改性轻骨料混凝土高温力学性能及细观损伤演化机理试验研究

Lightweight aggregate high performance concrete is a type of green construction material with low CO2 footprint, which, therefore, is one of the major directions of the development of concrete nowadays. This project will study mechanical properties of a new type self-developed lightweight aggregate concrete at room and high temperatures and evolutions of its microstructure and chemical composition due to the exposure to high temperatures, with an attempt to propose mechanism of evolution of high temperature damage for this concrete under the coupled effects of temperature field, stress field, humidity field and chemical field, to propose statistical empirical formula for its high temperature performance and appraisal procedure for its residual strength after high temperature exposure, to propose production process of the new modified lightweight aggregate concrete with better resistance to high temperatures and to establish real-time dynamic digital image correction observation and measurement system under the thermal-mechanical coupling effect. Polypropylene fiber and hybrid fiber will be added in this concrete for its further modification. The study will be carried out by combining macro- and micro- experimental work, theoretical analysis and numerical calculation together, by using high temperature fatigue testing machine with SEM, universal testing machine with high temperature environment box for observation, high temperature digital image correction measurement system, XRD and MIP techniques.

高性能轻骨料混凝土属绿色、低碳的建筑材料，是当今混凝土领域的主要发展方向之一。本项目针对我们自主开发的新型轻骨料混凝土，加入聚丙烯纤维和混杂纤维进一步改性，采用宏细观实验、理论分析和数值计算相结合的研究方法，应用带扫描电镜的高温疲劳试验机、带有可观测高温环境箱的万能试验机、高温数字图像相关测量系统、X射线衍射仪和压汞仪等试验分析手段，采取常温下力学性能；高温下的力学性能；高温后的残余力学性能；微结构特征及其演化和化学组分及其演化等逐层次、多方面的研究方案开展研究工作。系统研究这类新型改性轻骨料混凝土在温度场、应力场、湿度场、化学场等多场耦合作用下的高温损伤演化机理。本项目的研究工作将表征出这类新型改性轻骨料混凝土高温损伤演化机理的同时，提出其高温性能的统计经验公式和高温残余强度评估方法；提出性能更好的耐高温新型改性轻骨料混凝土生产工艺，建立热力耦合作用下的实时动态数字图像相关观测量系统。

轻骨料混凝土由于含湿量较大，火灾高温时易发生爆裂，使其优异的耐高温性能难以充分发挥。因此本项目开发了两类改性轻骨料，并进一步复掺纤维以提高轻骨料混凝土的耐高温性能。研究内容包括：（1）新型改性轻骨料混凝土的制备与常温力学性能、热工性能、化学组分和微结构观测试验。（2）改进高温显微数字散斑相关测量方法，通过实时获取高精度的变形位移场，得到力学性能与温度之间的关系。（3）新型改性轻骨料混凝土的高温试验。（4）新型改性轻骨料混凝土的高温后的力学性能、化学组分和微结构观测试验。（5）应用带扫描电镜的疲劳试验机实时观测新型改性水泥石在200-800度升温过程中，材料微结构的演化。结合前面的工作，探明改性轻骨料混凝土高温细观损伤演化机理以及材料的火灾高温性能特征。（6）针对新型改性轻骨料混凝土材料骨料和界面的细观结构特点，发展相应的网格剖分技术，应用ANSYS软件计算不同温度下改性轻骨料混凝土板、壳构件的温度场和应力场。基于本项目：（1）提出了基于混凝土高温爆裂及高温后力学性能的轻骨料（陶粒）改性工艺并分析了改善机理。（2）研究了纤维种类及掺量对轻骨料混凝土高温爆裂及高温后力学性能的影响机制。（3）通过细、微观结构以及胶凝材料物相高温演化分析了轻骨料混凝土高温损伤演化机理。（4）通过数值模拟，计算了不同温度作用下轻骨料混凝土隧道衬砌防火层的温度场分布。研究结果表明：新型改性轻骨料混凝土高温爆裂概率、残余应力应变与温度间的本构关系以及高温损伤演化机理清晰明了，根据本构关系可对新型改性轻骨料混凝土的高温残余强度进行评估。数值模拟计算结果验证了轻骨料混凝土用于隧道衬砌防火层的可能性。