纤维矿渣微粉混凝土高温性能试验研究
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摘要
通过1232个不同尺寸的纤维矿渣微粉混凝土试件在常温、高温中和高温后力学性能试验,并结合微观测试及机理分析,重点探讨温度、矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量、钢纤维体积率和混凝土强度等级对纤维矿渣微粉混凝土力学性能的影响,主要研究内容和结论如下：
1.进行了纤维矿渣微粉混凝土常温力学性能试验研究。结果表明,矿渣微粉和钢纤维使纤维矿渣微粉混凝土抗压强度、劈拉强度和变形、抗折强度和变形均有不同程度提高；聚丙烯纤维对纤维矿渣微粉混凝土抗压强度、弹性模量和劈拉变形均有不同程度改善；随混凝土强度等级提高,纤维矿渣微粉混凝土劈拉强度和变形、抗折强度和变形均有不同程度提高。根据对试验结果的统计分析,建立了考虑矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量和钢纤维体积率影响的纤维矿渣微粉混凝土常温抗压强度、劈拉强度、抗折强度和弹性模量的计算模型。
2.进行了纤维矿渣微粉混凝土高温后扫描电镜分析和机理分析。结果表明,温度、矿渣微粉、聚丙烯纤维、钢纤维和混凝土强度等级对纤维矿渣微粉混凝土烧失率有不同程度影响。随着温度升高,纤维矿渣微粉混凝土内部水分逐渐蒸发分解,水泥浆体以及骨料与水泥浆体的界面过渡区内C-S-H凝胶,钙矾石AFt晶体和氢氧化钙Ca(OH)2晶体等水泥水化物的形貌、状态和数量以及孔隙与裂缝均发生了不同程度地变化,其高温爆裂和微观组织高温损伤发展过程与其组织内部水的分解汽化与迁移过程有关。
3.进行了纤维矿渣微粉混凝土高温中和高温后力学性能试验研究。结果表明,高温作用使纤维矿渣微粉混凝土抗压强度比、劈拉强度比、抗折强度比和弹性模量比均有不同程度降低。矿渣微粉和聚丙烯纤维掺量变化对纤维矿渣微粉混凝土高温抗压强度比、劈拉强度比、抗折强度比和弹性模量比影响较小；随钢纤维体积率增大,纤维矿渣微粉混凝土高温抗压强度比、劈拉强度比和抗折强度比有不同程度提高,其中劈拉强度比和抗折强度比的提高幅度较大。对比分析高温和常温试验研究结果,建立了纤维矿渣微粉混凝土高温抗压强度、劈拉强度、抗折强度和弹性模量的计算模型。
4.测试了纤维矿渣微粉混凝土高温变形性能,系统分析了温度、矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量、钢纤维体积率和混凝土强度等级对纤维矿渣微粉混凝土抗压、劈拉和弯曲变形的影响,建立了考虑温度、矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量和钢纤维体积率影响的纤维矿渣微粉混凝土高温受压应力-应变曲线方程。
Experiments and microscopic analysis were carried out to investigate the mechanical properties of fiber reinforced concrete (FRC) with slag powder at normal temperature, during and after high temperatures. Based on experimental studies, the effects of temperature, slag powder content, polypropylene fiber content, steel fiber fraction and concrete strength grade on mechanical properties of FRC with slag powder were systematically analyzed. The main research results are as follows:
1. The mechanical properties of FRC with slag powder were tested at ambient temperature. The experiment results shows:slag powder and steel fiber contribute to improving of compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and deformation of FRC with slag powder with different degree; Polypropylene fiber is more beneficial to improve compressive strength, elastic modulus and splitting deformation behavior of FRC with slag powder; The splitting tensile strength, flexural strength and deformation behavior of FRC with slag powder are enhanced along with increasing of concrete strength grade. According to the statistical analysis of experimental results, theoretical equations were proposed to predict compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and elastic modulus of FRC with slag powder at ambient temperature, considering the influences of slag powder content, polypropylene fiber content, steel fiber volume ratio and concrete strength grade.
2. The SEM and mechanism analysis of FRC with slag powder subjected to high temperature were researched. The temperature, slag powder, polypropylene fiber, steel fiber and concrete strength grade have different effects on the mass loss rate. The appearance, status, amount, pores and cracks of cement hydrates, such as C-S-H gel, AFt and Ca(OH)2, change with different degree varying to temperature increasing. The spalling and microstructure damage process of FRC with slag powder is revealed to be associated to vaporization, decomposition and migration of the water within concrete.
3. The mechanical property experiments were researched of FRC with slag powder during and after high temperature. The results shows:The ratios of compressive strength, splitting strength, flexural strength and elastic modulus are decreased due to high temperature; The content change of slag powder and polypropylene fiber have little effects on the ratios of compressive strength, splitting strength, flexural strength and elastic modulus; The ratios of compressive strength, splitting strength, and flexural strength are improved along with increase of steel fiber volume ratio. Compared with the test results at ambient and high temperature, theoretical equations are proposed to predict compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and elastic modulus at high temperature.
4. The deformation performance of FRC with slag powder subjected to high temperature was tested. The influences of temperature, slag powder content, polypropylene fiber amount, steel fiber volume ratio and concrete strength grade on deformation of compression, splitting tension and flexure of FRC with slag powder were researched systematically. Compressive stress-strain equation of FRC with slag powder subjected to high temperature were deduced considering more factors such as temperature, slag powder content, polypropylene fiber content, steel fiber volume ratio and concrete strength grade.
1.进行了纤维矿渣微粉混凝土常温力学性能试验研究。结果表明,矿渣微粉和钢纤维使纤维矿渣微粉混凝土抗压强度、劈拉强度和变形、抗折强度和变形均有不同程度提高；聚丙烯纤维对纤维矿渣微粉混凝土抗压强度、弹性模量和劈拉变形均有不同程度改善；随混凝土强度等级提高,纤维矿渣微粉混凝土劈拉强度和变形、抗折强度和变形均有不同程度提高。根据对试验结果的统计分析,建立了考虑矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量和钢纤维体积率影响的纤维矿渣微粉混凝土常温抗压强度、劈拉强度、抗折强度和弹性模量的计算模型。
2.进行了纤维矿渣微粉混凝土高温后扫描电镜分析和机理分析。结果表明,温度、矿渣微粉、聚丙烯纤维、钢纤维和混凝土强度等级对纤维矿渣微粉混凝土烧失率有不同程度影响。随着温度升高,纤维矿渣微粉混凝土内部水分逐渐蒸发分解,水泥浆体以及骨料与水泥浆体的界面过渡区内C-S-H凝胶,钙矾石AFt晶体和氢氧化钙Ca(OH)2晶体等水泥水化物的形貌、状态和数量以及孔隙与裂缝均发生了不同程度地变化,其高温爆裂和微观组织高温损伤发展过程与其组织内部水的分解汽化与迁移过程有关。
3.进行了纤维矿渣微粉混凝土高温中和高温后力学性能试验研究。结果表明,高温作用使纤维矿渣微粉混凝土抗压强度比、劈拉强度比、抗折强度比和弹性模量比均有不同程度降低。矿渣微粉和聚丙烯纤维掺量变化对纤维矿渣微粉混凝土高温抗压强度比、劈拉强度比、抗折强度比和弹性模量比影响较小；随钢纤维体积率增大,纤维矿渣微粉混凝土高温抗压强度比、劈拉强度比和抗折强度比有不同程度提高,其中劈拉强度比和抗折强度比的提高幅度较大。对比分析高温和常温试验研究结果,建立了纤维矿渣微粉混凝土高温抗压强度、劈拉强度、抗折强度和弹性模量的计算模型。
4.测试了纤维矿渣微粉混凝土高温变形性能,系统分析了温度、矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量、钢纤维体积率和混凝土强度等级对纤维矿渣微粉混凝土抗压、劈拉和弯曲变形的影响,建立了考虑温度、矿渣微粉掺量、聚丙烯纤维掺量和钢纤维体积率影响的纤维矿渣微粉混凝土高温受压应力-应变曲线方程。
Experiments and microscopic analysis were carried out to investigate the mechanical properties of fiber reinforced concrete (FRC) with slag powder at normal temperature, during and after high temperatures. Based on experimental studies, the effects of temperature, slag powder content, polypropylene fiber content, steel fiber fraction and concrete strength grade on mechanical properties of FRC with slag powder were systematically analyzed. The main research results are as follows:
1. The mechanical properties of FRC with slag powder were tested at ambient temperature. The experiment results shows:slag powder and steel fiber contribute to improving of compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and deformation of FRC with slag powder with different degree; Polypropylene fiber is more beneficial to improve compressive strength, elastic modulus and splitting deformation behavior of FRC with slag powder; The splitting tensile strength, flexural strength and deformation behavior of FRC with slag powder are enhanced along with increasing of concrete strength grade. According to the statistical analysis of experimental results, theoretical equations were proposed to predict compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and elastic modulus of FRC with slag powder at ambient temperature, considering the influences of slag powder content, polypropylene fiber content, steel fiber volume ratio and concrete strength grade.
2. The SEM and mechanism analysis of FRC with slag powder subjected to high temperature were researched. The temperature, slag powder, polypropylene fiber, steel fiber and concrete strength grade have different effects on the mass loss rate. The appearance, status, amount, pores and cracks of cement hydrates, such as C-S-H gel, AFt and Ca(OH)2, change with different degree varying to temperature increasing. The spalling and microstructure damage process of FRC with slag powder is revealed to be associated to vaporization, decomposition and migration of the water within concrete.
3. The mechanical property experiments were researched of FRC with slag powder during and after high temperature. The results shows:The ratios of compressive strength, splitting strength, flexural strength and elastic modulus are decreased due to high temperature; The content change of slag powder and polypropylene fiber have little effects on the ratios of compressive strength, splitting strength, flexural strength and elastic modulus; The ratios of compressive strength, splitting strength, and flexural strength are improved along with increase of steel fiber volume ratio. Compared with the test results at ambient and high temperature, theoretical equations are proposed to predict compressive strength, splitting tensile strength, flexural strength and elastic modulus at high temperature.
4. The deformation performance of FRC with slag powder subjected to high temperature was tested. The influences of temperature, slag powder content, polypropylene fiber amount, steel fiber volume ratio and concrete strength grade on deformation of compression, splitting tension and flexure of FRC with slag powder were researched systematically. Compressive stress-strain equation of FRC with slag powder subjected to high temperature were deduced considering more factors such as temperature, slag powder content, polypropylene fiber content, steel fiber volume ratio and concrete strength grade.
引文
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