生态型纳米超高性能水泥基复合材料的制备及微结构演变规律

Over the world, conventional preparation of Ultra High Performance Cementitious Composites (UHPCCs) involves exploitation of expensive powders, fine metal fibers (large dosage and high price), complex construction and curing conditions (hot water or steam curing conditions), which continuously constrains the development and applications of UHPCCs materials in industries. In response to such situation, the current research aims to prepare ecological nano UHPCCs with exceptional mechanical properties based on the grain accumulation theory in combination with multi-composite techniques, where the selection and the amounts of the composites are optimized in order to take full advantages of the nanoparticulate mineral materials. This research also carries out systematic research over the static mechanical behaviors of such UHPCCs materials. As an agreed conclusion is still missing within the international academic community concerning the microstructure formation mechanism in UHPCCs and the influences of the nano ingredients therein, the current research will exploit various modern characterization techniques in order to reveal the origin of the formation of the microstructures that lead to the high performance of UHPCCs.

针对目前国际上超高性能水泥基复合材料（Ultra High Performance Cementitious Composites,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（用量大、价格高）及复杂的施工、养护工艺（热水养护、蒸压养护等）不断制约着超高性能水泥基复合材料的发展及在工程中应用的现状，本研究基于颗粒堆积理论并采用多元复合技术，通过材料组分的优选、配比优化及充分发挥矿物掺合料中活性纳米组分的作用，制备出绿色环保、节能减排的纳米超高性能水泥基复合材料使其具有优异的力学性能，并对该材料的静态力学行为进行系统而全面的研究，同时，针对目前国际学术界对纳米组分对UHPCC材料微结构形成的影响规律及超高性能水泥基复合材料的微观结构形成机理尚没有统一的认识与结论，本研究拟采用多种现代分析测试手段揭示UHPCC材料具有超高性能的微观结构形成机理。

针对目前国际上超高性能水泥基复合材料多采用能耗大且价格昂贵的超细粉体材料、微细金属纤维（用量大、价格高）及复杂的施工、养护工艺（热水养护、蒸压养护等）不断制约着超高性能水泥基复合材料的发展及在工程中应用的现状，本研究采用粉煤灰、硅灰、偏高岭土、稻壳灰等掺合料复掺的方式，并掺加尾矿砂及高强骨料，通过材料组分的优选、配比优化，制备出抗压强度达200MPa以上的绿色环保的纳米超高性能水泥基复合材料，并对该材料的静态力学行为进行系统而全面的研究。结果表明，偏高岭土的火山灰活性指数要大于硅灰，稻壳灰3d的活性优于硅灰。稻壳灰和硅灰化学成分接近，随着龄期延长火山灰反应持续两者活性指数接近；0.17水胶比条件下下砂浆既有较为优异的工作性能又有较好的力学性能，偏高岭土和稻壳灰的最佳掺量均为为10%左右；掺加30%或50%的尾矿砂之后，材料在不同龄期条件下的力学性能不仅没有明显的下降趋势，反而有所增加；粗集料加入后UHPCC的抗折强度较相同纤维体积率的无粗集料混凝土有所下降，但抗压强度有所提高。此外，本项目采用多种现代分析测试手段（MIP、XRD、纳米压痕、X-CT等）揭示了UHPCC材料具有超高性能的微观结构形成机理。结果表明，随着反应龄期延长UHPCC基体逐渐密实，孔隙率不断降低、孔径得到细化，早期水化产物消失，高火山灰活性的偏高岭土和稻壳灰消耗掉了基体内大部分的氢氧化钙，UHPCC材料存在大量未水化的水泥颗粒，且绝大部分水化产物为UHD C-S-H凝胶，未发现类似普通混凝土材料中的LD C-S-H凝胶，且存在少量的HD C-S-H凝胶，正是由于水化产物UHD C-S-H凝胶具有超高的密度、硬度和弹性模量，使得材料在微观结构上不存在类似于普通混凝土的界面薄弱区，且未水化水泥颗粒被水化产物UHD C-S-H凝胶紧密包围，不会对后期的性能产生过多影响，因此UHPCC才显示出优异的力学性能和耐久性能。此外，掺加偏高岭土可有效抑制成型振捣中钢纤维的下沉，有利于钢纤维在砂浆中均匀分散。