多元掺合料、混杂纤维与集料对超高性能水泥基材料动态行为的协同效应研究

Developing ultra-high performance cementitious composites (UHPCC) with high impact resistance is a significant strategic demand to ensure the security of many engineering structures. Currently, UHPCC has been used in many important civil and protective buildings, but preparation of the material is a complex process and the cost of the material is high. Meanwhile, there is a lack of research on the dynamic mechanical behavior of the material. This project aims to prepare UHPCC with excellent impact resistance based on the principle of developing mineral admixtures of high reactivity, using hybrid fibers with different shapes and adopting normal preparation technology and curing method. The project expects to improve the traditional methods of preparing UHPCC. The key to the project is to investigate the synergetic effect of multiple addition of mineral admixtures, addition of hybrid fibers and aggregate on the dynamic behavior of UHPCC. The research contents for this project will mainly include the following aspects: 1. Detailed characterization of the microstructure of UHPCC and relevant mechanism for its evolution; 2. Damage evolution of UHPCC under impact load and the underlying mechanism and modeling; 3. Understanding the mechanisms of the microstructure evolution and property development of UHPCC when multiple mineral admixtures as well as hybrid fibers and aggregate are added. The results obtained from this research proposal are expected to build scientific basis for the application of UHPCC in important engineering projects，and provide theoretical knowledge on the dynamic response of UHPCC.

研发抗冲击能力强的超高性能水泥基材料，是工程安全防护的重大战略需求。针对目前重大、重要民用工程及防护工程用超高性能水泥基材料的传统制备工艺复杂、性价比低及缺乏系统动态力学行为的研究现状。本项目围绕多元掺合料、混杂纤维及骨料之间的协同效应发挥对水泥基材料动态行为的影响规律这一核心问题，以开发高活性多元掺合料，设计与制造不同性状纤维混杂等多元复合技术，采用常规工艺及养护条件，制备出抗冲击性能优异的超高性能水泥基材料，从而突破国外制备超高性能水泥基材料的传统技术路线。系统研究超高性能水泥基材料的微结构形成与演变机制，探明超高性能水泥基材料在冲击荷载作用下的损伤累积规律、机理并建立模型，探明多元掺合料、混杂纤维及集料对超高性能水泥基材料在冲击荷载作用下的微结构演变及性能发展机理，为实现超高性能水泥基材料在重大及重要工程中的应用提供重要科学依据，丰富和完善超高性能水泥基材料动态响应的理论体系。

针对目前防护工程用超高性能水泥基材料（UHPCC）多采用能耗大且价格昂贵的超细粉体材料、微细金属纤维及复杂的施工和养护工艺的现状，本研究采用粉煤灰、硅灰、偏高岭土等掺合料复掺的方式，并掺加高强粗骨料和不同尺度、不同形状的钢纤维，基于最紧密堆积原理，采用常规工艺制备出抗压强度达200MPa以上的超高性能水泥基材料，并对该材料的静态和动态力学性能力学进行系统而全面的研究。结果表明，端钩型钢纤维比平直纤维在提高UHPCC材料的静态力学性能上更有优势，粗骨料的掺入可以提高基体试样的抗压强度。UHPCC具有明显的应变率效应，混掺2%平直型钢纤维和1%的端勾型试件表现出最为优异的抗冲击压缩性能，高强粗集料能提高试件的抗冲击压缩性能，因此制备UHPCC材料的时候，并非一定要剔除粗集料而提高材料的均匀性，而是通过复合材料的合理设计，尽可能的消除界面薄弱区、充分发挥高强粗集料的增强效果。UHPCC在低应变率作用下多发生一次层裂，而高应变率下则产生二次甚至多次层裂现象，掺加粗集料之后，其层裂强度略有降低。此外，本项目采用多种现代分析测试手段（水化热、MIP、XRD、纳米压痕、X-CT等）揭示了UHPCC具有超高性能的微观结构形成机理及其在多次冲击作用下损伤演变规律。结果表明，低水胶比条件下UHPCC的水化反应在3d后基本完成，随着养护龄期的延长，界面区微观结构得到了改善，孔隙率也不断降低，孔径不断得到细化，180d后孔隙率降低到4％以下，使得材料整体呈现出异常密实的微观结构。X-CT测试和三维重构结果表明，UHPCC在多次冲击作用下的破坏过程为：试件的边缘部分出现一些裂纹，并且这些裂纹大部分是在试件中的薄弱区（如孔洞、缺陷等）萌生和发展，之后随着冲击次数增加，试件边缘的破坏程度加剧，裂缝逐渐向中部扩展，最后在试件中部形成横贯的裂缝。钢纤维的增强、增韧和阻裂效应是UHPCC试件破坏模式发生转变的根本原因。高强粗集料的骨架效应的发挥以及与混杂纤维的增强效应的协同发挥，能最大程度的提升UHPCC材料的抗多次冲击压缩性能。