第 1 章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
超高性能混凝土（UHPC）是一种新型水泥基材料，与普通混凝土不同，UHPC 通过掺加辅助性胶凝材料、高效减水剂及钢纤维，去除粗集料，在保证其工作性能的前提下降低水胶比、减小孔隙率和增加密实性，因此具有超高强度、高韧性和优异耐久性，满足现代工程对建筑材料更高的需求，具有广阔的应用前景，是目前研究的热点。
超高性能混凝土使用的水泥含量一般在 800-1000kg m3左右，这比当前普通混凝土的用量高出约 3 倍，胶凝材料掺量高，水胶比极低（小于 0.2）并且去除粗集料，这些特点使得超高性能混凝土往往具有较大的收缩，收缩问题作为影响超高性能混凝土的体积稳定性及耐久性一个不可忽略的问题受到越来越多的重视。研究表明内养护材料（SAP、无机多孔轻集料等）的吸放水特性可以使 UHPC 的内部相对湿度在一定时间内维持在相对较高的水平，使毛细管张力减小，有效抑制 UHPC 的早期收缩，同时附加水的引入会促进水化进行，提高水泥的水化程度。
UHPC 中通常添加钢纤维改善混凝土脆性，提高其弯拉强度及韧性。纤维与混凝土基体之间的粘结是影响纤维混凝土抗拉性能与抗折性能的一个重要因素，基体的结构性能是影响纤维基体界面粘结性能的一个重要因素。内养护材料加入 UHPC 基体中使得其与传统 UHPC 水化过程、强度发展及微观结构产生差异，而目前内养护材料对超高性能混凝土抗拉性能尤其是纤维基体粘结行为的影响尚缺乏系统的研究。
因此，本课题旨在研究不同掺量的预湿饱和轻集料对超高性能混凝土纤维基体界面粘结性能及基本力学性能的影响，探讨其作用机制，为轻集料作为内养护材料在超高性能混凝土中的应用提供一定的借鉴作用。
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1.2 UHPC 的国内外研究现状
根据组成，生产工艺和养护条件的不同，UHPC 的抗压，拉伸和弯曲强度分别可以达到 200-800MPa，25-150MPa 和 30-141MPa[1]，目前，对 UHPC的定义，全球范围内尚没有统一的标准，各国制定的相关技术标准也不尽相同。该部分对超高性能混凝土的组成结构做简单介绍。重点综述混凝土内养护材料的研究现状以及超高性能混凝土纤维基体界面粘结性能、拉伸性能的相关研究。
1.2.1 UHPC 的组成与结构
1.2.1.1 UHPC 原材料与配合比设计
目前，北美市售的 Lafarge 公司生产的 Ductal 产品是一种 UHPC 材料，包含水泥、硅灰、石英粉、石英砂、大量的高效减水剂和体积含量 2%的直钢纤维。所用水泥具有低碱含量，低至中等的细度，较低的铝酸三钙含量，因此可以降低用水量，减少钙矾石形成和水化热，建议将 CEM I 52.5，ASTMI 型或 II 型和 GB P.I 水泥用于 UHPC 制备[1]。硅灰最佳使用量在水泥含量的10％到 30％之间。多种矿物掺合料（粒化高炉矿渣、粉煤灰、石灰石粉末、稻壳灰、偏高岭土、玻璃粉等）替代水泥或硅灰加入到 UHPC 中，被证明会产生良好的效果并具有生态效益。石英砂的粒径一般在 150-600 μm 之间，是最大的颗粒物质，为了节省成本，近年来有研究采用粒径为 100-3000μm 的天然河砂替代超细石英砂[2]。石英粉的粒度一般在 0.1-100 μm 之间，通常被认为是惰性填料。纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米偏高岭土、纳米氧化钛、纳米氧化铝、碳纳米纤维等纳米材料也用在 UHPC 中，改善 UHPC 的性能。纳米材料与其他混凝土材料相比，他们具有明显高的表面积与体积比，可以通过成核和生长机制加速水泥水化，还可以通过可能火山灰的反应刺激生成额外的水化硅酸钙（C-S-H），减少氢氧化钙的弱区，并且作为纳米填料，填补胶凝材料和细骨料之间的微米级空隙，使孔隙率降低，微观结构和 ITZ致密化[2]，但是其成本较高、难以均匀分散并且会显著降低新拌混凝土的流动性，限制了纳米材料广泛使用。在现有研究资料中，超高性能混凝土中最常用的纤维通常是长度为 13mm、直径为 0.2 mm 的微钢纤维。
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第 2 章 UHPC 基准配合比研究
2.1 引言
为提高 UHPC 匀质性，传统 UHPC 通常有意去除粒径大于 1mm 的粗集料，使界面过渡区最小，并使用超细石英粉作为填充料进一步提高 UHPC 基体密实性。特殊的材料也造成了 UHPC 制作成本昂贵、自收缩大等不可避免的后果。
近些年一些研究人员尝试在超高性能混凝土中使用粒径大于 1mm 粗骨料代替传统细石英砂并对其基本力学性能进行了一系列研究，使力学性能损失最小化的同时来减少上述负面影响，成功得到具有优良性能和成本效益的 UHPC[42]。为节约成本，本实验用最大直径 2.36mm 的天然河砂代替传统 UHPC 中价格昂贵的细石英砂（通常最大直径为 600μm）制备 UHPC，研究细集料的种类和级配对 UHPC 基本力学性能的影响，大致评估其成本效益，同时，研究水胶比及减水剂掺量对 UHPC 性能的影响，基于上述实验确定用天然河砂制备超高性能混凝土的基准配合比。
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2.2 实验原材料
超高性能混凝土的试配所用原材料主要有：水泥、硅灰、砂（石英砂和天然河砂）、高效减水剂、直钢纤维。
2.2.1 水泥
用于制备超高性能混凝土的水泥应该具有较高的强度等级，并与高效减水剂有良好的相容性。本实验所采用的水泥为曲阜中联水泥有限公司生产的 42.5级普通硅酸盐水泥。所用水泥的化学组成和基本性能如表 2-1、2-2 所示，图 2-1为激光粒度仪所测水泥粒径分布。
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3.1 绪论.............................. 21
3.2 原材料、实验方法及配合比...................................21
第 4 章 陶砂对 UHPC 工作性及基本力学性能的影响......................................... 41
4.1 引言.........................................41
4.2 实验方法及配合比....................................41
第 4 章 陶砂对 UHPC 工作性及基本力学性能的影响
4.1 引言
混凝土的流动性直接影响到施工的难易和浇筑混凝土的质量，水胶比相同的情况下，较好的流动性可以帮助混凝土浇筑密实，提高施工质量，减少混凝土中的缺陷，保证混凝土强度的发展和良好的耐久性。超高性能混凝土较低的水胶比、大量的胶凝材料影响其工作性，因此对 UHPC 流动性的研究至关重要。内养护材料掺入到混凝土中用于减少混凝土材料的自收缩，但由于其较高的孔隙率和较低的筒压强度，轻集料的加入会引入初始附加孔隙率，将不可避免的成为 UHPC 基体中的缺陷，可能对其力学性能产生不利影响。同时，又有相关研究结果显示，饱水轻集料的加入促进了水化的进行，水化程度的提高使水化产物增多，进而促进强度的发展，这种促进补偿了轻集料较高的孔隙率带来的负面效应。关于轻集料对超高性能混凝土单轴拉伸性能的影响，目前还缺乏相应的研究。
本章以预湿饱和页岩陶砂作为内养护材料，以不同的掺量加入到超高性能混凝土中，研究其对超高性能混凝土流动性、抗压强度和拉伸性能的影响。
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结论
本文首先确定了超高性能混凝土基准配合比，重点研究了陶砂掺量对超高性能混凝土纤维基体界面粘结性能、流动度、抗压强度及单轴拉伸性能的影响，结合自收缩实验、SEM、热重实验探讨其影响机制。主要研究成果如下：
（1）本研究中选用的五组配合比颗粒分布均接近最优颗粒堆积密度。用普通河砂替代石英砂制备的 UHPC，蒸养 3d 抗压强度为 165.1-186.1MPa，达到传统 UHPC 强度的约 90%，将材料成本降低 10%。砂的级配对 UHPC 抗压强度影响不大。本研究中 UHPC 水胶比每提高 0.02，流动度增加约 35mm，水胶比0.18 时达到最高抗压强度，过低或过高均会对强度产生不利影响。减水剂掺量从 2%增加到 3%时，混凝土流动度显著增大，超过 3%，增大减水剂用量对流动度的提高作用不再明显，减水剂掺量对 UHPC 抗压强度影响不明显。
（2）单根纤维拔出实验结果变异系数高，具有较大离散性。用多根纤维拔出的实验结果除以纤维数量，使用相对于一根纤维的平均值来研究纤维的拔出行为，可以在一定程度上减小使用一根纤维拔出实验数据的偶然性。
（3）直钢纤维在超高性能混凝土中的拔出曲线出现明显的滑移硬化现象，界面切应力随滑移逐渐增大，表现出高度非线性。陶砂掺量对纤维基体界面界面粘结强度无显著影响。随着陶砂掺量的增加，滑移硬化现象变弱，界面摩擦应力和等效粘结强度逐渐减小。
（4）随着陶砂掺量增加，UHPC 的 28d 自收缩逐渐减小，降低了基体对纤维的夹紧压力，减弱纤维基体间的摩擦。陶砂自身硬度低使得纤维在受力拔出过程中，周围陶砂易被捣碎，从而不能有效提供拉拔阻力。随着陶砂掺量增加，UHPC 单位质量粘结剂结合水量逐渐提高，内养护水有效促进了胶凝材料水化，然而其促进水化作用并不足以弥补陶砂带来的负面效应。
参考文献（略）