冻融过程中UHPC裂后“动态损伤-自愈合”耦合演化机理

Ultra-high performance concrete (UHPC) is highly demanded in the conditions of harsh environment, special project and extreme loads as a result of its exceptional mechanical performance and durability. However, hardened UHPC contains high content of unhydrated cement particles due to low water-to-binder ratio (<0.2). The entrance of external water would lead to pronounced rehydration of unhydrated cement particles with the humidity condition or in water. The present project will focus on the evolution of “dynamic damage-self healing” mechanisms due to the coupled effects of freeze-thaw and further hydration when UHPC is used in cold region. Firstly, initial damage is made to UHPC specimens which are categorized into two groups of water curing and freeze-thaw testing, respectively. The damage and healing processes in UHPC matrix caused by further hydration and freeze-thaw are analyzed by means of cement hydration study and microstructural observation. Then, nano-indentation and fiber-matrix bond tests are conducted to reveal the deterioration mechanisms of the interfacial transition zone (ITZ) and bond characteristics. Finally, the overall effects of damage and self-healing are evaluated through durability and mechanical tests at macroscale. The correlations among the evolution mechanisms of the matrix-interface-composite performance will be established based on the proposed multiscale study. This project will provide a solid theoretical foundation and technical support for the wide application of UHPC material in infrastructure in cold regions.

超高性能混凝土（UHPC）因其优异的力学性能和耐久性非常适用于严酷环境、特种结构以及极端荷载条件。然而，由于较低的水胶比（<0.2），UHPC含有大量的未水化水泥颗粒，在潮湿或水环境下具有显著的后期水化现象。本项目针对严寒地区服役的UHPC材料，研究冻融循环和后期水化共同引起的“动态损伤-自愈合”耦合演变机理。首先，引入初始损伤并设置水养护和冻融循环两个对照实验组，通过水泥水化和微观结构分析来揭示UHPC基体的损伤和修复的过程。然后，在纤维-基体界面层次开展纳米压痕实验和界面粘结性能研究，分析界面过渡区（ITZ）的微观结构和微观性能劣化机理，确定界面粘结性能的退化规律。最后，在宏观整体层面通过耐久性能和力学性能来评估UHPC的损伤和自愈合综合效应，从多尺度分析UHPC基体-界面-整体性能的演变机理和相互关系。本项目将为UHPC在严寒地区基础设施建设的广泛应用提供理论基础和技术支撑。

超高性能混凝土（UHPC）因其优异的力学性能和耐久性非常适用于严酷环境、特种结构以及极端荷载条件，并且由于较低的水胶比（<0.2），含有大量的未水化水泥颗粒，在服役状态下会发生不同程度的二次水化现象，其对服役中UHPC的长期性能影响机理仍不完全清楚。本项目针对UHPC裂后性能，在不同环境下，从二次水化的过程和对UHPC裂纹的修复机制、自愈合作用对UHPC宏观性能恢复和提升机理以及基于低配纤-高应变硬化UHPC材料的性能提升等方面开展了系列研究，取得如下成果：. 1) 揭示了二次水化作用对基体微观结构演变影响机理，确定了不同湿度、温度和养护时间下二次水化作用的激励条件和水化程度，在不同养护条件下观测到的二次水化主要产物主要包括絮状C-S-H凝胶、棒状文石碳酸钙和方解石型碳酸钙等，对微观缺陷和裂缝起到了较好的填充作用。. 2) 研究了不同环境下二次水化作用对裂后UHPC宏观力学性能的恢复作用，系统分析了养护温度、时间、湿度等因素对裂后性能的影响规律，发现常温密封条件下28天后可基本恢复至损伤前强度水平，水浴和高温条件进一步提升愈合效果，可加快强度恢复甚至呈现出最高达20%的提升。结果进一步阐明了二次水化合作用对裂后UHPC整体性能的影响规律，为工程中愈合作用激励条件和效果评价提供依据。. 3) 制备了低配纤-高应变硬化UHPC材料，通过高性能织物部分替代钢纤维，实现了裂后应变硬化性能的大幅提升，有效控制正常使用极限状态和承载力极限状态下裂缝的开展。钢纤维掺量可下降0.5-1.0%，直接拉伸强度超过20MPa，峰值应变大于1.2%。并且在裂后应变硬化阶段最大裂缝宽度普遍不超过0.05mm，较易实现自愈合和性能恢复；在高应力段时仍普遍低于各国规范对一般正常使用条件下混凝土结构构件最大裂缝宽度的要求。. 本研究加深了对UHPC结构在复杂服役环境下的长期性能演化机理的理解，提出了基于裂缝控制的UHPC愈合效率提升方法，为利用二次水化作用提升UHPC使用寿命提供了理论支撑，对工程中UHPC结构和构件的耐久性设计具有参考价值和指导意义。