 组,主要原因为PP纤维在高温熔化时留下孔隙有利于水蒸气的溢出,并降低了内部孔隙压力;而BF的熔点较高,温度对其力学性能影响较小,且BF在砂浆内部随机形成的纤维空间网络体起到一定的支撑作用,进一步延缓砂浆基体微裂缝的产生[37],提高了试样的抗压强度㊂相同温度下,混掺纤维水泥砂浆抗压强度均高于PP纤维水泥砂浆,表明不同种类BF与PP纤维混掺可以有效提高砂浆的耐高温性能㊂其中BP5组高温后残余抗压强度保留率最大,说明BP5组的耐高温性能较为优异㊂图6(c)为相对抗压强度曲线,并根据试验数据建立了高温后JZ㊁PP与BP5试件相对抗压强度与温度之间的拟合曲线,拟合公式见(7)~(9),相关系数分别为0.99㊁0.98和0.98,拟合后的相关系数均大于0.9,表明拟合结果较为准确㊂f cu,Tf cu=5.96646ˑ10-9T3-9.05752ˑ10-6T2+0.00245T+0.93321(7)f cu,Tf cu=6.37630ˑ10-9T3-9.69249ˑ10-6T2+0.00272T+0.92563(8)f cu,Tf cu=7.22410ˑ10-9T3-1.03741ˑ10-5T2+0.00292T+0.91765(9)式中:T为温度,ħ;f cu,T为温度为T时的抗压强度,MPa;f cu为常温下的抗压强度,MPa㊂图6㊀高温后混掺纤维水泥砂浆抗压强度㊁残余强度保留率及相对抗压强度Fig.6㊀Compressive strength,residual compressive strength retention rate and relative compressive strength ofblended fiber cement mortar after high temperature2.5㊀抗折强度经过高温作用后混掺纤维水泥砂浆试样的抗折强度以及残余抗折强度保留率见图7(a)㊁(b)㊂如图7(a)所示,BF与PP纤维混掺提高了砂浆的抗折强度㊂随着温度增至200ħ,砂浆抗折强度有所增加,各组抗折强度依次为8.12㊁8.36㊁9.36㊁9.82㊁9.02㊁8.76㊁9.42㊁9.05㊁9.69MPa,这是由于随着温度的升高,砂浆进行了二次水化[38]㊂400ħ时,砂浆抗折强度大幅度下降,JZ组和PP组分别下降了31.5%和20.4%,BP 组分别下降了7.09%㊁18.02%㊁19.09%㊁12.48%㊁10.28%㊁7.98%㊁18.64%㊂与JZ组和PP组相比,混掺纤维水泥砂浆抗折强度下降幅度较小,主要原因为BF均匀地分布在砂浆内部,起到了桥接的作用,可以有效阻止砂浆内部微裂缝的发展,并与基体共同承担拉应力,使得抗折强度下降幅度较小㊂温度上升至800ħ时,砂浆的抗折强度大幅度下降,JZ组抗折强度仅为0.48MPa;其次为PP组,抗折强度仅为0.75MPa;BP5组抗折强度最大,为1.29MPa㊂抗折强度大幅度下降的原因为温度升高至800ħ时,试件内部结构破坏较㊀第3期郭子荣等:混掺纤维水泥砂浆的高温性能研究857为严重,裂缝孔隙不断增加[39]㊂由图7(b)可知,随着温度的增加,试样的残余抗折强度保留率呈先上升后下降的趋势㊂800ħ时,试样的残余抗折强度保留率分别为7.70%㊁12.2%㊁17.4%㊁15.5%㊁13.7%㊁12.3%㊁19.2%㊁17.1%㊁14.4%㊂可以发现高温对于水泥砂浆抗折强度的损失影响较大,且混掺纤维组均高于JZ组和PP组,表明BF掺入水泥砂浆中可增强其耐高温性能,其中BP5组试样的残余抗折强度保留率最大㊂高温后JZ㊁PP与BP5组试件相对抗折强度与温度之间的拟合曲线见图7(c),拟合关系式见式(10)~(12),相关系数分别为0.98㊁0.99和0.99,拟合程度较好㊂f cf,Tf cf=1.45580ˑ10-8T3-1.90697ˑ10-5T2+0.00495T+0.90553(10)f cf,Tf cf=1.58975ˑ10-8T3-2.12253ˑ10-5T2+0.00587T+0.87551(11)f cf,Tf cf=1.43089ˑ10-8T3-1.97982ˑ10-5T2+0.00583T+0.87855(12)式中:f cf,T为温度为T时的抗折强度,MPa;f cf为常温下的抗折强度,MPa㊂图7㊀高温后混掺纤维水泥砂浆抗折强度㊁残余抗折强度保留率及相对抗折强度Fig.7㊀Flexural strength,residual flexural strength retention rate and relative flexural strength of blended fibercement mortar after high temperature2.6㊀毛细吸水图8为不同温度作用后混掺纤维水泥砂浆单位面积吸水量和时间平方根之间的关系曲线㊂当温度低于200ħ时,砂浆试样的单位面积吸水量增加较缓,温度增加至800ħ时,砂浆试样的单位面积吸水量迅速增加;随着吸水时间的增加,试样单位面积吸水量逐渐变少[40]㊂这是由于水分在毛细作用下逐渐进入砂浆内部,但随着吸水时间的增加,毛细作用力逐渐减弱致使吸水速率逐渐降低直至停止吸水[41]㊂随着温度的升高,水泥砂浆内部损伤逐渐增加,C-S-H凝胶㊁氢氧化钙㊁碳酸钙等逐渐脱水并发生分解,纤维熔化产生孔道以及砂浆内部受热膨胀不均匀产生微裂缝,使得砂浆内部结构逐渐疏松,孔隙进一步增大,因此砂浆的吸水量逐渐增大㊂858㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷图8㊀混掺纤维水泥砂浆不同温度下毛细吸水量Fig.8㊀Capillary water absorption of blended fiber cement mortar at different temperatures 对比图8(a)~(i)发现,温度从200ħ增至800ħ时,BP组和PP组试样的毛细吸水量均低于JZ组㊂这说明纤维的掺入可以有效降低高温后砂浆内部孔隙的发展,进而减少了毛细吸水量[13]㊂而BP组的毛细吸水量在400ħ至800ħ均低于PP组,表明在掺0.1%PP纤维的基础上,混掺0.1%的BF可以更有效地降低砂浆内部的高温损伤㊂图9为相同温度作用下试样毛细吸水变化㊂在常温时,砂浆试样的毛细吸水量差别不大,且毛细吸水量增长趋势一致;由图9(b)可知,200ħ时,除BP7组外,BP组试件的毛细吸水量均低于PP组,说明PP纤维逐渐熔化并在砂浆内部留下孔道,使得砂浆孔隙增加,进一步增加砂浆的毛细吸水量;由图9(c)~(e)发现,BP组和PP组的毛细吸水量均低于JZ组,表明随着温度增加,PP纤维完全熔化在砂浆内部留下的孔道便于水蒸气的溢出,进一步降低了砂浆内部高温损伤㊂同时BP组的毛细吸水量均低于PP组,BF在一定程度上抑制了水泥砂浆内部微裂缝的发展,减弱了毛细吸水效果,表明BF与PP纤维混掺可以降低砂浆的内部损伤㊂㊀第3期郭子荣等:混掺纤维水泥砂浆的高温性能研究859图9㊀相同温度下混掺纤维水泥砂浆毛细吸水量Fig.9㊀Capillary water absorption of blended fiber cement mortar at the same temperature 毛细吸水系数是评价水泥砂浆耐久性的重要参考标准,毛细吸水系数越大说明材料的吸水性能越好,并能进一步地反映砂浆内部孔隙的变化[42]㊂图9(f)可知,砂浆试样的毛细吸水系数随着温度的升高逐渐增加㊂JZ组试样的初始毛细吸水系数随着温度的增加而增大,其中,200~800ħ的毛细吸水系数分别是常温环境的3.1倍㊁15.0倍㊁83.2倍和123.9倍,说明高温作用加速对砂浆的损伤,使得砂浆内部孔隙增加,增强了砂浆的毛细吸水性能㊂而BP组800ħ时的初始毛细吸水系数分别是常温下的41.9倍㊁47.8倍㊁74.9倍㊁26.1倍㊁20.6倍㊁26.1倍㊁38.4倍,也从侧面说明BF与PP纤维混掺可以有效降低水泥砂浆的内部损伤㊂综合考虑不同温度下毛细吸水系数发现,耐高温性能较好的是BP5组试样㊂图10为混掺纤维水泥砂浆不同温度作用下毛细吸水系数㊂图10可知,砂浆试样的毛细吸水系数随时间的变化总体趋势大致相同㊂砂浆的毛细吸水系数在前期较大,但随着时间的增长,水分逐渐进入砂浆填充内部孔隙,毛细吸力则对应地逐渐减小,曲线变化逐渐趋于平缓㊂随着温度增长至800ħ时,砂浆内部损伤严重,存在大量的孔隙以及逐渐扩展的裂缝,早期水分迅速侵入砂浆并填充内部空隙,曲线变化较快㊂水泥砂浆毛细吸水曲线和毛细吸水系数的变化主要是由于高温作用使得砂浆内部游离水和结合水溢出㊁水化产物分解㊁砂浆内部微裂缝扩展以及孔隙粗化[40],导致砂浆的孔隙率增加,加快了水分在毛细作用下的侵入㊂对比图10(a)~(i)发现,400~800ħ,JZ组毛细吸水系数均高于PP和BP组,表明PP纤维的掺入缓解了砂浆的内部高温损伤,同时,BP组的毛细吸水系数均低于PP组,BF的掺入可以更有效地降低砂浆的高温损伤㊂2.7㊀微观形貌图11为不同温度下试样的SEM照片㊂从图11(a)中可知,25ħ时水泥砂浆中主要含有C-S-H凝胶㊁钙矾石(AFt)㊁Ca(OH)2以及未水化的水泥颗粒㊂从图11(b)㊁(c)发现PP纤维和BF被水化产物所包围,表明纤维与水泥基体黏结良好,纤维在水泥砂浆中起到了桥接的作用,提高了水泥砂浆的强度[43]㊂当温度为200ħ时,由图11(d)㊁(f)可知经过高温作用,水泥砂浆内部未水化的水泥颗粒进一步水化,BF与基体之间的结合更加紧密[37],且BF在水泥砂浆中起到了桥接和抑制微裂缝的作用,也进一步从微观方面印证了860㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷200ħ时砂浆抗压和抗折强度较常温环境有所提高㊂由图11(e)可知PP纤维在高温作用下,部分已经熔化但未完全熔化㊂从图11(g)可发现随着温度的增加,水泥砂浆内部的C-S-H凝胶和Ca(OH)2开始逐步脱水分解,导致砂浆内部结构出现大量气孔;从图11(h)中可发现PP纤维完全熔化,在砂浆内部留下了孔道,以便水蒸气从孔道逸出,减缓了砂浆的爆裂[44];从图11(i)可看出砂浆内部虽然有微裂缝仍具备较好的整体性,而BF分散在砂浆中对砂浆内部结构起到了阻裂的作用,此时BP组的强度均高于PP组,也进一步表明BF在水泥基材料中可起到一定的耐高温作用㊂图10㊀混掺纤维水泥砂浆不同温度作用下毛细吸水系数Fig.10㊀Capillary water absorption coefficient of blended fiber cement mortar at different temperatures 图11(j)表明600ħ时,Ca(OH)2已经分解,未观察到其晶体结构,此时,砂浆内部结构已经松散,孔隙逐步增大㊂600ħ时,PP纤维熔化的孔洞与砂浆基体经高温作用后产生的裂缝逐渐连接,砂浆内部孔隙增多,使得内部结构逐渐疏松,但从图11(l)可以看出BF贯穿这些微裂缝,仍起到一定的连接作用㊂图11(m)㊁(n)表明800ħ时,砂浆基体微结构已经被破碎,孔洞㊁裂缝遍布基体内部,砂浆水化产物均完全分解且骨料进一步分解,无完整形态,水泥砂浆与纤维之间的黏结界面逐渐疏松,BF失去黏结锚固作用[45]㊂因此600和800ħ时,试样抗压强度急剧下降㊂图11㊀不同温度下试样的SEM照片Fig.11㊀SEM images of samples at different temperatures2.8㊀压汞试验分析选取25㊁400和800ħ的混掺纤维水泥砂浆BP5组试样进行压汞试验,试样高温后的孔结构见图12㊂图12(a)为不同温度下砂浆试样累计进汞量随孔径的变化曲线㊂不同温度下砂浆试样的累计进汞量曲线变化趋势相似[46],随着温度的升高,进汞量逐渐增大㊂随着温度的升高,试样的孔隙率与平均孔径逐渐增大, 800ħ时,试样的孔隙率为54.60%㊂当温度升至400ħ时,PP纤维完全熔化留下的孔道以及高温作用使砂浆内部产生的微裂缝,使得孔隙率增加;800ħ时,砂浆内部的C-S-H凝胶和CaCO3的分解使得内部结构疏松,砂浆孔隙率进一步增大[46]㊂吴中伟院士[47]对不同尺寸的孔径划分为:无害孔(dɤ20nm)㊁少害孔(20<dɤ50nm)㊁有害孔(50< dɤ200nm)和多害孔(d>200nm),根据孔径的划分,不同温度下混掺纤维水泥砂浆试样的孔隙结构见图12(b)~(d),可发现随着温度的升高,砂浆内部无害孔和少害孔数量减少,有害孔以及多害孔的数量增加㊂400ħ时砂浆无害孔和少害孔数量由27.53%下降至21.64%,800ħ时无害孔和少害孔数量仅为8.96%,有害孔和多害孔高达91.04%,占比大幅度提升㊂这表明高温作用使得砂浆内部孔隙结构逐渐劣化[48],导致砂浆力学性能大幅度下降㊂图12㊀不同温度下砂浆的孔结构Fig.12㊀Pore structure of mortar at different temperatures3㊀结㊀论1)混掺纤维水泥砂浆的质量损失率随着温度的增加逐渐增加,而超声波速则随着温度的增加逐渐降低㊂混掺纤维可以提高水泥砂浆的力学性能,且随着温度的增加,混掺纤维水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均高于单掺PP纤维水泥砂浆和素水泥砂浆,表明不同种类的BF与PP纤维混掺均起到了耐高温效果㊂2)高温后水泥砂浆的抗压强度和抗折强度在200ħ时最大,温度高于200ħ时,抗压强度和抗折强度逐渐下降㊂。

冻融循环对钢纤维石墨电热混凝土性能的影响

冻融循环对钢纤维石墨电热混凝土性能的影响电热混凝土是一种新型的智能混凝土,目前已应用于道路融雪除冰。

由于既作为路面材料,又作为发热功能材料,电热混凝土的耐久性问题不仅包括力学性能方面,还包括电学、热学性能两方面。

本论文以钢纤维石墨电热混凝土为研究对象,基于冻融实验,进行冻融破坏机理及冻融对力学、电学、热学性能影响的相关研究。

本文的主要研究内容及研究成果如下:(1)研究发现钢纤维石墨电热混凝土的冻融疲劳损伤符合低周疲劳损伤理论。

并基于混凝土的冻融破坏机理,提出了钢纤维石墨电热混凝土的冻融破坏机理,其中包括由石墨的结构破坏和钢纤维一系列的化学变化引起的电阻率增大的导电相材料破坏假说和由复合材料的刚度变化和由热膨胀系数不匹配引起的热应力破坏假说。

借助电子扫描显微镜对钢纤维石墨电热混凝土试块的微观形貌进行表征,从微观角度研究了冻融循环对导电相材料的破坏。

(2)研究了钢纤维石墨电热混凝土经过不同冻融循环次数后的质量损失率、动弹模量损失以及抗压强度的变化,结果表明均与冻融次数负相关,且该配合比下钢纤维石墨电热混凝土的抗冻融循环的能力优于素混凝土。

(3)通过对钢纤维石墨电热混凝土的电学性能研究,表明其电阻率均随着电压的增大而减小,但随着冻融循环次数的增加,电阻率的变化率逐渐降低。

相同电压下,在0~100次的冻融循环中,其电阻率与冻融循环次数成负相关,在100~300次的冻融循环中,其电阻率与冻融循环次数成正相关。

(4)由工程实例分析得,钢纤维石墨电热混凝土经过不同的冻融循环次数,其电流均呈现三个阶段:缓慢增长阶段、快速增长阶段、稳定阶段。

随着冻融循环次数的增加,在同一电压下钢纤维石墨电热混凝土的电流减小。

(5)根据ANSYS有限元模拟分析得出在相同输入功率下,钢纤维石墨电热混凝土的表层温度和内源温度都随着冻融循环次数的增加呈下降趋势,且表层温度和内源温度的变化均减小,逐渐趋于缓和。

(6)电热混凝土在相同功率下,冻融循环次数与总产热量成负相关,与电热混凝土自身吸收的热量成正相关,与热量有效利用率成负线性相关。

钢纤维混凝土的高温爆裂行为与渗透性演变特征的开题报告

钢纤维混凝土的高温爆裂行为与渗透性演变特征的开题报
告
一、研究背景
随着工程结构对混凝土性能要求的不断提高，钢纤维混凝土（SFRC）因其较高
的韧性、抗裂性和耐久性而逐渐得到广泛应用。

然而，在高温下，钢纤维混凝土的性
能会受到影响，因此研究其在高温下的性能变化和行为具有重要意义。

二、研究内容和目的
本文的研究内容主要包括两个方面：一是研究钢纤维混凝土在高温下的爆裂行为，包括材料的裂纹形态、扩展规律和破坏模式等方面；二是研究钢纤维混凝土在高温环
境下的渗透性演变特征，探讨高温对材料渗透性能的影响。

本文的研究目的主要包括以下几点：一是深入了解钢纤维混凝土在高温下的性能变化和行为规律；二是为钢纤维混凝土在高温环境下的应用提供技术支持和理论基础；三是探究和优化混凝土材料的高温性能，实现其在高温环境下保持较好的机械性能和
耐久性。

三、研究方法和步骤
1.材料制备：选用不同组成的钢纤维混凝土进行研究，并在不同温度下进行试验。

2.高温试验：采用热载荷试验装置对不同组成的钢纤维混凝土在高温下的性能进行测试，包括材料的热膨胀系数、力学性能、渗透性等指标。

3.数据分析：通过对试验数据的分析，探讨钢纤维混凝土在高温下的性能变化和行为规律，并提出优化方案。

四、预期成果和意义
本研究将揭示钢纤维混凝土在高温环境下的性能变化和行为规律，为混凝土在高温环境下的应用提供技术支持和理论基础。

同时，本研究还将探究和优化混凝土材料
的高温性能，为保障工程结构在高温环境下的安全性提供可靠保障。

电热融化法在沥青路面冬季除雪融冰中的应用

电热融化法在沥青路面冬季除雪融冰中的应用郑家麒【摘要】针对冬季道路容易积雪结冰,严重影响交通安全的现状,对电热融化法在沥青路面冬季除雪融冰中的应用进行了探讨,介绍了该方法的优缺点,并对其实际使用中应注意的问题进行了分析,指出其具有广阔的应用前景.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2013(039)013【总页数】2页(P148-149)【关键词】道路工程;沥青路面;电热融化法;除雪融冰【作者】郑家麒【作者单位】长安大学公路学院,陕西西安710000【正文语种】中文【中图分类】U416.2170 引言随着我国高等级公路的迅猛发展，公路通行范围逐步扩大，公路运输在我国国民经济发展中占据着越来越重要的地位。

然而每年冬季寒冷时期，我国北方经常出现大范围降雪，南方也时有冻雨发生，由此造成的高速公路、机场道路的封锁给交通的正常运行造成很大影响。

因此，研究路面的初雪融冰技术具有重要的现实意义。

目前的初雪融冰方法包括机械除雪法、化学除雪法和加热融化法。

其中，机械除雪法效率较高，适合大面积作业，但清除不彻底，机械使用率低，经济效益低下;化学除雪法成本低，见效快，但用于融雪的试剂会使路面剥落破坏、钢筋纤维锈蚀，缩短其使用寿命，并且化学试剂扩散至水体和土壤中易造成环境污染［1］;加热融雪法效果好，无污染，且可以实时除雪，除雪过程不影响交通通行。

电能是热融法的一种主要能量来源。

目前沥青混凝土广泛应用于高速公路路面、机场跑道和桥面铺装，因此研究电热融化法在沥青路面除雪融冰中的应用有着广阔的发展前景。

1 电缆加热法电缆加热法是一种以电能为能量来源、以电缆为加热体的路面加热技术。

利用发热电缆进行融雪化冰可以保证热量，是一种安全、有效的融雪化冰手段［2］。

发热电缆在一些北欧国家已用于路面融雪除冰，但对工程应用中一些主要的问题(包括如何进行实际工程设计)没有见到有关的标准和详细报道［3］。

国内该项技术的应用研究刚刚起步。

北京工业大学的武海琴［3］对发热电缆融雪除冰方法进行了系统的研究，包括融雪试验研究、原理分析、功率设计、经济性分析等。

纤维对混凝土高温性能改善作用的研究进展

纤维对混凝土高温性能改善作用的研究进展石国星王磊赵燕茹郝松时金娜【摘要】为了探究纤维对混凝土高温性能的改善作用，从单掺高熔点纤维、单掺低熔点纤维以及混掺高熔点纤维、低熔点纤维三个方面，对国内外纤维混凝土在高温中或高温后力学性能及抗爆裂性能的试验研究进行了总结，结果表明：在高温中或高温后，单掺高熔点纤维或低熔点纤维都有助于提高混凝土的力学性能和抗爆裂性能，而合理地混掺高熔点纤维、低熔点纤维的效果要好于单掺这两类纤维。

【关键词】纤维混凝土；高温；高熔点纤维；低熔点纤维；混杂纤维TU528 ： A ： 2095-2457（2018）01-0097-002【Abstract】In order to explore the effect of fibers on the improvement of high temperature performance of concrete， the effects of single fiber with high melting point， single mixed with low melting point， mixed with high melting point and low melting point on the properties of fiber reinforced concrete at high temperature or high temperature After mechanical properties and anti-burst performance of the experimental study were summarized， the results show that：at high temperature or high temperature， single-doped high melting point fiber or low melting point fiber can help improve the mechanical properties and anti-burst performance of concrete， and reasonably Mixed with high melting point fiber， the effect of low melting point fiber is better than single doped these two types of fiber.【Key words】Fiber concrete； High temperature； High melting point fiber； Low melting point fiber； Hybrid fiber0 引言混凝土由于其易成型、目标强度形成快、成本低等优点成为世界上用量最大的人造建筑材料[1]。

温度对高性能混凝土热力学性能影响的研究1

温度对高性能混凝土热力学性能影响的研究摘要：高性能混凝土热力学性能对评价混凝土结构的抗火反应至关重要。

这篇文章展现了温度对不同类型高性能混凝土热力学性能的影响。

分别研究了HSC （高强混凝土）,SSC（自密实混凝土）,FAC（粉煤灰混凝土）三种混凝土在0-800摄氏度下的比热容、热导率和热膨胀系数。

同时也研究了钢纤维，聚丙烯纤维以及它们混合物对HSC和SCC的影响。

实验结构表明在0-800摄氏度之间，与FAC 和HSC相比，SCC具有更高的比热容，热导率和热膨胀系数。

利用实验数据得出了不同热力学性能的温度函数。

所得的热力学性能关系的数据可以用来评估混凝土结构在火灾下的反应。

关键词：热力学性能自密实混凝土高强混凝土纤维混凝土热膨胀系数简介混凝土由于有较好的防火性能，而在首先考虑防火安全的建筑物和其他建筑设施中有着广泛的应用。

在过去的几十年中，混凝土技术有了重大研究和发展，并由此产生了高性能混凝土。

高性能混凝土包括高强混凝土，自密实混凝土，粉煤灰混凝土和纤维混凝土，他们都有骄傲高的强度，耐久性而且经济，所以得到了广泛的应用。

在建筑物中使用高性能混凝土要考虑他们的防火性能。

但是，一些最近的研究结果表明新型混凝土如高强混凝土并不能提供和普通混凝土相同的抗火性能。

评价建筑结构的防火性能需要了解建筑材料的高温性能。

对于混凝土来说，进行防火性能分析需要的性能分析是热学，力学，破坏，和一些特殊性能如火灾一起的脱落。

热学性能包括热导率，比热容，热膨胀系数以及质量损失。

破坏性能如裂缝，力学性能如强度、破坏、和弹性模数，都对结构的防火性能有很大的影响。

除此之外，在一定荷载作用下由火灾引起的脱落，能够改变混凝土结构的防火反应。

这些所有的性能随温度的改变而改变，同时受配合比，骨料类型，有无纤维和化学掺加剂的影响。

最近的一些研究结果表明，由HSC和SCC组成的结构的防火性能较低，这是由于HSC和SCC的热力学性能的不同。

这同时也表明HSC和SCC可以通过掺入钢纤维和聚丙烯纤维来提高其抗火性能。

高温后钢纤维自密实混凝土动、静态力学性能研究

第42卷第11期2023年11月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.42㊀No.11November,2023高温后钢纤维自密实混凝土动㊁静态力学性能研究朱㊀明1,宫能平2,穆朝民3,蔡天宇1,章㊀雨1(1.安徽理工大学土木建筑学院,淮南㊀232001;2.安徽理工大学力学与光电物理学院,淮南㊀232001;3.安徽理工大学安全科学与工程学院,淮南㊀232001)摘要:为探索高温对钢纤维自密实混凝土(SFRSCC)的动㊁静态力学性能的影响,对常温(25ħ)和不同温度(200㊁400㊁600㊁800ħ)热处理后的SFRSCC 进行动㊁静态力学性能试验,结合LS-DYNA 软件与HJC 本构模型进行数值模拟分析㊂结果表明:随着温度等级的提高SFRSCC 的静态抗压强度先增大后减小,在200ħ时达最大值66.9MPa;在同等级冲击荷载作用下,随着温度等级的提高,SFRSCC 的动态抗压强度先增大后减小,并在200ħ时达到最大;SFRSCC 的动态抗压强度随冲击荷载等级的增加而增大,动态强度增长因子随应变率的增加而增大;模拟与试验的破坏形态具有一致性㊂关键词:钢纤维自密实混凝土;高温;动态力学性能;静态力学性能;数值模拟中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2023)11-3895-11Dynamic and Static Mechanical Properties of Steel Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete after Exposed to High TemperatureZHU Ming 1,GONG Nengping 2,MU Chaomin 3,CAI Tianyu 1,ZHANG Yu 1(1.College of Civil Engineering and Architecture,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;2.College of Mechanics and Optoelectronic Physics,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China;3.College of Safety Science and Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,China)Abstract :In order to explore the influence of high temperature on the dynamic and static mechanical properties of steel fiber reinforced self-compacting concrete (SFRSCC),the dynamic and static mechanical properties of SFRSCC at room temperature (25ħ)and after heat treatment at different temperatures (200,400,600,800ħ)were tested,and the numerical simulation analysis was carried out by combining LS-DYNA software and HJC constitutive model.The results show that the static compressive strength of SFRSCC increases first and then decreases with the increase of temperature grade,and reaches the maximum value of 66.9MPa at 200ħ.Under the same level of impact load,with the increase of temperature grade,the dynamic compressive strength of SFRSCC increases first and then decreases,and reaches the maximum at 200ħ.The dynamic compressive strength of SFRSCC increases with the impact load level,and the dynamic strength growth factor increases with the increase of strain rate.The failure modes of simulation and test are consistent.Key words :steel fiber reinforced self-compacting concrete;high temperature;dynamic mechanical property;static mechanical property;numerical simulation 收稿日期:2023-05-25;修订日期:2023-08-01基金项目:国家重点研发计划课题(2021YFC3100802)作者简介:朱㊀明(1997 ),男,硕士研究生㊂主要从事冲击动力学方面的研究㊂E-mail:mingzhu@通信作者:宫能平,博士,教授㊂E-mail:npgong@ 0㊀引㊀言自密实混凝土(self-compacting concrete,SCC)由于流动性高㊁无须人工振捣㊁适用性强㊁密实性高等特点被广泛应用于机场㊁核电站与大剧院等大型建筑物[1]㊂与普通混凝土相比,SCC 具有良好的流动性,这一特点使其在拌和的过程中需要更多的水和胶凝材料,从而导致SCC 在养护早期容易出现收缩开裂的问题㊂经前人研究[2]发现,向SCC 中掺入钢纤维可以有效减轻开裂程度㊂钢纤维自密实混凝土(steel fiber reinforced3896㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷self-compacting concrete,SFRSCC)融合了自密实混凝土与普通混凝土的特点,与普通混凝土相比,SFRSCC 具有更高的流动性,与自密实混凝土相比,SFRSCC具有更高的抗裂㊁抗拉和抗冲击能力[3]㊂在面临火灾和火灾引起的爆炸等灾害时,建筑物混凝土材料与结构会不可避免地受到高温和冲击荷载的影响,这对建筑物结构的安全性与稳定性造成了巨大威胁[4]㊂对高温后钢纤维自密实混凝土动㊁静态力学性能进行研究,可以为火灾后建筑结构的稳定性和安全性评估㊁加固修复等提供参考[5]㊂目前,国内外学者的研究主要聚焦于高温对SCC静态力学性能的影响以及不同纤维对SCC动态力学性能的影响㊂例如,张聪等[4]利用蒸汽压力爆裂理论预测了火灾下不同纤维SCC的高温爆裂,发现细PP纤维和钢纤维对SCC内部蒸汽压力下降有显著影响;王连坤等[6]对经过不同温度处理后的SCC采取不同冷却方式进行了静态力学研究,发现相同高温下,自然冷却的SCC具有较高的静态抗压强度,而喷水冷却的则较低;陶津等[7]对SCC㊁掺加聚丙烯纤维的SCC和高强混凝土开展了高温爆裂试验,发现相对于未加纤维的SCC,添加纤维的SCC爆裂现象明显改善;Ali等[8]通过研究发现,钢纤维可以阻止混凝土裂纹的扩展,有助于提高爆裂剥落强度;Karatas等[9]研究表明,200ħ之前,随着温度等级的升高,钢纤维SCC静态抗压强度增大,与申海洋等[10]的试验结果基本一致;刘志恒等[11]发现经过300ħ高温作用后,橡胶自密实混凝土在重复冲击下的承载能力低于普通自密实混凝土㊂随着有限元数值模拟软件技术的发展,LS-DYNA成为了目前世界上分析功能最完备的显式动力分析程序包,利用LS-DYNA软件建立分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)模型对混凝土在高应变率下的力学行为进行数值模拟研究正在成为一种趋势[12]㊂张社荣等[13]利用LS-DYNA有限元软件,采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)本构模型对碾压混凝土的SHPB试验进行了模拟,并得到了与试验结果一致的力学行为;巫绪涛等[14]结合混凝土动态力学试验与数值模拟对HJC本构模型参数标定等问题进行了研究;Xu等[15]利用SHPB装置对高温后的混合纤维增强混凝土进行了动态劈裂试验,结果表明,通过对HJC 模型部分参数进行修正,可以很好地表征劣化后高温混凝土的力学性能状态㊂然而,目前对高温作用后的SFRSCC的动态抗压特性进行数值模拟研究并不十分普遍㊂综上所述,目前关于高温及纤维对混凝土材料动力学性能影响的研究成果颇丰,但是对利用试验及数值模拟手段对高温后SFRSCC的动力学性能影响的研究鲜有报道㊂为探索高温对SFRSCC动㊁静态力学性能的影响,本文利用RMT实验机和SHPB装置对常温及不同高温处理后的SFRSCC进行了准静态压缩试验和冲击压缩试验,考察了静态抗压强度㊁动态抗压强度和动态强度增长因子等力学指标㊂结合试验和数值分析的结果,综合分析了高温对SFRSCC的动力学性能的影响㊂1㊀实㊀验1.1㊀试件制备在本试验中,配制SFRSCC的水泥为杨春水泥有限公司生产的P㊃O52.5型硅酸盐水泥,主要化学成分见表1;粗骨料为淮河所产的碎石,表观密度2.67g/cm3;细骨料为天然河砂,表观密度2.67g/cm3,堆积密度1.45g/cm3;粉煤灰产地为大连市华能电厂所;水为自来水;外加剂为山西飞科新材料科技有限公司生产的聚羧酸类减水剂(HLX标准型),减水率28%,含气率3%;钢纤维选用ϕ0.2mmˑ13mm的直钢纤维㊂参考已有的研究成果,混凝土中的钢纤维体积率不大于2%时,力学性能与经济效益二者最佳[16-17],故在本文的静态压缩试验与动态冲击试验中,混凝土试件的钢纤维体积率均为2%㊂根据‘自密实混凝土应用技术规程“(JGJ/T283 2012)进行理论计算和试验测试,控制水灰比为0.4,最终确定SFRSCC配合比(见表2)㊂制备2种不同规格试件(ϕ50mmˑ100mm㊁ϕ55mmˑ30mm)分别应用于静态压缩试验和动态压缩试验,对试件进行标准养护,养护周期28d㊂表1㊀胶凝材料的主要化学成分Table1㊀Main chemical composition of cementitious materialsMaterial Mass fraction/%SiO2Al2O3CaO MgO Fe2O3SO3 Cement20.86 5.9056.77 3.50 3.61 2.43第11期朱㊀明等:高温后钢纤维自密实混凝土动㊁静态力学性能研究3897㊀表2㊀钢纤维自密实混凝土配合比Table 2㊀Mix proportion of SFRSCCMaterial Mix proportion /(kg㊃m -3)Cement Stone columns Sand Fly ash Water Water reducer Steel fiber dosage /%SFRSCC 425848823111170 6.521.2㊀试验装置与方法利用FP311C 型马弗炉对SFRSCC 试件进行高温处理,综合先前的研究[18-20],高温加热温度设计为200㊁400㊁600和800ħ4个等级㊂马弗炉以10ħ/min 的升温速率加热试件到预定温度后,保持温度恒定2h㊂为保证试件受热均匀,并避免温差过大导致试件内部产生缺陷,冷却方式为利用炉腔内的余温冷却㊂采用RMT-150C 实验机对高温后SFRSCC 试件进行静态力学性能研究㊂高温后SFRSCC 的冲击压缩试验采用ϕ75mm 的SHPB 试验系统,系统原理见图1㊂其撞击杆㊁入射杆㊁透射杆和吸收杆的材质均为高强度合金钢,基本参数如表3所示㊂根据一维应力波假设和均匀性假设,使用二波法[21]进行数据处理,其主要原理如式(1)所示㊂ε㊃s (t )=-2c L s εr (t )εs (t )=-2c L s ʏt 0εr (t )d t σs (t )=AE A s εt (t )ìîíïïïïïï(1)式中:σs (t )为试件的平均应力,GPa;εs (t )为应变;ε㊃s (t )为应变率,s -1;c 为钢杆的纵波波速,m /s㊁A 为横截面积,mm 2;E 为弹性模量,GPa;L s 为试件长度,mm;A s 为试件横截面积,mm 2;εr (t )为测得的反射应变;εt (t )为测得的透射应变;t 为加载时间,ms㊂图1㊀分离式霍普金森压杆试验系统原理图Fig.1㊀Schematic diagram of split Hopkinson pressure bar test system表3㊀杆件基本参数Table 3㊀Basic parameters of barsBar Length /mm Diameter /mm Density /(kg㊃m -3)Elastic modulus /GPa Poisson s ratio Striker bar 400Incident bar 4000Transmission bar 25007578501950.32㊀结果与讨论2.1㊀质量损失由于高温作用,SFRSCC 试件高温前后质量发生了变化,测量并计算加热前后试件质量差与加热前的质量比,即质量损失率[20]㊂在不同温度等级下试件的质量损失率如图2所示,随着温度等级的增加,试件质量3898㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷图2㊀不同温度等级下SFRSCC 的质量损失率Fig.2㊀Mass loss rate of SFRSCC with different temperature grades 损失率逐渐增高㊂25~200ħ时,试件失重最快,质量损失率为5.72%㊂一方面,试块内部孔隙的自由水加速蒸发㊂另一方面,钙矾石脱水分解,163ħ时,二水合硫酸钙完全失水,导致试件质量损失率比较大[20]㊂200~600ħ时,试件失重较快,C-S-H 凝胶开始脱水反应,如果还有未水化的水泥,可能发生二次水化[7,22]㊂600~800ħ时,试件失重最慢,质量损失率仅由600ħ时的10.65%增长到800ħ时的11.69%,试件的水分基本蒸发,质量损失主要是由碳酸钙高温分解产生氧化钙与二氧化碳引起[23]㊂如果氧化钙静置一段时间,就会水解导致试件体积膨胀㊂不同温度等级下的试件外观如图3所示,600ħ时开始产生裂纹,800ħ时出现明显裂纹㊂图3㊀不同温度等级下试件外观特征Fig.3㊀Appearance characteristics of specimens exposed with different temperature grades 2.2㊀静态压缩试验结果图4㊀不同温度等级下SFRSCC 的静态抗压强度Fig.4㊀Static compressive strength of SFRSCC with different temperature grades 图4为不同温度等级下SFRSCC 的静态抗压强度,数据为相同温度等级下3个静态压缩试验结果的平均值㊂由图4可以看出,随着温度等级的提高,静态抗压强度呈先上升后下降的趋势,并在200ħ时达到最大值66.9MPa,相较于常温(25ħ)下提升了11.3%㊂400㊁600和800ħ时,相较于常温(25ħ)下分别下降了25.5%㊁49.4%和84.7%㊂该趋势和申海洋等[10]研究的轻骨料混凝土的静态抗压强度与温度的关系具有相似规律㊂高温对SFRSCC 的静态抗压强度不仅有弱化效果还有增强效果,对SFRSCC 的静态抗压强度具有显著影响㊂2.3㊀动态压缩应力-应变曲线经历不同温度后的SFRSCC 在不同平均冲击速度(6.7㊁9.6㊁11.0㊁12.5m /s)下的动态压应力-应变曲线如图5所示,为了便于叙述,本文中平均冲击速度均简称为冲击速度㊂图5表明,经高温处理后SFRSCC 的动态应力-应变曲线变化规律与常温(25ħ)下SFRSCC 动态应力-应变曲线具有相似的发展趋势,大致可以划分为4个阶段:1)压密阶段,曲线呈上凹形,试件内部细微裂缝在外力作用下闭合;2)弹性变形阶段,曲线近似为一条直线;3)塑性发展阶段,此阶段随着应变不断增加,应力的增长速率不断减小,达到峰值应力时,曲线的斜率为0;4)破坏阶段,该阶段对应峰值应力后迅速下降曲线,此时曲线斜率为负,试件发生破坏㊂第11期朱㊀明等:高温后钢纤维自密实混凝土动㊁静态力学性能研究3899㊀图5㊀高温后不同冲击速度下SFRSCC 的动态应力-应变曲线Fig.5㊀Dynamic stress-strain curves of SFRSCC after high temperature under different impact velocities 2.4㊀动态抗压强度混凝土动态峰值应力为动态应力-应变曲线中的最大应力值,当混凝土发生破坏时,动态抗压强度值与动态压缩峰值应力相等,当混凝土未发生破坏时,动态抗压强度值大于动态压缩峰值应力[24]㊂在本文所涉及的动态力学试验中,SFRSCC 试件均在冲击压缩下发生破坏,故SFRSCC 的动态压缩峰值应力可视作动态抗压强度值㊂不同冲击速度下,SFRSCC 动态抗压强度与温度等级的关系如图6所示,在相同冲击速度下,随温度等级的提高试件的动态抗压强度呈先增大后减小的趋势,当温度等级为200ħ时,动态抗压强度达到最大值,当温度大于200ħ时,试件的动态抗压强度减小㊂为进一步研究应变率与温度对SFRSCC 动态抗压强度的影响,根据式(2)[25]拟合得到不同温度等级下动态抗压强度与应变率的拟合结果关系如图7所示,试件的动态抗压强度与应变率呈明显的线性相关㊂在不同温度等级(25~800ħ)下,试件的动态抗压强度与应变率呈正线性相关㊂图6㊀不同冲击速度下SFRSCC 动态抗压强度与温度等级的关系Fig.6㊀Relationship between dynamic compressive strength and temperature grade of SFRSCC at different impactvelocities 图7㊀不同温度等级下SFRSCC 动态抗压强度与应变率拟合结果Fig.7㊀Fitting results of dynamic compressive strength and strain rate of SFRSCC at different temperature grades3900㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷σd =a +bε㊃(2)式中:σd 为动态抗压强度,ε㊃为应变率,a ㊁b 均为拟合参数,取值见表4㊂表4㊀式(2)的拟合参数结果Table 4㊀Fitting results of parameters in Eq.(2)Temperature /ħa b R 2Strain rate range /s -12513.2620.3700.983189.82~479.6020013.3570.4170.983176.52~511.77400-17.1020.3880.956163.71~511.64600-21.6640.2730.899192.07~496.45800-25.1350.2480.961165.77~497.16图8㊀不同高温处理后SFRSCC 动态抗压强度变化率Fig.8㊀Dynamic compressive strength change rate of SFRSCC after different high temperature treatments 综合图6和图7可以看出,高温后SFRSCC 的动态抗压强度是应变率效应和温度效应耦合作用的结果㊂进一步对比分析应变率效应与温度效应对SFRSCC 动态抗压强度的影响大小,图8为不同高温处理后SFRSCC 动态抗压强度变化率(相较于常温)㊂当温度等级为200ħ时,不同冲击速度下的SFRSCC较常温强度变化率均为负值,说明SFRSCC 不仅有温度软化效应,还有温度强化效应;当温度等级为800ħ时,SFRSCC 强度变化率随着冲击速度的增大(即应变率的增大)而逐渐减小,说明在800ħ㊁6.7~12.5m /s的冲击速度下,应变率强化效应较温度软化效应对SFRSCC 动态抗压强度的影响更大,占主导地位;当温度等级为400ħ㊁冲击速度为11.0~12.5m /s 时,SFRSCC 强度变化率增大,温度软化效应占据主导地位㊂综上可知,应变率效应和温度效应对高温后SFRSCC 的动态抗压强度影响程度随着应变率的不同和温度的不同而不断变化㊂2.5㊀动态强度增长因子动态强度增长因子(dynamic intensity growth factor,DIF)通常被用来量化应变率效应对混凝土动态强度的影响,是动态强度与静态强度的比值[26],计算公式如式(3)所示㊂DIF =f d /f s (3)式中:f d 为动态强度,f s 为静态强度㊂不同冲击速度下DIF 值随温度变化曲线如图9所示,在相同温度等级下,SFRSCC 试件DIF 值随着冲击速度的提升而增大㊂在同一冲击速度下,600与800ħ时曲线的斜率有明显提升,即SFRSCC 试件DIF 值在800ħ时出现明显增大㊂除800ħ外,温度等级的提升对SFRSCC 试件的DIF 值影响无显著规律㊂普通混凝土动态强度增长因子与应变率的关系计算现阶段已有很多经验公式,本文采用的计算方法如式(4)[26]所示㊂DIF =(ε㊃/ε㊃0)0.014ε㊃ɤ30s -10.012(ε㊃/ε㊃0)1/3ε㊃>30s -1{(4)式中:ε㊃0=3ˑ10-5为参考应变率㊂按照式(3)和式(4)计算SFRSCC 与普通混凝土的DIF 值如图10所示,温度等级为25~600ħ时,试验数据点分布在CEB-FIP 曲线两侧,说明SFRSCC 的应变率敏感性和普通混凝土比较接近㊂当应变率低于350s -1时,试验数据点均在CEB-FIP 曲线下方㊂当应变率高于350s -1时,试验数据点大多在CEB-FIP 曲线上方㊂800ħ时,SFRSCC 数据点均在CEB-FIP 曲线上方,说明800ħ高温处理后SFRSCC 的应变率敏感性大于普通混凝土,当应变率为497.16s -1时,800ħ时SFRSCC 的DIF 值是常温下普通混凝土的3.6倍㊂第11期朱㊀明等:高温后钢纤维自密实混凝土动㊁静态力学性能研究3901㊀图9㊀不同冲击速度下DIF 值与温度的关系Fig.9㊀Relationship between DIF value and temperature at different impactvelocities 图10㊀不同温度下DIF 值与应变率的关系Fig.10㊀Relationship between DIF value and strain rate at different temperatures为进一步研究应变率对DIF 值的影响,采用广泛使用的拟合公式[27],如式(5)所示㊂DIF =a lg ε㊃+b (5)式中:a ㊁b 均为拟合参数,拟合参数结果如表5所示㊂拟合结果如图11所示,经不同温度处理后,SFRSCC 的DIF 值都随着应变率的增大而增大㊂温度等级为25~600ħ时,DIF 值为1.1~4.2,4条拟合曲线基本接近,而800ħ的拟合曲线斜率则明显高于其他温度等级㊂为进一步研究温度与应变率对DIF 值的影响规律,对应变率求导可得式(6)㊂dDIF d ε㊃=a ε㊃ln 10(6)式中:a 为拟合参数㊂图11㊀不同温度下DIF 值与应变率的拟合结果Fig.11㊀Fitting results of DIF value and strain rate at different temperatures由表5可知,拟合参数a 随温度等级的提高而增大㊂根据式(6)可得:当应变率ε㊃相同时,a 值越大,拟合曲线的斜率也就越大,说明在相同应变率下,温度等级越高,SFRSCC 的DIF 值增长速率越大;温度相同时,随着应变率ε㊃的增大拟合曲线的斜率逐渐减小,即温度相等时,SFRSCC 的DIF 值的增长速率随着应变率的增大而减小;温度等级为25~600ħ时,a 值为4~6,在图11中表现为SFRSCC 的数据集中在某一区域;温度等级为800ħ时,a 值最大,SFRSCC 的数据点均在其他温度等级的上方㊂综合图9~11可以看出,高温后SFRSCC 的DIF 值受到应变率效应和温度效应二者的影响,温度等级为25~600ħ时,应变率效应对DIF 值影响大于温度效应;温度等级为800ħ时,温度效应对DIF 值影响大于应变率效应㊂表5㊀式(5)的拟合参数结果Table 5㊀Fitting results of parameters in Eq.(5)Temperature /ħa b R 2Strain rate range /s -125 4.478-8.9050.999189.82~479.60200 4.485-8.8900.999176.52~511.77400 5.835-11.9790.923163.71~511.64600 6.198-13.1690.813192.07~496.4580017.623-37.5440.886165.77~497.163902㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷3㊀冲击压缩数值模拟3.1㊀模型建立与参数选取图12㊀混凝土SHPB 试验的数值模型Fig.12㊀Numerical model of concrete SHPB test 利用LS-DYNA 前处理模块建立SHPB 与试件的有限元模型,模型尺寸与真实尺寸一致,模型的单位制是t-mm-s(吨-毫米-秒)㊂模型由撞击杆㊁入射杆㊁试件和透射杆四个部分依次组成(见图12),单元选用Solid164㊂参考文献[15,27]的介绍方法,选择编号为001,关键字为 ∗MAT_ELASTIC 设置撞击杆㊁入射杆㊁透射杆模型,基本参数见表3㊂选择编号111#的 ∗MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRET 设置试件模型㊂通过修改关键字 ∗INITIAL _VELOCITY _GENRATION 来改变撞击杆的初始速度㊂HJC 本构模型是Holmquist 等[28]基于大应变㊁高应变率㊁高压力的混凝土所提出的基本计算模型,主要由3个部分构成:强度方程㊁损伤演化方程和状态方程㊂HJC 模型有21个不同的参数,按照性质可分为:基本物理力学参数㊁强度参数㊁损伤参数和压力参数㊂SFRSCC 基本物理力学参数参照前文已知部分参数(见表6),最大拉伸强度T 和弹性模量E 采用文献[29]中方法计算,其余参数借鉴文献[13,15,27]中所介绍的试算-调整-验证方法,基于SFRSCC 试件动㊁静态力学试验数据确定(见表7)㊂表6㊀试件主要物理力学参数Table 6㊀Main physical and mechanical parameters of specimensTemperature /ħDensity /(kg㊃m -3)E /GPa f s /MPa T /MPa 25 2.79141.6760.1 4.8200 2.70943.9766.9 5.1400 2.75035.9844.8 4.1600 2.74429.6430.4 3.4800 2.72916.219.2 1.9表7㊀混凝土HJC 模型参数[14]Table 7㊀HJC model parameters of concrete [14]HJC parameter Implication Value ANormalized cohesive strength 0.93BNormalized pressure hardening 1.60N Pressure hardening exponent 0.79SFMAX Normalized maximum strength 7.0C Strain rate coefficient 0.008D 1Damage constant 10.04D 2Damage constant 21.0EFMIN Amount of plastic strain before fracture 0.004P crush /MPa Crush pressure2.03μcrush Crushing volumetric strain 0.66K 1/MPa Pressure constant 185K 2/MPa Pressure constant 2-171K 3/MPaPressure constant 3208P lock /GPa Locking pressure 1.0μlock Lock volumetric strain 0.072EPS0/s -1Quasi-static threshold strain rate 1.03.2㊀模拟结果SFRSCC 动态应力-应变曲线的模拟与试验结果对比如图13和图14所示㊂由图13可以看出,在相同温第11期朱㊀明等:高温后钢纤维自密实混凝土动㊁静态力学性能研究3903㊀度等级(25ħ)下,模拟曲线与试验曲线吻合度较好,并且表现出明显的应变率效应㊂在相同的冲击速度下,模拟与试验两者曲线在上升阶段无明显差距,但在冲击速度等级为12.5m/s时,试验所得应力-应变曲线与模拟所得曲线有一定差异,原因可能是混凝土试块不均匀㊂误差的产生主要来自两个方面:一方面,数值模拟设置的试件为均匀材质,而试验试件的均匀性无法达到模拟的水准;另一方面,HJC模型参数的选取也会影响模拟值[13]㊂相同的冲击速度(9.6m/s)下SFRSCC冲击压缩试验与模拟结果对比如图14所示,在25与200ħ温度等级下,SFRSCC模拟应力-应变曲线与试验曲线相差不大,曲线上升阶段基本相同;而在400㊁600㊁800ħ温度等级下,模拟应力-应变曲线与试验曲线在上升阶段吻合度不高㊂当应变小于峰值应变二分之一时,模拟曲线均小于试验曲线的应力;当应变在峰值应变的二分之一至快达到峰值应变时,模拟曲线均大于试验曲线的应力;600与800ħ处理后的SFRSCC冲击压缩应力-应变曲线呈现应变硬化型,模拟曲线呈应变软化型㊂图13㊀不同冲击速度下常温SFRSCC的动态应力-应变曲线Fig.13㊀Dynamic stress-strain curves of SFRSCC at room temperature under different impactvelocities图14㊀9.6m/s冲击速度下不同温度处理后SFRSCC动态应力-应变曲线Fig.14㊀Dynamic stress-strain curves of SFRSCC at9.6m/s impact velocity after different temperature treatment为揭示高温对SFRSCC在冲击荷载下的影响,以冲击速度为9.6m/s的SFRSCC试件为例,选取其在5个温度等级下的试件破坏图(见图15),模拟试件先从其边缘破坏脱落,再向中间逐渐发生破坏,并向内部塌陷㊂在25和200ħ时,试件出现留芯现象[13]㊂在400㊁600㊁800ħ时,随着温度等级的逐渐提高,试件的破坏程度加剧,试件留芯现象减弱,与试验中SFRSCC试件的破坏规律具有一致性㊂数值研究表明,㊀㊀㊀图15㊀不同温度等级下SFRSCC的试验与模拟破坏状态Fig.15㊀Experimental and simulated failure states of SFRSCC at different temperature grades3904㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第42卷利用LS-DYNA建立SHPB与试件的有限元模型,在SFRSCC静态力学试验和动态力学试验的基础上确定HJC参数,模拟SFRSCC在冲击荷载下的破坏过程和破坏形态并进行定性分析是可行的㊂4㊀结㊀论1)高温(200~800ħ)后SFRSCC试件动态应力-应变曲线的变化与其常温(25ħ)下应力应变曲线的变化规律大致相同,可分为压密阶段㊁弹性变形㊁塑性发展和破坏阶段㊂2)在相同冲击速度下,随温度等级逐渐增加,SFRSCC试件动态抗压强度先增大后减小,200ħ时动态抗压强度最大;动态强度增长因子在25~600ħ时差距不大,800ħ时最大㊂3)在同一温度等级下,SFRSCC试件动态抗压强度与应变率呈线性增长关系,200ħ时增长速率最大;动态强度增长因子与应变率呈对数增长关系,温度等级越高,增长速率越大㊂4)模拟所得SFRSCC试件动态应力-应变曲线与试验结果基本一致,冲击压缩破坏形态具有相似性,直观地表现了试件的破坏过程㊂参考文献[1]㊀吕㊀淼,安雪晖,李鹏飞,等.自密实混凝土全过程智能生产研究进展[J].清华大学学报(自然科学版),2022,62(8):1270-1280.LÜM,AN X H,LI P F,et al.Review of smart production techniques for the entire self-compacting concrete production process[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2022,62(8):1270-1280(in Chinese).[2]㊀王怀亮.钢纤维高性能轻骨料混凝土多轴强度和变形特性研究[J].工程力学,2019,36(8):122-132.WANG H L.Strength and deformation properties of high performance steel fiber reinforced lightweight concrete under multiaxial compression[J].Engineering Mechanics,2019,36(8):122-132(in Chinese).[3]㊀赵㊀云,毕继红,王照耀,等.矿渣粉对钢纤维自密实混凝土性能的影响[J].建筑材料学报,2022,25(1):24-30.ZHAO Y,BI J H,WANG Z Y,et al.Influence of granulated blast furnace slag on the properties of steel fiber reinforced self-compacting concrete[J].Journal of Building Materials,2022,25(1):24-30(in Chinese).[4]㊀张㊀聪,夏超凡,袁㊀振,等.火灾下纤维自密实混凝土的爆裂行为预测[J].建筑材料学报,2021,24(2):260-267+282.ZHANG C,XIA C F,YUAN Z,et al.Spalling behaviour prediction for fiber reinforced self-consolidating concrete under fire[J].Journal of Building Materials,2021,24(2):260-267+282(in Chinese).[5]㊀LI L,WANG Z C,WU J,et parative study on the dynamic mechanical properties of steel fiber reinforced concrete at high temperaturesand after high temperature cooling[J].Construction and Building Materials,2022,346:128448.[6]㊀王连坤,蔡凯鹏,陈伟杰,等.高温后不同冷却方式下自密实混凝土力学性能研究[J].消防科学与技术,2022,41(2):191-196.WANG L K,CAI K P,CHEN W J,et al.Study on mechanical properties of self-compacting concrete under different cooling methods after high temperature[J].Fire Science and Technology,2022,41(2):191-196(in Chinese).[7]㊀陶㊀津,柳㊀献,袁㊀勇,等.自密实混凝土高温爆裂性能影响因素的试验研究[J].土木工程学报,2009,42(10):22-26.TAO J,LIU X,YUAN Y,et al.Experimental study of factors affecting the spalling of self-compacting concrete under high temperatures[J].China Civil Engineering Journal,2009,42(10):22-26(in Chinese).[8]㊀SADRMOMTAZI A,GASHTI S H,TAHMOURESI B.Residual strength and microstructure of fiber reinforced self-compacting concrete exposedto high temperatures[J].Construction and Building Materials,2020,230:116969.[9]㊀KARATAS M,DENER M,BENLI A,et al.High temperature effect on the mechanical behavior of steel fiber reinforced self-compacting concretecontaining ground pumice powder[J].Structural Concrete,2019,20(5):1734-1749.[10]㊀申海洋,刘凌晖,任㊀磊.高温作用下轻骨料混凝土力学性能研究[J].铁道科学与工程学报,2022,19(10):2976-2983.SHEN H Y,LIU L H,REN L.Study on mechanical properties of lightweight aggregate concrete under high temperature[J].Journal of Railway Science and Engineering,2022,19(10):2976-2983(in Chinese).[11]㊀刘志恒,陈徐东,胡良鹏,等.重复冲击下高温后橡胶自密实混凝土动态力学性能[J].工程科学与技术,2023,55(4):169-178.LIU Z H,CHEN X D,HU L P,et al.Investigation on the dynamic mechanical properties of thermally treated rubberized self-compacting concrete under repeated impact[J].Advanced Engineering Sciences,2023,55(4):169-178(in Chinese).[12]㊀刘兵兵,季日臣,吕生玺.基于ANSYS/LS-DYNA水下钻孔爆破数值模拟[J].科学技术与工程,2021,21(27):11776-11782.LIU B B,JI R C,LÜS X.Numerical simulation of underwater drilling blasting based on ANSYS/LS-DYNA[J].Science Technology and Engineering,2021,21(27):11776-11782(in Chinese).[13]㊀张社荣,宋㊀冉,王㊀超,等.碾压混凝土HJC动态本构模型修正及数值验证[J].振动与冲击,2019,38(12):25-31.ZHANG S R,SONG R,WANG C,et al.Modification of a dynamic constitutive model-HJC model for roller-compacted concrete and numerical verification[J].Journal of Vibration and Shock,2019,38(12):25-31(in Chinese).。

石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土导电性能研究

维普资讯
第９第６卷期２００６年１２月
建
筑
材
料
学
报
Ｖｏ．，ＮＯ６１９．
ＤｅＮＡＬＯＦＢＵＩＤＩＬＮＧＡＴＥＲＩＳＭＡＬ
文章编号：０７９２（ｏ６Ｏ－０４－０１０ — ６９２０）６６９５
ｄｃｉｅｐａｅ．．ｇａｈｔｌｒｙｉｆｔａｅｉｅｏｃｅｅ（ＩＣＯＮ）ｕｔｈｓ，ｉｅｒｐｉｓｕｒｉｒｔｄｆｒｃｎｒｔＧＳＦｖｅｎｌｂ，ｗａｎｕａｔｒｄＳＣｓｍａｆｃｕｅＵ —
石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土导电性能研究
洪雷，宋玉普
（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，宁大连１６２）辽１０３
摘要：利用钢纤维和石墨为导电相，用渗浇工艺成功配制出水泥基导电复合材料，即采
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｌｃｒｃｃｎｄｔｖｅｅａｅｏｅｅｅｔｉｏｕｃｉｅｃｍｎｔｂｓｄｃｍｐｏｉｅｕｉｔｅｉｅｓａｄｇａｉｅａｏｎｓｔｓｎｇｓｅｌｆｂｒｎｒｐｈｔｓｃ —
ＳＦＯＮ和ＧＳＦＯＮ导电机理模型．ＩＣＩＣ
关键词：钢纤维；复合材料；导电机理
中图分类号：ＴＵ５８５２２．７文献标识码：Ａ
ＳｕｎＣｏｕｔｖｏｅｔｅｆＧｒｐｉｅＳｕｒｔｄｙｏｎｄｃｉｅＰｒｐｒｉｓｏａｈｔｌｒｙ

石墨质改性混凝土高温性能的研究　

第39卷第12期2020年12月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.39㊀No.12December,2020石墨质改性混凝土高温性能的研究郑慧君(承德石油高等专科学院建筑工程系,承德㊀067000)摘要:通过热处理后混凝土力学性能及微观结构的变化,研究了石墨㊁氧化石墨烯复合玄武岩纤维对混凝土高温性能的影响㊂结果表明:石墨的添加会引起混凝土力学稳定性的降低,而氧化石墨烯则可以大幅度提升混凝土的高温力学稳定性,有效降低了热处理所带来的劣化影响;玄武岩纤维与石墨㊁氧化石墨烯的复合使用均未形成协同作用效果,反而降低了试样的力学性能㊂微观分析显示石墨分散在材料体系之中形成了界面缺陷,而氧化石墨烯可以在材料系统中形成紧密连续的交联结构,有效提高了混凝土的高温力学性能㊂关键词:石墨;氧化石墨烯;混凝土;微观结构中图分类号:TQ178㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2020)12-3851-07High Temperature Performance of Graphite Modified ConcreteZHENG Huijun(Department of Construction Engineering,Chengde Petroleum College,Chengde 067000,China)Abstract :The influence of graphite and graphene oxide combined with basalt fiber on the high temperature performance of concrete was studied by mechanical properties and microstructure of concrete after heat treatment.The results show that the addition of graphite reduces the mechanical stability of concrete,while graphene oxide greatly improves the mechanical stability of concrete and effectively reduces the deterioration effect of heat treatment.The combination of basalt fiber with graphite and graphene oxide not only fails to form a synergistic effect,but also reduces the mechanical properties of the specimens.The micro-analysis show that graphite disperses in the material system formed interface transition zone defects,but graphene oxide forms a close and continuous cross-linking structure in the material system,which effectively improves the high temperature mechanical properties of concrete.Key words :graphite;graphene oxide;concrete;microstructure 基金项目:国家自然科学基金(51478071);承德市基金项目(CGX2019KMP0013)作者简介:郑慧君(1988 ),女,讲师㊂主要从事建筑材料㊁结构工程方面的研究㊂E-mail:shijshig@0㊀引㊀言我国每年遭受火灾的建筑物数量巨大,灾后混凝土材料的性能发生较大变化,而混凝土构件和建筑物的耐热性主要取决于混凝土自身的耐热性,因此具有一定耐热能力㊁经济适用的防火耐热混凝土引起研究者的重视[1-3]㊂经过大量研究发现在混凝土中掺入适量粉煤灰㊁偏高岭土等矿物掺合料可以显著提升混凝土的耐热性能,其主要原因是矿物掺合料中的活性SiO 2㊁Al 2O 3可以消耗水泥水化产生的Ca(OH)2,生成大量的水化硅酸钙和水化铝酸钙,有效地优化了水泥浆体的内部结构,同时可在高温下与Ca(OH)2以及其分解产生的CaO 反应生成更多的耐高温矿相,改善了加热过程中由于Ca(OH)2和部分水化硅酸钙分解而产生的结构缺陷,进而提升了材料耐热性能[4-6]㊂随着纳米材料科学技术的发展,人们发现纳米尺寸的矿物掺合料可以显著提高混凝土的各项性能[7-8]㊂苗生龙等[9]对高温后掺纳米碳酸钙混凝土劈裂抗拉性能进行了研究,发现在混凝土中添加适量的纳米碳酸钙可以改善混凝土微观结构,提高混凝土的高温性能㊂Puzach 等[10]研究表明纳米添加剂(粉煤灰㊁矿粉㊁石粉等)的加入可以有效改善混凝土的高温力学性能,但是其掺量须严格控制,否则易引起混凝土的爆裂㊂因此,需要掺量低㊁效果稳定㊁性能更加优异的添加剂来改善混凝土的耐热性能㊂在胶凝材料中引入了包含石墨的纳米添加剂可以有效改善混凝土的热学性能[11],从而改善其耐热性3852㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第39卷能㊂Yanturina等[12]研究发现占水泥质量0.005%~0.025%的石墨纳米添加剂,可以改善混凝土的抗冻性,耐热性和抗热冻性㊂Chung[13]发现混凝土中添加石墨可以使混凝土具备优异的热学性能㊂但是,由于石墨比表面积大㊁不溶于水,且在受到外来压力时易产生滑动,这使得石墨水泥基材料的力学性能有所降低[14]㊂随着石墨烯的优异性能被陆续报道,研究者发现石墨烯混凝土具备更加优异的性能㊂彭晖等[15]发现氧化石墨烯的掺加可以优化水泥复合材料的微观结构,增强材料的断裂性能㊂Pan等[16]发现掺入占胶凝材料质量0.05%的氧化石墨烯可以使水泥基材料的抗压强度提高15%~33%,生成更多纳米尺寸的水化产物,改善水泥的粘接强度,阻碍微裂纹的生成和发展㊂上述研究多集中在常温条件下的力学性能和微观组织以及微观结构与水泥水化的相关性,而对石墨㊁氧化石墨烯混凝土高温力学性能的研究报道较少㊂另有研究发现[17-18],玄武岩纤维在高温作用下可以减少混凝土的爆裂,改善混凝土的力学性能㊂基于此,本文对掺加石墨㊁氧化石墨烯及其与玄武岩纤维复合混凝土的高温性能进行了研究,分析了两者对混凝土高温力学性能的影响机制㊂1㊀实㊀验1.1㊀原材料水泥为四川省峨胜水泥集团股份有限公司生产的P㊃O52.5R普通硅酸盐水泥;粉煤灰购自垚鑫矿产品加工有限公司,d50=3.96μm;偏高岭土购自山东淄博,d50=3.87μm;石墨㊁氧化石墨烯购自河南奕致化工产品商行;玄武岩纤维购自皖维集团,纤维长度8mm,直径30μm;粗细骨料均购自灵寿县宏祥矿产品有限公司,粗骨料为5~15mm连续级配的玄武岩;细骨料采用机制石英砂,细度模数2.6;聚羧酸高效减水剂购自江苏苏博特新材料股份有限公司,固含量为35%㊂水泥的相关性能参数如表1所示,粉煤灰和偏高岭土的主要化学组成如表2所示,玄武岩纤维的相关性能参数如表3所示㊂粉煤灰㊁偏高岭土㊁矿粉的宏观形貌如图1所示㊂表1㊀水泥的性能参数Table1㊀Properties parameters of cementDensity/(g㊃cm-3)Specific surface area/(cm2㊃g-1)Water consumption of normal consistency/%Setting time/minInitial Final3.04460027.0115165表2㊀粉煤灰和偏高岭土的主要化学组成Table2㊀Main chemical composition of fly ash and metakaolinMaterial Mass fraction/%CaO SiO2Al2O3Fe2O3MgO SO3K2O P2O5Na2O TiO2SrO Other Fly ash 4.46553.430.9 4.434 2.23 2.46 1.030.961 0.027 Metakaolin0.41846.9444.33 4.434 0.1570.225 1.470.097 1.939表3㊀玄武岩纤维的性能参数Table3㊀Properties parameters of basalt fiberLength/mm Tensile strength/MPa Melting point/ħDiameter/μm Elastic modulus/GPa Density/(kg㊃cm-3) 81650>13503045 2.8图1㊀原料的宏观形貌Fig.1㊀Macro-morphology of raw materials第12期郑慧君:石墨质改性混凝土高温性能的研究3853㊀1.2㊀配合比设计混凝土的配合比设计如表4所示,所有配比的水胶比均为0.21,减水剂掺量为胶凝材料质量的0.2%㊂表4混凝土的配合比设计Table 4㊀Mix ratio design of concreteConcrete Weight ratio of binder Cement Fly ash Metakaolin Graphite Graphene oxide Basalt fiber Quartz sand Basalt JZ 0.650.30.05 1.06 1.88G 0.60.30.050.05 1.06 1.88G-B 0.550.30.050.05 0.071.06 1.88GO0.650.30.05 0.05 1.06 1.88GO-B 0.60.30.05 0.050.07 1.06 1.881.3㊀制备与检测试样的尺寸分别为100mm ˑ100mm ˑ100mm 和100mm ˑ100mm ˑ400mm,成型养护24h 后脱模,脱模后将试件常温养护((24ʃ2)ħ㊁湿度40%),养护龄期分别为3d㊁7d㊁28d㊂依据GB /T 50080 2016‘普通混凝土拌合物性能试验方法标准“对混凝土拌合物的工作性能进行测试;依据GB /T 50081 2002‘普通混凝土力学性能试验方法标准“对混凝土的抗压㊁抗折强度进测试;依据YB /T 4252 2011‘耐热混凝土应用技术规程“测试混凝土试样的残余强度,目标温度为400ħ,冷却方式为空气急冷;试样的热强度为400ħ恒温条件下测得,加载速率为0.8MPa /s,试样溃裂失效后停止测试;依据GJB 332A 2004‘固体材料线膨胀系数测定方法“采用石英示差膨胀仪测试混凝土在400ħ下的平均线膨胀系数㊂采用美国FEI 公司型号为Quanta 600FEG 的场发射扫描电镜观察样品断面形貌㊂2㊀结果与讨论图2㊀混凝土拌合物的工作性能Fig.2㊀Workability of concrete mixture 2.1㊀混凝土的工作性能混凝土拌合物的工作性能测试结果如图2所示㊂同基准组(JZ)相比,加入5%(质量分数)的石墨后,混凝土拌合物(G)的坍落度和拓展度降低,随着玄武岩纤维的添加,拌合物(G-B)的工作性能进一步降低㊂这是由于石墨比表面积较大,且不溶于水,会吸附在水分子上,从而导致和易性变差;而玄武岩纤维由于亲水性以及纤维桥接作用使得坍落度与拓展度进一步降低㊂同基准试样相比,氧化石墨烯的添加对混凝土拌合物(GO)工作性能影响较小,随着玄武岩纤维的添加,混凝土拌合物(GO-B)工作性能有所下降㊂表明氧化石墨烯的引入对混凝土拌合物的粘度影响较小,而玄武岩纤维对拌合物工作性能的作用效果较为稳定㊂综上所述,添加石墨会引起混凝土坍落度与拓展度的降低,而氧化石墨烯的添加对两者基本无影响;添加玄武岩纤维会引起拌合物坍落度和拓展度下降㊂2.2㊀混凝土力学性能2.2.1㊀常温力学性能常温养护条件下,各组混凝土试样养护至3d㊁7d㊁28d 龄期的力学性能测试结果如图3所示㊂同基准组相比,添加石墨会引起混凝土试样早期(3d㊁7d)强度的下降,进一步添加玄武岩纤维后试样的力学性能得到改善㊂这是因为石墨的层状结构会在试样内部形成薄弱点,降低试样抵抗破坏的能力,而添加玄武岩纤维之后,纤维的桥接作用以及其对内部结构的优化改善了添加石墨所带来的缺陷,试样的力学性能得到提升㊂添加氧化石墨烯使得混凝土试样早期强度显著提升,在此基础上向混凝土体系中引入玄武岩纤维会引起试样抗压强度的降低,而抗折强度显著升高,表明氧化石墨烯的添加对试样结构起到了积极的作用效果,3854㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第39卷形成了特殊的能量吸收机制,且在早期就可以产生作用效果,而玄武岩纤维的添加则会破坏这种特殊机制,使得试样的抗压强度迅速降低㊂养护至28d 龄期后,同基准组试样相比,添加石墨的混凝土试样抗压强度下降14.3%,抗折强度下降了20.8%,试样的力学性能显著降低,进一步添加玄武岩纤维后的试样力学性能有所提升,但是依旧低于基准组试样㊂表明石墨对试样力学性能的削弱效果是长期的,而玄武岩纤维对石墨添加带来的缺陷改善作用有限㊂添加氧化石墨烯的混凝土试样后期抗压强度可以达到107.4MPa,高于基准组试样23.2%,高于添加石墨混凝土43.8%,在此基础上添加玄武岩纤维的试样力学性能降低明显,但是抗折强度依旧持续增长,表明氧化石墨烯的添加对混凝土试样力学性能有显著增强的效果,而玄武岩纤维主要起到了增韧作用㊂图3㊀混凝土试样的强度Fig.3㊀Strengths of concrete samples 2.2.2㊀高温力学性能图4㊀混凝土试样的残余强度与常温抗压强度(28d)Fig.4㊀Residual strength and ambient temperature compressive strength of concrete samples (28d)养护至28d 龄期,对400ħ热处理前后试样的力学性能进行测试,结果如图4所示㊂5组混凝土试样在经400ħ热处理之后表面无明显裂纹,而残余强度的变化表现出较大的差异性㊂表明石墨㊁氧化石墨烯及其复合玄武岩纤维对混凝土试样的热处理以及冷却后力学性能的作用效果不同㊂同基准组试样相比,添加石墨后试样的残余强度降低,达到了10.4%,进一步添加玄武岩纤维后试样的残余强度有所提升,但是依旧低于基准组试样㊂表明石墨的添加会削弱混凝土试样抵抗高温破坏的能力,进一步添加耐高温的玄武岩纤维可以降低这种削弱程度,但是效果有限㊂添加氧化石墨烯后,试样抵抗高温破坏的能力显著提升,在经过热处理后试样的残余强度达到了119.7MPa,高于基准组试样22.4%,但是引入玄武岩纤维后,试样的抵抗高温破坏能力降低明显,残余强度同基准组相当㊂表明氧化石墨烯的添加可以显著提升试样的抵抗高温破坏能力,这种作用机制经400ħ热处理后依旧有效,但是玄武岩纤维的引入会明显破坏这种作用机制,未能与体系形成协同效应㊂混凝土试样的热强度与残余强度对比如图5所示㊂同基准组相比,添加石墨的混凝土试样热强度大幅度降低,玄武岩纤维的引入未能明显改善其力学性能;添加氧化石墨烯试样的热强度大幅度升高,在高温环境中具备优良的抵抗载荷破坏能力,这可能是氧化石墨烯与浆体形成的优异结构在高温与载荷的双重破坏下依旧有效,在此基础上添加玄武岩纤维试样的热强度较基准组低,表明氧化石墨烯与玄武岩纤维未能形成协同效应,GO-B 试样的热强度较G-B 试样优异,表明虽然玄武岩与石墨和氧化石墨烯都未能产生协同效应,氧化石墨烯与玄武岩纤维的复合效果优于石墨与玄武岩纤维㊂第12期郑慧君:石墨质改性混凝土高温性能的研究3855㊀通过热强度与残余强度对比,可以观察到所有试样的热强度均低于残余强度,表明在热处理后将混凝土在空气中进行冷却可以使混凝土的部分力学性能得到恢复,这可能是由混凝土试样中矿物相的转化所致,特别是钙矾石的生成与分解㊂同基准组试样相比,添加石墨以及石墨与武岩纤维的混凝土试样在两种环境下的抗压强度相差较大,表明试样的力学稳定性较差,不能有效地抵抗热环境的冲击㊂添加氧化石墨烯混凝土试样两种环境下的抗压强度虽然有变化,但是其残余强度与热强度均较基准组试样优异,表明添加氧化石墨烯可以显著提升混凝土试样的力学稳定性,进一步添加玄武岩纤维后两种混凝土试样抗压强度变化幅度不大,表明混凝土试样的力学稳定性主要来源于氧化石墨烯的引入㊂应力-应变曲线表明了混凝土在外力作用下变形及破坏,在一定程度上揭示了混凝土的损伤机理㊂选取JZ㊁G㊁GO 三组试样考察其在400ħ加荷条件下的应力-应变关系,曲线如图6所示㊂基准组试样应力-应变曲线的平缓阶段较短,随着加载进入了近似直线的阶段,试样达到应力峰值后失效,同基准组试样相比,添加了石墨和氧化石墨烯的试样应力-应变曲线的应力峰㊁坡度发生了较大变化,表明两者的引入会明显改变混凝土的高温受力破坏机制㊂添加石墨混凝土试样的应力峰值降低且应变较小,试样在失效前存在一段较为平缓的应力-应变曲线,表明石墨引起混凝土力学性能下降的同时也会降低其峰值应力所对应的应变,但是由于石墨的结构特征,试样在高温受载的环境中表现出延性特征㊂添加氧化石墨烯混凝土试样的曲线坡度非常平缓,随着加载试样发生了较大应变,但是相应的载荷较小,随着加载时间的延长,进入僵持阶段,曲线近似直线,直至达到应力峰值试样失效,这一过程中试样表现出较高的应变量,峰值应力对应的应变显著增加,高于基准组㊁石墨混凝土试样应力峰值应变量的86%左右,试样表现出优异的抵抗高温环境载荷破坏的能力㊂这可能是由于氧化石墨烯的引入,混凝土结构得到优化,混凝土的延性以及韧性得以改善,从而提升了试样高温环境抵抗外力破坏的能力㊂图5㊀混凝土试样残余强度与热强度对比Fig.5㊀Comparison of residual strength and thermal strength of concretesamples 图6㊀混凝土试样的应力-应变曲线Fig.6㊀Stress-strain curves of concretesamples 图7㊀混凝土试样的平均线膨胀系数Fig.7㊀Average linear expansion coefficient of concrete samples 2.3㊀平均线膨胀系数混凝土体系组分较为复杂,热膨胀系数不匹配对其高温力学性能影响较为显著㊂对混凝土试样400ħ条件下的平均线膨胀系数进行测试,结果如图7所示㊂同基准组试样相比,添加石墨后,混凝土试样的平均线膨胀系数升高,但是随着玄武岩纤维的复合使用,试样膨胀系数下降,这可能是由于石墨以及其与水化产物形成的结构在高温下发生膨胀,体系膨胀系数上升,而纤维的引入使得试样的膨胀被抑制㊂氧化石墨烯混凝土试样的膨胀系数同基准组相当,引入纤维后试样的平均线膨胀系数明显下降,表明氧化石墨烯的添加对混凝土的平均线膨胀系数基本无影3856㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第39卷响,试样有着较好的体积稳定性,玄武岩纤维对氧化石墨烯混凝土的膨胀有着同样的抑制效果,可以约束试样高温下的变形㊂图8㊀混凝土试样的SEM照片Fig.8㊀SEM images of concrete samples2.4㊀微观结构养护至28d后,常温及400ħ热处理后试样的SEM照片如图8所示㊂常温条件下可以观察到基准组试样硬化浆体中水化产物将粉煤灰微珠包裹,形成了较为致密的浆体结构㊂经高温热处理后,浆体中的C-S-H 发生脱水分解,形成了大量微观孔道,浆体结构劣化㊂添加石墨的混凝土试样断面形貌中可以观察到石墨的存在,主要为层状结构,没有参与胶凝材料的水化反应,且在硬化浆体中形成了界面薄弱区[19],降低了硬化浆体的致密度㊂经高温热处理之后石墨未发生分解,仍以层状结构存在于硬化浆体中,因此添加石墨的试样力学性能较低㊂添加氧化石墨烯的混凝土试样断面形貌中可以观察到大量的特殊交联结构,且经高温热处理后C-S-H凝胶虽然发生脱水分解,但是这种交联结构依旧存在,这是因为氧化石墨烯较大的比表面积和亲水性,使得氧化石墨烯簇具有较高的保水能力[13,19],从而形成此类特殊结构㊂这种结构可以吸收能量,增强试样的力学性能,400ħ热处理仅引起部分水化产物的脱水分解,未能使养护石墨烯形成的特殊结构失效,且这种结构大量存在于试样内部,因此试样的力学性能以及力学稳定性得以大幅度提升㊂添加玄武岩纤维后,其乱向分布抑制了氧化石墨烯与水化产物形成交联结构,高温处理后,玄武岩纤维未受影响[18],但是纤维与水化产物形成的界面过渡区高温处理后劣化,这使得玄武岩纤维与氧化石墨烯在材料体系中未形成协同作用效果㊂㊀第12期郑慧君:石墨质改性混凝土高温性能的研究3857 3㊀结㊀论(1)石墨的添加可以使得混凝土拌合物的工作性能降低,而氧化石墨烯对混凝土拌合物的工作性能基本无影响,复掺玄武岩纤维后拌合物的工作性能进一步降低㊂(2)石墨的添加会使得混凝土的力学稳定性降低,石墨与玄武岩纤维的复合使用未能起到协同增强效果,但是玄武岩纤维可以增强混凝土的韧性㊂氧化石墨烯可以显著改善混凝土的高温力学稳定性,但是氧化石墨烯复合玄武岩纤维同样未能产生协同效应,反而降低了试样的力学性能,玄武岩纤维对混凝土的增强主要体现在韧性方面㊂(3)石墨的添加会引起混凝土膨胀系数的升高,而氧化石墨烯的添加对混凝土试样的膨胀系数基本无影响,复合玄武岩纤维后可以抑制混凝土试样的热膨胀㊂(4)氧化石墨烯可以调节水泥水化产物的结构,形成紧密交联结构,且经高温热处理后作用机制不失效,而石墨分散在材料体系之中形成界面薄弱区,降低试样的高温力学性能㊂参考文献[1]㊀陈伟强,靖洪文,高㊀远,等.高温后混凝土损伤评估的声发射试验研究[J].混凝土,2020(3):54-58.[2]㊀Liang X W,Wu C Q,Su Y,et al.Development of ultra-high performance concrete with high fire resistance[J].Construction and BuildingMaterials,2018,179:400-412.[3]㊀苏雪峰,张亚慧.火灾高温对大理石混凝土宏观性能与微观结构的影响[J].硅酸盐通报,2019,38(12):3916-3921.[4]㊀周建伟,李㊀辉,郑伍魁,等.掺粉煤灰和偏高岭土对高强混凝土不同温度下力学性能的影响[J].硅酸盐通报,2019,38(12):3952-3958.[5]㊀吴相豪,戴圣男,李志卫,等.高温后水泥基材料抗压强度与微观结构研究[J].硅酸盐通报,2019,38(6):1755-1758+1763.[6]㊀姚韦靖,庞建勇.玻化微珠保温混凝土高温后性能劣化及微观结构[J].复合材料学报,2019,36(12):2932-2941.[7]㊀Norhasri M S M,Hamidah M S,Fadzil A M.Applications of using nano material in concrete:a review[J].Construction and Building Materials,2017,133:91-97.[8]㊀朱绘美,宋㊀强,张㊀军.盐卤-干湿循环耦合作用下纳米偏高岭土改性混凝土的性能[J].硅酸盐学报,2020,48(2):237-245.[9]㊀苗生龙,李庆涛,孙浩浩,等.高温后纳米CaCO3混凝土抗压强度试验研究[J].硅酸盐通报,2018,37(9):2883-2887+2903.[10]㊀Puazch V G,Shustrov N S.Chervyakov V M,et al.Improvement of concrete heat resistance[J].Refractories and Industrial Ceramics,2019,60(6):296-300.[11]㊀Cui H Z,Liao W,Mi X M,et al.Study on functional and mechanical properties of cement mortar with graphite-modified microencapsulatedphase-change materials[J].Energy and Buildings,2015,105:273-284.[12]㊀Yanturina R A,Trofimov B Y,Ahmedjanov R M.The influence of graphite-containing nano-additives on thermo-frost resistance of concrete[J].Procedia Engineering,2017,206:869-874.[13]㊀Chung D D L.Carbon materials for structural self-sensing,electromagnetic shielding and thermal interfacing[J].Carbon,2012,50(9):3342-3353.[14]㊀Wei J,Zhao L L,Zhang Q,et al.Enhanced thermoelectric properties of cement-based composites with expanded graphite for climate adaptationand large-scale energy harvesting[J].Energy and Buildings,2018,159:66-74.[15]㊀彭㊀晖,戈娅萍,杨振天,等.氧化石墨烯增强水泥基复合材料的力学性能及微观结构[J].复合材料学报,2018,35(8):2132-2139.[16]㊀Pan Z,He L,Qiu L,et al.Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide-cement composite[J].Cement and ConcreteComposites,2015,58:140-147.[17]㊀李㊀曈,张晓东,刘华新,等.高温后混杂纤维混凝土力学性能试验研究[J].铁道科学与工程学报,2020,17(5):1171-1177.[18]㊀赵燕茹,刘道宽,王㊀磊,等.玄武岩纤维混凝土高温后力学性能试验研究[J].混凝土,2019(10):72-75.[19]㊀Marcano D C,Kosynkin D V,Berlin J M,et al.Improved synthesis of graphene oxide[J].ACS Nano,2010,4(8):4806-4814.。

钢纤维增韧混凝土抗冲击性能研究综述

钢纤维增韧混凝土抗冲击性能研究综述
刘平;苏雨萌;陈庞
【期刊名称】《混凝土》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】对钢纤维增韧混凝土抗冲击性能展开了研究,研究了在不同应变率和钢纤维体积掺量的条件下,混凝土动态峰值压应变、吸能能力、动态弹性模量增长系数
和动态抗压强度增长系数的变化。

结果表明:钢纤维增韧混凝土的动态峰值压应变、吸能能力、动态抗压强度增长系数和动态弹性模量增长系数均随应变率的增加而增加。

随着钢纤维体积掺量增加,混凝土动态抗压强度和吸能能力逐渐增加,动态弹性
模量增长系数逐渐减小。

适量钢纤维可以提高混凝土的动态峰值压应变,当钢纤维
掺量为1.5%时,混凝土动态峰值压应变达到最大值,掺入过多钢纤维会导致峰值压
应变降低。

建立了钢纤维增韧混凝土动态弹性模量增长系数、动态抗压强度增长系数和能量吸收、动态应变率和钢纤维体积掺量的计算式。

【总页数】5页(P47-51)
【作者】刘平;苏雨萌;陈庞
【作者单位】河北工业大学土木与交通学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.572
【相关文献】
1.钢纤维混凝土抗冲击性能及其阻裂增韧机理
2.基于钢纤维增韧的钢管混凝土抗冻性能研究
3.活性粉末混凝土的力学性能及钢纤维增韧研究
4.钢纤维增韧高强混凝土的制备及性能研究
5.塑钢纤维增韧轻骨料混凝土空心柱抗震性能试验研究
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不同温度条件下水泥注浆液性能的实验研究

不同温度条件下水泥注浆液性能的实验研究范利丹;胡彪;邵红超【摘要】针对不同温度条件下水泥注浆施工,在实验室进行了各温度条件下,水灰比对水泥浆液凝结时间、黏度、结石率和析水率影响的实验研究,并对结石率和析水率进行相关性分析.结果表明,随温度升高,浆液的初凝、终凝时间都缩短,但缩短的幅度越来越低;低水灰比时,随温度升高黏度增大,水灰比达到一定高度时,温度对黏度的影响不明显;随温度升高,结石率增大,析水率降低.而随水灰比的增大,浆液性能向相反的方向发展.相关性分析表明结石率和析水率有高度显著的一元线性关系.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(035)002【总页数】7页(P274-280)【关键词】水泥细度;水灰比;浆液性能;浆液黏度【作者】范利丹;胡彪;邵红超【作者单位】河南省高等学校深部矿井建设重点学科开放实验室,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000;河南理工大学土木工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TU528.2一方面随着经济的快速发展和隧道施工技术的日趋成熟，相继出现了长大深埋隧道，并遇见了高温地热水问题。

另一方面，随着煤矿开采深度的增加，巷道距离地表越远而离地心越近，岩石的温度随之升高。

高地温问题(热害)已成为隧道(洞)工程、采矿工程及其他地下工程中常遇到的地质灾害[1-2]，开展高地温地下工程注浆材料研究已成为当前十分紧迫的任务。

众多的注浆材料中，化学浆材易带来环境污染，水玻璃浆液存在强度低、耐久性差等问题，超细水泥具有成本较高的不利之处[3]。

通过往水泥浆材中掺入减水剂、膨润土等外加剂，使水泥浆液的流动性增强、析水率降低，在实现堵水功能方面取得良好效果[4]，但是存在浆液结石体强度相对传统水泥浆不足的问题。

因此，普通水泥浆仍在工程中被广泛应用[5-7]，探索高温环境下水泥浆材的性能变化规律，对解决实际高地温地下注浆工程中的难题具有重要的指导意义。

混凝土中添加石墨的应用研究

混凝土中添加石墨的应用研究1. 简介混凝土是现代建筑中最主要的结构材料之一，它具有良好的耐久性和可靠性。

然而，混凝土在使用过程中面临着一些挑战，如裂缝、腐蚀、磨损等。

为了改善混凝土的性能，石墨被引入其中。

本文将重点介绍混凝土中添加石墨的应用研究。

2. 石墨的特性石墨是一种具有特殊结构的碳质材料，它具有良好的导电性、导热性和机械性能。

此外，石墨还具有抗腐蚀性和高温稳定性。

因此，石墨被普遍应用于电池、润滑剂、导电材料等领域。

3. 混凝土中添加石墨的原理混凝土中添加石墨可以改善混凝土的性能，主要原因是石墨的导电性。

石墨能够在混凝土中形成导电网络，提高混凝土的导电性。

当混凝土中存在裂缝时，导电网络能够使裂缝内的水分迅速蒸发，从而防止裂缝扩大。

此外，石墨的导热性能能够提高混凝土的传热效率，从而降低混凝土的温度应力。

4. 混凝土中添加石墨的应用研究4.1. 抗裂性能混凝土中添加石墨能够提高混凝土的抗裂性能。

一项研究表明，添加0.1%的石墨可以将混凝土的抗裂性能提高40%。

此外，石墨还能够减少混凝土的收缩裂缝，从而提高混凝土的耐久性和可靠性。

4.2. 抗磨损性能混凝土中添加石墨能够提高混凝土的抗磨损性能。

一项研究表明，添加2%的石墨可以将混凝土的抗磨损性能提高50%。

此外，石墨还能够减少混凝土的表面粗糙度，从而提高混凝土的平整度和美观度。

4.3. 导电性能混凝土中添加石墨能够提高混凝土的导电性能。

一项研究表明，添加0.5%的石墨可以将混凝土的电阻率降低50%。

此外，石墨还能够提高混凝土的导电性能，从而减少电阻损失和能量消耗。

4.4. 抗腐蚀性能混凝土中添加石墨能够提高混凝土的抗腐蚀性能。

一项研究表明，添加5%的石墨可以将混凝土的腐蚀速率降低85%。

此外，石墨还能够减少混凝土的氧化和腐蚀，从而提高混凝土的耐久性和可靠性。

5. 结论混凝土中添加石墨是一种有效的方法，能够提高混凝土的性能和可靠性。

石墨的导电性能能够形成导电网络，防止混凝土裂缝扩大；石墨的导热性能能够降低混凝土的温度应力；石墨的抗腐蚀性能能够提高混凝土的耐久性和可靠性。

石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土升温化冰研究

石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土升温化冰研究
洪雷;张健
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2010(013)001
【摘要】用石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土(graphite-cement slurry infiltrated fiber concrete,GSIF-CON)试件进行了不同环境温度条件下的升温和化冰试验.结果表明:GSIFCON材料具有良好的电热升温性能,若试件底部和侧部设有3 cm厚的保温层,其升温速率可提高40%以上;在相同的负温环境下,电功率对化冰热效率和热量损失影响较小,但对化冰时间影响显著;在相同的负温环境和电功率条件下,化冰热效率随冰层厚度的增加而明显提高.
【总页数】5页(P7-11)
【作者】洪雷;张健
【作者单位】大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.572
【相关文献】
1.石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土板融雪试验 [J], 洪雷;张健
2.石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土导电性能研究 [J], 洪雷;宋玉普
3.轻骨料导电混凝土面层的升温与化冰实验研究 [J], 陈龙;孙明清;李滨;李红;张谢
东
4.石墨水泥砂浆注浆钢纤维混凝土长龄期电热性能研究 [J], 洪雷
5.复掺石墨烯/氧化石墨烯改性砂浆电学与融雪化冰性能研究 [J], 袁小亚;张维福;曹潘磊;杨森;覃荫俊
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掺碳纤维和微细钢纤维水泥砂浆热电性能研究

掺碳纤维和微细钢纤维水泥砂浆热电性能研究
陈兵;姚武;吴科如
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2004(007)003
【摘要】研究了掺纤维水泥砂浆升温与降温过程中的热电效应,并着重探讨了纤维和水泥基体对该体系热电性能的影响.研究发现:碳纤维和微细钢纤维能显著提高和改善水泥砂浆的热电性能;通过碳纤维水泥砂浆与微细钢纤维水泥砂浆联结可形成水泥基热电偶,从而实现对大体积水泥砂浆混凝土内部的温度监控.
【总页数】8页(P261-268)
【作者】陈兵;姚武;吴科如
【作者单位】上海交通大学,土木工程系,上海,200240;同济大学,混凝土材料研究国家重点实验室,上海,200092;同济大学,混凝土材料研究国家重点实验室,上
海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.572
【相关文献】
1.微细钢纤维高强水泥砂浆板嵌入式加固梁受剪试验研究 [J], 赵军;冯虎;陈勇浩
2.不同掺料的碳纤维水泥砂浆的压敏性研究 [J], 韦文兵;谢慧才;张巍
3.掺碳纤维和石墨水泥砂浆电学性能研究 [J], 范晓明;董旭;孙明清;李卓球
4.微细钢纤维快硬高强硫铝酸盐水泥砂浆与钢筋黏结性能研究 [J], 冯虎;刘光辉;毕
永涛;赵晓聪;赵军
5.微细钢纤维磷酸镁水泥砂浆的基本力学性能 [J], 冯虎;赵晓聪;高丹盈;赵军因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。