沥青铣刨料为集料的Eco-HDCC优化设计及关键性能

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随着我国“一带一路”倡议的推进,基础设施建设行业仍将蓬勃发展。土建工程的体量大型化、环境复杂化对混凝土提出了更高的要求,高性能化和高功能化是混凝土材料的重要发展方向。生态型高延性水泥基复合材料(Ecological High Ductility Cementitious Composites,简称Eco-HDCC)因其超高的拉伸延性、优异的裂缝控制能力、可就地取材和高掺量固废物的特点,在提高建筑的安全性、耐久性方面,展现出巨大的环保优势。同时,我国每年对沥青道路进行保养和维护所产生大量废弃的沥青铣刨料(RAP),可作为集料用于制备Eco-HDCC。为了提高其利用率,本文探究了Eco-HDCC生产中沥青铣刨料(RAP)替代河砂(RS)的潜在用途,研究了不同的RAP掺量、粒径范围对于Eco-HDCC关键性能的影响。在此过程中,研究了不同新拌状态对于纤维在基体中分散程度的效果,及其对Eco-HDCC拉伸性能的影响规律。主要研究内容如下:首先,研究了RAP掺量对Eco-HDCC新拌性能和硬化后力学性能的影响。掺有RAP的Eco-HDCC流动度降低。原因在于RAP的表面覆盖有一层沥青薄膜,具有疏水且粗糙的表面以及高吸水率。SEM的结果表明,RAP与周围水泥基体的界面结合良好,无明显的孔隙增多,该现象解释了全掺RAP的Eco-HDCC抗压强度保持在约55MPa的原因。随着RAP掺量的增加,Eco-HDCC的拉伸应变能力最多提高了70%,达到2.44%,这可以从细观力学理论的角度来解释。一方面,Eco-HDCC基体的断裂韧性(8))和裂纹尖端韧性(4))随着RAP掺量的增大而降低。另一方面,与纤维桥接能力有关的基体/纤维界面参数,随着RAP含量的增加,观察到较低的摩擦应力(τ0)和滑移硬化系数(β),导致纤维桥接余能(′(7)的增加。最后,计算得出的准应变硬化指标(PSH)的增大,解释了掺有RAP的Eco-HDCC拉伸应变能力的显著提高。其次,以全掺沥青铣刨料作为集料制备Eco-HDCC,研究不同新拌状态下的水泥基浆体对于纤维在硬化基体中分散均匀程度的影响效果,及其对Eco-HDCC宏观拉伸性能的影响规律。结果表明,提高减水剂的掺量可以有效地降低Eco-HDCC新拌浆体的塑性粘度及屈服应力;增稠剂可有效地增加浆体的塑性粘度,而对于屈服应力影响较小。Hershel-Bulkley方程适合用于描述Eco-HDCC新拌浆体(不掺纤维)的流变行为,相关系数达到0.999。新拌浆体的Mini-slump扩展度与屈服应力相关度较高,Marsh时间与塑性粘度结果拟合较好,可以适用于半定量地表征Eco-HDCC新拌浆体的流动性能,指导实验室、现场施工的配方试配。纤维分散度α1)与屈服应力相关性较低,与塑性粘度相关性较高。理论上,新拌浆体的塑性粘度越大,屈服应力越小则纤维分散度越高。实际上,在保证基体强度的前提下,为获得大于0.75的纤维分散度,新拌浆体的塑性粘度在5-11 Pa·s,屈服应力在0-18 Pa之间。随着纤维分散度的增大,Eco-HDCC的极限拉伸应变总体上呈指数变大,表明极限拉伸应变对于纤维分散度较为敏感。当α1)>0.75时,极限拉伸应变的提升比较明显。极限拉伸强度与纤维分散度的相关性较低,与基体本身的内部缺陷尺寸有关,但当α1)>0.75时,极限拉伸强度总体大于3.64 MPa。最后,探究了不同粒径范围的RAP对于Eco-HDCC及基体力学性能的影响规律。随着RAP粒径范围从0-0.6 mm增大到0-2 mm,Eco-HDCC的抗压强度总体略有增大。随着RAP最大粒径的增大,Eco-HDCC的孔隙率总体在降低。除RAP-1组,其他组的孔径分布较为接近。基体的弹性模量、断裂韧度随着RAP粒径范围的增大而降低,但断裂韧度降低幅度较小,因此计算得到的裂纹尖端韧性增大,该现象解释了增大RAP粒径范围不利于基体承担拉伸荷载的原因。随RAP粒径范围的增大,初裂强度、极限拉伸强度及极限拉伸应变总体呈下降趋势。最终,当最大粒径为2 mm时,Eco-HDCC的极限拉伸应变衰减为基准组RAP-0.6的44.3%,仅为1.83%。与拉伸性能变化趋势相似,弯曲初裂强度、极限强度、跨中挠度和弯曲耗能都出现了较为明显的下降,最大降幅达到25.2%、29.7%、46.2%和61.5%。
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