超高性能混凝土早期600℃抗爆裂性能研究

超高性能混凝土(UHPC)是一种先进的水泥基材料,具有超高强度、韧性和耐久性,已被广泛应用于工程结构中.然而,在高温条件下,UH-PC致密的微观结构和极低的渗透性,使其极易发生爆裂剥落现象,进而影响构件的使用寿命.本工作采用钢纤维(ST)和聚丙烯(PP)纤维混杂的方式研究了UHPC早期力学性能和抗渗性能,并利用X射线衍射仪(XRD)、同步热分析仪(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、压汞(MlP)等测试方法研究了UHPC的早期抗高温爆裂剥落的机理.结果表明,掺加体积分数为0.4％的聚丙烯纤维可以有效抑制UHPC在早期的高温(600℃)爆裂行为;高温加热后,蒸汽养护下的UHPC力学性能比标准养护下的表现更加优异,且相比于高温前,蒸汽养护下的抗压强度和弯曲强度损失量分别为15.1％和30.9％,而标准养护下的抗压强度和弯曲强度损失量分别为18.5％和26.9％;高温后的抗渗性能满足P5等级;蒸汽养护促进了UHPC早期内部水泥水化和矿物掺合料的火山灰反应,生成更多的水化产物,且消耗了更多的游离水;高温加热后的UHPC内部结构中,通过PP纤维熔化留下的孔道和基体中水化产物的收缩、分解引起的孔隙粗化可对水蒸汽进行泄压,从而避免UHPC在早期进行高温后发生爆裂的情况.     

纤维对超高性能混凝土残余强度及高温爆裂性能的影响

采用普通原材料制备56 d龄期抗压强度为140~160 MPa的空白组超高性能混凝土、钢纤维超高性能混凝土及混杂纤维超高性能混凝土,测定其遭受高温作用后的残余抗压强度和劈裂抗拉强度,并对100%含湿量的混凝土试块进行高温爆裂试验。此外,测定大小2种加热速率对超高性能混凝土高温爆裂行为的影响。结果表明:所配制混凝土的残余抗压强度均随着目标温度的升高呈现先增大再降低的趋势,800℃高温后的残余抗压强度约为常温强度的30%。钢纤维与混杂纤维混凝土的残余劈裂抗拉强度亦呈现先升高再降低的趋势,800℃高温后的残余劈裂抗拉强度分别为常温强度的15.1%和35.4%。空白组混凝土的残余劈裂抗拉强度随着目标温度的升高而单调下降,800℃高温后的强度值约为常温强度的20.3%。7.5℃/min加热速率下,100%含湿量的3种混凝土试块均发生了严重高温爆裂,单掺钢纤维可以改善超高性能混凝土的高温爆裂,但不能避免爆裂的发生,而混杂纤维对超高性能混凝土高温爆裂的改善效果并未显著优于钢纤维。2.5℃/min加热速率下,混杂纤维可避免部分超高性能混凝土试块发生爆裂。      

钢纤维类型对超高性能混凝土高温爆裂性能的影响

为了探寻可以有效改善超高性能混凝土（Ultra-high-performance concrete,UHPC）抗火性能的钢纤维类型,本文试验测定了不同类型钢纤维（3种普通钢纤维和2种来自于废旧轮胎的再生钢纤维）增韧UHPC及空白组混凝土的从常温至800℃高温爆裂行为和断裂能。结果显示,未掺入任何钢纤维的空白组UHPC试件全都发生了严重高温爆裂,钢纤维可以显著减轻其高温爆裂但却不能避免爆裂的发生,而掺入端钩型普通工业钢纤维（长度为35 mm,直径为0.55 mm）的UHPC呈现出最优的抗高温爆裂性能,其次是掺入未附着橡胶颗粒（RSF）的再生钢纤维（RSFR）增韧UHPC。可见,钢纤维自身性能特征显著影响了钢纤维增韧UHPC的高温爆裂,相同掺量情况下混凝土单位体积内分布密度较大的钢纤维或者分布密度较小但可以显著增加混凝土断裂韧性（断裂能）的钢纤维比较适合应用于具有较高抗火要求的UHPC结构中。     

聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土高温性能

通过对聚丙烯-钢纤维增强高强混凝土(混杂纤维/高强混凝土)试块的高温试验, 研究不同目标温度后混凝土表观特征、高温爆裂、质量损失及力学性能。结果表明: 高强混凝土在600 ℃时发生爆裂, 混杂纤维/高强混凝土直至800 ℃未出现爆裂, 混杂纤维有效抑制了高强混凝土的高温爆裂。混杂纤维/高强混凝土的质量损失随所受温度的升高而增大, 其抗压强度、抗折强度随温度的升高而降低, 并且400 ℃以后显著降低。相同温度下, 混杂纤维的加入提高了高强混凝土高温后强度。通过对试验结果的统计分析, 分别建立了混杂纤维混凝土质量损失、抗压强度和抗折强度随温度变化的关系式。     

自密实轻骨料混凝土的高温性能

为了保证自密实轻骨料混凝土(Self-compacting lightweight concrete,SCLC)在实际工程中的安全运用,本文分别对强度为C40和C50的自密实轻骨料混凝土试件进行了高温爆裂试验。通过测定混凝土试验前后的质量、超声波速、抗压强度和抗折强度,研究了自密实轻骨料混凝土的高温性能,并和同强度的普通混凝土、轻骨料混凝土和自密实混凝土的高温性能进行了对比。结果表明,自密实轻骨料混凝土比普通混凝土易爆裂,质量损失较大,但是高温后的超声波速和残余强度损失均小于普通混凝土。     

超高性能混凝土流变特性及其对纤维分散性的影响

优异的分散性能是纤维充分发挥增强增韧作用的关键。为了明确高掺量钢纤维在超高性能混凝土(UHPC)中的分散特征并提高纤维的分散性,采用抗压强度、抗弯强度等力学性能试验、混凝土流变仪以及图像分析技术,分别研究了降粘掺合料、钢纤维掺量对UHPC力学性能、流变性能以及纤维分散性能的影响。结果表明:降粘掺合料对UHPC力学性能无明显提升作用,但可显著降低UHPC基体的屈服应力和塑性粘度,同时可降低钢纤维导致的屈服应力和塑性粘度增加幅度;随着纤维掺量的增加,纤维轴向取向系数和有效利用率降低,而降粘掺合料可提高纤维轴向取向系数和有效利用率;UHPC基体的流变性能、纤维分散性能以及力学性能三者密切相关,基体流变参数越小,纤维轴向取向系数越高、纤维有效利用率越高,则UHPC力学性能越好。     

聚乙烯纤维对超高性能混凝土性能的影响

高强高模量聚乙烯纤维(PE纤维)是一种被广泛研究应用的新型合成纤维增强材料。系统地研究了不同掺量、不同长径比的PE纤维对超高性能混凝土(UHPC)性能的影响。结果表明PE纤维能显著提高混凝土的抗折强度和抗压强度,在纤维体积掺量为2%的情况下,抗折强度为28MPa,抗压强度为157MPa,较素UHPC分别提高了47.3%和28.1%。PE纤维的掺入大大提高了混凝土的韧性,改变了混凝土脆性破坏的形态,表现为多缝开裂,荷载-挠度全曲线表现为位移硬化。     

铣削型钢纤维与超高性能混凝土的界面粘结性能研究

超高性能混凝土(UHPC)优异的性能主要取决于钢纤维与基体的协同工作，为探讨铣削型钢纤维在UHPC中的适用性，本工作通过钢纤维拉拔试验，研究了铣削型钢纤维与UHPC的界面粘结性能，分析了纤维埋深、纤维有无端勾、基体有无纤维、养护条件四个因素的影响及其机理，并与镀铜微丝钢纤维进行对比。结果表明：四种类型的钢纤维(镀铜平直型S、镀铜端钩型H、铣削平直型MS和铣削型MH)在UHPC中的粘结强度大小顺序为H型>MH型>MS型>S型；随着纤维埋深增加，S型、H型和MS型钢纤维在UHPC中的粘结强度减小，而MH型钢纤维则增大；端勾有助于提升钢纤维在UHPC中的粘结强度和拉拔能，并影响拉拔荷载-位移曲线的形状；基体掺入2%(体积分数)钢纤维亦能略微提高钢纤维在UHPC中的粘结强度和拉拔能；与蒸养条件相比，标养条件下界面粘结强度降低，但也使得铣削型钢纤维的拔出行为更明显，提高了拉拔能。铣削型钢纤维与UHPC界面粘结强度较高，但其较低的纤维抗拉强度影响了粘结性能的发挥，建议开发适用于UHPC的高强铣削型钢纤维。     

钢—UHPC组合防撞新装置研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是一种近年兴起的,具有超高强度、超高延性和韧性、高耐久性和体积稳定性良好的水泥基复合材料。由于UHPC具有优异的力学特性(如抗压强度约150 MPa,抗拉强度近30 MPa和良好的延性等),在结构抗冲击领域备受学者们的青睐。且UHPC板具有相当好的抗冲击性能,相对于普通混凝土板爆炸损伤及残余位移都显著地减小。尽管鲜有研究将UHPC运用于防撞领域,但目前UHPC在抗爆中表现出来的优异性能说明了将其用于防撞结构中具有巨大的潜力和前景,尤其是将其作为防船撞结构面板能够充分体现UHPC的抗冲击性能,同时也能显著提高面板的局部刚度。     

板厚对UHPC薄板抗弯性能的影响

薄壁薄板结构是超高性能混凝土(UHPC)一个重要应用,而厚度减小会影响到钢纤维的取向和分布,并直接影响力学性能,如抗弯性能等。对5～50 mm UHPC薄板的抗弯性能进行研究,并通过三维视频显微镜和图像法研究由厚度引起的纤维分布取向变化,发现板厚大于20 mm后所能承受的破坏荷载快速增加,但抗弯强度随板厚减小而增加,纤维取向性(沿长度方向)也逐渐增强,尤其是对厚度为5～10 mm的薄板。抗弯强度变化主要取决于钢纤维取向性和厚度因子,而后者对超薄板影响较大。     

Characteristics of Crack Growth in High Performance Concrete Subjected to Fire

An experimental investigation was conducted to identify the characteristics of crack growth in high performance concrete (HPC) subjected to fire, including two parts of work, i.e. crack growth resistance determinations and cracking observations, using concrete of three strength grades 40 MPa, 70 MPa, and 110 MPa. The crack growth resistance curves (R-curves ) of HPC subjected to high temperatures were determined using notched three-point bend beam specimens of 100 mm×100 mm×300mm. The R-curve (crack growth resistance curve) flattening shows that the crack growth resistance has been significantly reduced by elevated temperature. Concrete with a higher strength grade has a steeper R-curve, with a higher fracture toughness but a shorter critical crack growth. The shorter critical crack growth means that concrete of a higher strength grade has a more brittle behavior. The concrete cracking observations reveal that the consequences of rapid heating are quite different from those of slow heating. For slow he     

超高性能混凝土在埋置炸药下的抗爆试验及数值模拟

该文研究了超高性能混凝土在埋置炸药爆炸载荷作用下的动态力学性能和损伤规律。通过改变混凝土靶体的配合比和炸药放置深度,得到了不同试验条件下混凝土靶体的破坏数据,采用非线性有限元法对靶体的毁伤效果进行了数值模拟,模拟结果与实际情况吻合较好。研究结果表明混杂纤维增强的超高性能混凝土具备更加优异的抗爆炸性能,炸药在靶体中的放置深度对混凝土的抗爆性能有显著影响。     

超高性能混凝土动态冲击拉伸性能研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)作为一种具有超高物理力学性能的新型建筑材料,能显著提高军事防护工程的抗爆炸冲击能力,对保障防护工程中人员的生命安全具有重要意义。为揭示爆炸冲击波在防护工程自由面引起的动态拉伸破坏行为,利用霍普金森压杆装置(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)对UHPC进行动态冲击拉伸试验,系统研究了粗集料种类、钢纤维掺量以及应变率对UHPC动态冲击拉伸性能的影响规律。结果表明:粗集料种类对UHPC的动态冲击拉伸强度有较显著的影响,相比于花岗岩和铁矿石,玄武岩粗集料对动态冲击拉伸性能的提高更为明显;UHPC的动态冲击拉伸强度会随着钢纤维掺量的增加而显著提高,但钢纤维掺量对UHPC动态拉伸强度的贡献存在4%的临界值;此外,UHPC表现出明显的应变率效应,当应变率为7~50s-1时,其效应最为显著。     

配筋超高性能混凝土用作免拆模板对短柱力学性能影响的实验研究

为进一步提高在海洋浪溅区等严重氯盐腐蚀环境下混凝土结构的耐久性,采用以配筋超高性能混凝土(UHPC)用作免拆模板加素填芯混凝土的技术思路,通过轴压实验研究了配筋UHPC用作免拆模板对短柱轴压力学性能的影响。结果表明,与破坏时海工混凝土柱出现大量的混凝土剥落和钢筋裸露不同,UHPC免拆模板柱的整体性良好,表面的UHPC仅出现少量剥落且钢筋不外露。同时,在等截面和相同配筋的情况下,UHPC免拆模板方柱和圆柱的开裂荷载明显高于高强海工混凝土方柱和圆柱的极限荷载,且分别达到其自身极限荷载的93%和88%。考虑到混凝土对钢筋的有效保护是影响海工混凝土结构耐久性的重要因素,配筋UHPC用作免拆模板这一思路在提高柱体的极限承载力、延性、刚度的同时还可以提高结构的开裂荷载、抗裂性能,有效地提高结构耐久性,适用于沿海工程。其中圆柱的力学性能提高幅度要远高于方柱,从配筋UHPC免拆模板的使用效果和施工便利性考虑,优选UHPC免拆模板圆柱。     

Reduction of fire spalling in high-performance concrete by means of superabsorbent polymers and polypropylene fibers: Small scale fire tests of carbon fiber reinforced plastic-prestressed self-compacting concrete

High-performance concrete (HPC) is prone to explosive spalling when exposed to fire, which may lead to failure of the concrete elements. Polypropylene fibers (PP) are often added to HPC, as upon their melting they create channels through which water vapor is evacuated, preventing the build-up of high vapor pressures. In self-compacting HPC (HPSCC), the amount of PP fibers needs to be limited in order to keep the self-compacting properties, which may reduce the fire resistance.In this paper, a novel strategy to reduce fire spalling in HPSCC is illustrated, based on adding small particles of superabsorbent polymers (SAP) during mixing. The SAP end up as empty macropores, similar to air voids, in the HPSCC matrix. The PP fibers-SAP voids system percolates at a lower fiber loading than the fibers alone, allowing maintenance of the self-compacting properties while reducing substantially the fire spalling. In particular, in this paper it is shown how addition of SAP is able to reduce fire spalling in thin-walled HPSCC slabs prestressed with carbon fibre reinforced plastic reinforcement.     

再生钢纤维增韧超高性能混凝土的力学性能

采用来自于废旧轮胎的两种再生钢纤维制备含粗骨料的超高性能混凝土,并测定其抗压强度、劈裂抗拉强度、断裂能和静弹性模量等力学性能,空白组及普通钢纤维增韧超高性能混凝土作对比性能试验。结果显示,未附着橡胶颗粒的再生钢纤维使超高性能混凝土的抗压强度略微下降,降低幅度为3.91%,其余各类型钢纤维均有利于提高超高性能混凝土的力学性能;而附着橡胶颗粒的再生钢纤维显著提高了超高性能混凝土的断裂能,约为普通钢纤维增韧超高性能混凝土的4倍。此外,再生钢纤维对超高性能混凝土的劈裂抗拉强度和静弹性模量的提高效果均优于普通钢纤维。再生钢纤维,尤其是附着橡胶颗粒的再生钢纤维,可以作为一种增韧材料替代普通钢纤维应用到超高性能混凝土工程结构中。      

Pore pressure and explosive spalling in concrete

Results of an experimental study, which measured thermally-induced pore pressure and corresponding concrete temperatures in high-strength concrete (HSC) and normal strength concrete (NSC), to quantify the effects of factors influencing pore pressure buildup and potential for explosive spalling in HSC and NSC are presented. The specimens are 100 × 200 × 200 mm concrete blocks, heated to a maximum temperature of 600°C (1,112°F) at 5°C/min (41°F/min) and 25°C/min (77°F/min). The complex heat-induced moisture transport process, which varied with specific levels of concrete temperature and significantly influenced the developments of pore pressure and concrete temperature, is explained. Pore pressure developments are shown to be directly related to the moisture transport process and have a significant influence on occurrence of explosive spalling. Effects of water-to-cementitious materials ratios (w/cm), curing conditions, heating rates, and polypropylene (PP) fibers on pore pressure buildup and explosive spalling are quantified and described.