曹擎宇：高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料應(yīng)用性能研究

　　一.  研究背景

　　隨著我國基礎(chǔ)工程的大規(guī)模興建和城市化的高速推進(jìn)，為解決大跨度、薄壁、高耐久、長壽命結(jié)構(gòu)的實(shí)施，高性能水泥基復(fù)合材料的發(fā)展已是迫切急需，為節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、優(yōu)化材料性能，高性能水泥基復(fù)合材料走生態(tài)化與環(huán)保型已是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重中之重。

　　研究生態(tài)型高性能水泥基復(fù)合材料是提高工程耐久性和服役壽命的重要舉措，也是提高特種結(jié)構(gòu)各種抗力的必由之路。

　　二. ECO-RPC（生態(tài)型活性粉末混凝土）力學(xué)行為研究

　　RPC（Reactive Powder Concrete）活性粉末混凝土是90年代發(fā)展起來的新材料，其組成材料主要是水泥、超磨細(xì)石英粉和大摻量硅灰、高效減水劑，不用粗集料，細(xì)集料為磨細(xì)石英砂（粒徑為0.6mm）。其等級有RPC800、RPC400和RPC200。由于其具有自流平優(yōu)勢、力學(xué)性能高、動(dòng)態(tài)行為優(yōu)異和超高耐久性，已是當(dāng)今最活躍的可與金屬媲美與高分子材料抗衡的跨世紀(jì)超高性能水泥基復(fù)合材料，而且RPC基體必須與纖維復(fù)合才能發(fā)揮其優(yōu)勢。

　　1.RPC存在的主要問題

　　超細(xì)粉體材料價(jià)格昂貴、要經(jīng)過超磨細(xì)而導(dǎo)致能耗大，國外微細(xì)金屬纖維價(jià)格高，從而性價(jià)比低，不僅RPC800、RPC400難以在工程中推廣應(yīng)用，即使RPC200在工程中大規(guī)模應(yīng)用也十分艱難。

　　基于RPC目前的問題中冶建研院致力于解決RPC造價(jià)較高，性價(jià)比過低的問題，采取的方式是采用活性礦物的摻合料，充分利用超細(xì)工業(yè)廢渣自身各種物理與化學(xué)優(yōu)勢，取代更多水泥熟料，改善組成材料與微結(jié)構(gòu)，優(yōu)化纖維尺度與外形，優(yōu)化養(yǎng)護(hù)方法與制度，充分發(fā)揮其高耐久性、長期服役壽命和高動(dòng)態(tài)效應(yīng)特點(diǎn)，提高性價(jià)比，擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，在重大工程和特種制品中高效能利用其優(yōu)勢。

　　經(jīng)過試驗(yàn)研究得出下表的材料基體

　　ECO-RPC200優(yōu)化后材料基體

　　ECO-RPC200的制備工藝

　　優(yōu)選高效減水劑保證具有自流平（SCC）特征 ，保證有很強(qiáng)的流動(dòng)性，滿足混凝土的要求，

　　采用自然養(yǎng)護(hù)方式（實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)）替代常用的熱養(yǎng)、蒸養(yǎng)，節(jié)省高溫高壓而造成能源消耗劇增。

　　2.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下力學(xué)行為

　　3.ECO-RPC200或ECO-UHPFRCC200的抗腐蝕性能與抗凍性能

　　4.ECO-RPC200與國外RPC200的對比

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)ECO-RPC（生態(tài)型活性粉末混凝土）性能得到了進(jìn)一步的提升，并且成本上節(jié)約10%-15%。

　　三. 超高性能纖維混凝土（UHPFRC)

　　1.超高性能纖維混凝土材料基體配比

　　采用的細(xì)集料：最大粒徑Dmax為2.38mm天然級配的尾礦砂粗集料：最大粒徑Dmax為5mm、10mm、15mm、20mm連續(xù)級配當(dāng)Dmax>15mm時(shí) 鋼纖維尺度按標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)改變。

　　2.纖維特性

　　3.抗折抗壓強(qiáng)度測試

　　超高性能纖維混凝土的研究還在進(jìn)行，下一步研究方向是動(dòng)力性能和初級性能，探索在港口工程，軍事工程，和巖體工程的應(yīng)用。

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　　四. 纖維增強(qiáng)聚合物混凝土

　　高速鐵路隧道襯砌結(jié)構(gòu)現(xiàn)在主要有倆種混凝土形式，一種是主要應(yīng)用于Ⅳ、Ⅴ高等級圍巖的鋼筋網(wǎng)護(hù)面混凝土結(jié)構(gòu)，但是結(jié)構(gòu)造價(jià)高、施工困難、工序耗時(shí)長。一種是主要應(yīng)用于Ⅰ、Ⅱ級圍巖素混凝土結(jié)構(gòu)，但對混凝土的塑性沉降裂縫和塑性收縮裂縫的抑制作用不利。只能應(yīng)用于低等級圍巖，所以中冶建研院開發(fā)研究可以在Ⅱ、Ⅲ級圍巖替代鋼筋網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的纖維混凝土，這樣可以大大降低工程造價(jià)和施工周期等。使用低摻量有機(jī)纖維，對混凝土的塑性裂縫的有一定的抑制作用。

　　1.聚合物的選擇

　　在選用聚合物時(shí)要考慮到:聚合物本身穩(wěn)定性要好，聚合物在水泥水化時(shí)不能與鈣離子和氯離子發(fā)生反應(yīng)，要有良好的玻璃化溫度和最低成膜溫度。

　　2.纖維的選擇

　　3.配合比設(shè)計(jì)

　　膠凝材料總量為450kg/m3，粉煤灰等量取代30%水泥

　　水膠比0.32、砂灰比1.6，砂率0.42

　　纖維最終體積摻量為：0.8%

　　聚合物最終摻量為膠凝材料用量的15%

　　基準(zhǔn)配合比（質(zhì)量比）為水泥：粉煤灰：砂：石子：水= 315: 135: 690: 1035: 160（kg/m3）

　　在最佳的養(yǎng)護(hù)條件下使水泥充分的水化，同時(shí)聚合物充分的成膜對纖維增強(qiáng)聚合物混凝土做一些性能的檢測

　　彎曲韌性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　4.斷裂性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　5.纖維增強(qiáng)聚合物混凝土工程應(yīng)用實(shí)例

　　隧道全長8531m，是貴廣客運(yùn)專線中挖掘較長、施工難度較大，設(shè)計(jì)要求使用壽命為100年。襯砌層厚度為45 mm

　　后期通過三個(gè)方面對纖維增強(qiáng)聚合物混凝土工程進(jìn)行了監(jiān)測，一個(gè)是襯體表面的檢測，從表面的裂縫來看720天隧道內(nèi)部沒有出現(xiàn)裂縫；襯體表面強(qiáng)度在720天檢測來看表面強(qiáng)度略有增長，斷裂韌性變化不大，維持一定的等級，總的來說纖維增強(qiáng)聚合物混凝土在性能上表現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，