高温中超高性能混凝土力学性能演化及多尺度损伤机理研究

Ultra High Performance Concrete (UHPC) is highly susceptible to explosive spalling under high temperature environment due to the dense microstructure. The mechanical properties evolution process and the damage mechanism of UHPC during the elevated temperature exposure are significantly different with the normal concrete. With the consideration of various parameters such as temperature, coarse aggregate volume fraction, steel fiber dosage and polypropylene fiber dosage, the experimental study will be carried out to investigate the mechanical properties of UHPC at high temperature. The high temperature damage of UHPC will be quantitatively analyzed through the analysis of macro defects, meso- and micro- structure, chemical phase of UHPC at different temperature, the use of digital image correlation technology, image thresholding technology and fractal theory. The cross scale correlation characteristics of microscopic-, mesoscopic- and macroscopic- damage of UHPC at high temperature will be investigated based on the multi-scale asymptotic theory, thus revealing the multi-scale damage evolution process and damage mechanism of UHPC at high temperature. CT scanning technique will be used to reconstruct the 3d mesoscopic structure of UHPC. Furthermore, the numerical simulation analysis of meso-structure failure process of UHPC at high temperature will be performed by using the micromechanical and multi field coupling theory. In addition, the internal influence mechanism of the various parameters on high temperature properties of UHPC will be revealed. The strength degradation model, constitutive relation model and toughness evaluation method of UHPC at high temperature will be proposed. The expected research results are significant for developing the fire resistance theory of UHPC construction and promoting the engineering application of UHPC.

超高性能混凝土（UHPC）致密的内部结构使其在火灾高温下更易产生高温爆裂，其力学性能随温度的演化规律及其损伤机理也与普通混凝土存在较大差异。本项目拟通过高温中UHPC力学性能试验，研究温度、粗骨料体积率、钢纤维和聚丙烯纤维掺量对UHPC高温力学性能的影响规律；通过不同温度下UHPC宏观缺陷、细微观结构和物相分析，结合数字图像相关技术、二值化处理技术和分形理论，定量分析UHPC的高温损伤；采用多尺度渐进法，建立高温中UHPC微观损伤、细观损伤和宏观损伤的跨尺度关联，揭示高温中UHPC多尺度损伤演化过程和损伤机理；应用细观力学和多场耦合理论，进行高温中UHPC细观结构破坏过程的数值模拟。在此基础上，揭示各因素对UHPC高温性能影响的内在机制，建立高温中UHPC的强度退化模型、本构关系模型和韧性评价方法。预期成果对丰富和发展UHPC抗火理论，推动UHPC的工程应用具有重要的理论意义和实用价值。

超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）以其优异的高强度、高韧性和超高的耐久性能已逐渐应用于长跨桥梁、高耸建筑和军事防护等工程结构中。以耐火钢纤维为增强材料制备新型的耐火UHPC，通过对不同火灾温度下不同再生砖粉替代率铝酸盐水泥基胶凝材料硬化浆体的抗压强度试验，优化了绿色铝酸盐水泥基胶凝材料的配合比，并采用经配合比优化的胶凝材料、标准砂和不同掺量的普通钢纤维和耐火钢纤维制备UHPC混合料，系统研究钢纤维类型和掺量对铝酸盐水泥基UHPC经不同模拟火灾温度作用后抗爆裂性能、力学性能以及微观结构的影响。随再生砖粉掺量的增加，新拌料浆工作性能逐渐变差；当再生砖粉掺量一定时，硬化浆体试件抗折强度随模拟火灾温度的升高呈不断降低的趋势，而抗压强度随温度的升高呈先增大后减小的趋势，在200℃时达到抗压强度最大值。基于试验结果分别建立了考虑再生砖粉掺量和模拟火灾温度影响的抗折与抗压强度经验计算模型。在同一钢纤维掺量下，随着模拟火灾温度的升高，试件的劈拉强度以及荷载-位移曲线的下包面积先增大后减小，在400℃时均达到最大值；在同一温度下，劈拉强度随着钢纤维掺量的增加而增大，荷载-位移曲线更加饱满，韧性逐渐增大；耐火钢纤维对劈拉性能的增强效果优于普通钢纤维。基于试验结果提出了考虑钢纤维掺量和模拟火灾温度综合影响的劈拉强度计算模型。随着模拟火灾温度不断升高，应力-应变曲线逐渐趋于扁平化且峰值点向下向右移动，曲线下包面积逐渐减小。基于试验结果分别提出了考虑模拟火灾温度影响的轴压强度、峰值应变以及弹性模量计算模型，并建立了考虑模拟火灾温度影响的应力-应变全曲线本构方程。当温度达到400℃时，胶凝材料水化反应逐渐完善，UHPC基体结构更加致密，钢纤维与混凝土基体粘结紧密；随着模拟火灾温度逐渐升高，UHPC内部孔隙裂缝逐渐明显，骨料逐渐脱离硬化水泥浆基体；1000℃后普通钢纤维氧化为残渣，耐火钢纤维表面已有高温氧化痕迹，表面开始变得粗糙。.