超高韧性水泥基复合材料高温性能试验研究

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随着社会的进步,建筑行业蓬勃发展,越来越多的新材料和新技术渐渐被应用到建筑领域中。超高韧性水泥基复合材料(ECC)在常温下具有出色的拉伸性能、控裂能力以及非线性变形能力,其在土木工程中的应用越来越广。目前,对ECC的研究主要集中在常温性能方面,对其高温性能的研究比较欠缺,因此,本文对ECC的高温性能进行试验研究具有重要的意义。通过对ECC试件的高温试验,发现试件的颜色由青灰色逐渐变红,且比相同温度下的普通混凝土更泛红;试件逐渐疏松、开裂,高温后其完整性优于普通混凝土,300℃后,试件表面的PVA纤维消失不见;高温条件下,ECC试件不会爆裂;ECC试件质量损失率随加热温度的升高逐渐增大,200℃前的质量损失速度最快。通过ECC试件高温后力学性能试验,考察了经历不同温度后ECC立方体抗压强度、劈裂强度、轴心抗压强度、峰值应变、弹性模量、单轴拉伸强度、单轴受压应力-应变关系曲线的变化。结果表明:ECC试件在200℃以下呈塑性破坏,300℃以上呈脆性破坏;ECC各项力学性能随着温度升高而降低,单轴拉伸强度约为劈裂强度的1/2。根据ECC高温前后各项力学性能的退化规律,回归了ECC高温后立方体抗压强度、劈裂强度、轴心抗压强度、峰值应变、弹性模量、单轴拉伸强度随温度变化的公式以及单轴受压应力-应变全曲线本构模型。高温后微观结构SEM图表明,200℃前,ECC的微观结构没有出现显著变化;300℃后,PVA纤维完全熔化,基体中形成了额外互相联通的孔道;600℃后,C-S-H凝胶因高温脱水分解而导致微细观结构变化,整块的C-S-H致密结构开始变少,有大量的裂缝产生。压汞试验表明,温度越高,ECC的孔隙结构越粗糙,孔隙率越大。对ECC材料开展相关的热物理性能试验研究。结果表明:随着温度的升高,ECC的导热系数逐渐降低,且下降幅度较大;ECC材料的质量比热容在150℃左右有一个突变;20~500℃,ECC的热膨胀介于欧规的钙质混凝土与硅质混凝土的热膨胀之间,而400~800℃,其热膨胀不在此界限内,比钙质混凝土的热膨胀要低。回归了ECC材料的导热系数、比热、热膨胀系数随温度变化的公式。ECC的TG-DSC曲线可分为三个阶段,预示这些阶段材料存在明显物理、化学反应,该方法测得的高温比热容曲线与采用HotDisk热常数分析仪测得的曲线相差不大。利用有限元软件ABAQUS,采用顺序热-力耦合方法分析了钢筋增强ECC约束梁的高温后受力性能。结果表明:ABAQUS分析得到的ECC梁高温下的温度场与试验结果符合较好,ECC梁在升温结束瞬间的温度分布与截面最高温度相差比较大,只研究高温作用下升温阶段的温度场偏不安全;将ECC梁节点的最高温度作为初始条件导入到力学模型中,分析得到的高温后荷载-挠度曲线、荷载-轴向变形曲线、荷载-轴力曲线、荷载-受拉纵筋应变曲线与试验值的趋势大体相同。
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