为了研究钢板-超高性能混凝土(UHPC)组合梁的抗弯性能,在钢板-UHPC-T组合梁方案下,以钢板厚度、钢板强度等级、UHPC抗拉强度和UHPC极限拉应变为参数,利用ABAQUS软件进行了有限元分析。结果表明:钢板厚度和钢板强度等级的改变对组合梁抗弯承载力的提高作用较为明显;UHPC抗拉强度的提高可以适当提高开裂荷载;UHPC极限拉应变的增加可适当提高梁体的延性。

为降低超高性能混凝土(UHPC)黏度、提高工作性,采用硅烷(γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷、十二烷基三甲氧基硅烷)对辅助胶凝材料(硅灰、粉煤灰)进行改性制备了自分散颗粒,并研究了其对UHPC工作性、抗压强度及微观结构的影响。结果表明:自分散颗粒降低了UHPC的黏度,提高了工作性;不同自分散颗粒对UHPC工作性的影响有较大差别,其中,粉煤灰和十二烷基三甲氧基硅烷制备的自分散颗粒效果最好;自分散颗粒抑制胶凝材料的早期水化,降低UHPC早期抗压强度;不同自分散颗粒对UHPC的28 d抗压强度影响也各不相同,采用粉煤灰和十二烷基三甲氧基硅烷制备的自分散颗粒提高了UHPC的28 d抗压强度,其他自分散颗粒降低了28 d抗压强度。

采用珊瑚砂、空心玻璃微珠两种轻质材料等比例取代石英砂制备了超高性能混凝土(UHPC),并对其表观密度和力学性能进行了研究。试验结果表明:珊瑚砂经过预处理后可以取代石英砂制备UHPC,表观密度降低了10.5%;空心玻璃微珠取代10%的石英砂制备的UHPC表观密度降低了11.5%;将珊瑚砂与空心玻璃微珠复合作为骨料制备出的UHPC表观密度降低了20.2%。

为改善环形UHPC制品离心成型质量问题,试验研究了水胶比、钢纤维掺量、减水剂、骨料掺量等因素对环形UHPC制品离心成型质量的影响。试验室研究结果表明:单掺细骨料UHPC制品随着水胶比的增大,其壁厚不均匀度也随之增大,制品离心成型难度也越大;双掺细骨料UHPC制品随着水胶比的增大,其壁厚不均匀度基本呈现先减小后增大的趋势;适宜双掺细骨料UHPC制品离心成型的水胶比范围比单掺细骨料UHPC制品的大;减水剂用量宜为1.2%~1.5%,当减水剂用量超过2.0%时,制品无法成型;含粗骨料UHPC制品的水胶比范围宜为0.16~0.17,钢纤维掺量与粗骨料体积含量呈反比关系,骨料的掺加能防止钢纤维“跑偏”,减少钢纤维集中分布在最外层现象的发生;采用离心成型工艺,单掺细骨料UHPC制品的混凝土坍落度宜控制在90~150 mm,双掺细骨料UHPC制品的混凝土坍落度宜控制在120~180 mm。

基于最大湿堆积密度理论优化设计超高性能混凝土(UHPC)。首先,设计了25组试验工况,分别计算出每组工况变量与最大湿堆积密度的关系,建立了最大湿堆积密度预测模型。然后,用石英粉部分替代水泥,研究了不同替代率对UHPC流动性、力学性能的影响。结果表明:预测模型与试验结果具有较好的吻合性;UHPC的流动度随着石英粉掺量的增加而增加,且当石英粉掺量为20%时,UHPC的抗压强度和抗折强度最大。此外,生态评价表明,使用石英粉部分替代水泥生产UHPC,可显著降低对环境的影响。

通过测试新拌UHPC的流动度、屈服应力、表观黏度、流变行为指数、坡度保持率、纤维分布系数,研究了铝硅酸盐黏土对UHPC流动性、流变性能、稳定性的影响。结果表明:该黏土能够大幅降低UHPC浆体的流动度,但其对UHPC流动度的影响只与掺量有关,而与所替代的胶凝材料种类无关;掺入黏土增大了UHPC的屈服应力与表观黏度,在2%掺量下,屈服应力和表观黏度分别提高了189.8%和114.0%;掺入黏土改善了浆体的流变性能,使其呈现剪切变稀现象;黏土改善了UHPC的稳定性,其硬化后的坡度保持率可达91.0%,纤维分散系数提升至0.88。

基于ABAQUS有限元软件,采用混凝土塑性损伤(CDP)模型模拟了超高性能混凝土(UHPC)的本构关系,使用三维实体单元和桁架单元模拟了UHPC和纵筋之间的接触关系,研究了配筋率、截面有效高度与截面高度比值和UHPC抗拉强度对UHPC梁抗弯性能的影响。结果表明:随着配筋率的提高和截面有效高度与截面高度比值的增大,UHPC梁的屈服荷载、峰值荷载以及对应的挠度均明显提高;随着UHPC抗拉强度的增大,UHPC梁的峰值荷载和屈服荷载增大,但峰值荷载和屈服荷载对应的挠度减小。

根据配筋UHPC梁中钢纤维的分布、体积掺量和受力情况,采用具有加筋特性的Solid65单元进行钢纤维模拟,考虑配筋UHPC梁受力过程分为弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段,建立了钢纤维三折线本构模型。模拟结果与试验值吻合程度较好,表明该模拟方法精度较高。

研究了锂渣粉(含水率10%)对超高性能混凝土(UHPC)工作性、强度、收缩性能和孔结构的影响,并采用XRD和SEM分析了掺锂渣粉UHPC的水化产物和微观结构。结果表明:随着锂渣粉掺量的增加,UHPC的流动度降低,28 d抗压、抗折强度均呈先增大后减小的趋势,且当锂渣粉掺量为10%时强度达到最大;锂渣粉掺量越大,UHPC的收缩越小,这主要归因于锂渣粉中的水分在基体中起到了较好的内养护作用;随着锂渣粉掺量的增加,UHPC的孔隙率先减小后增大,其中,掺10%锂渣粉UHPC的孔结构较为致密。

利用铁尾矿砂制备了超高性能混凝土(UHPC),研究了在高温环境下不同胶砂比(1∶0.8、1∶0.9、1:1.0、1∶1.1)对UHPC试件力学性能的影响,测定了高温下UHPC的孔结构,并用SEM表征了UHPC的微观结构,探讨了胶砂比对UHPC高温性能影响的机理。结果表明,随着温度的不断升高,不同胶砂比的UHPC力学性能出现了不同程度的下降,其中,胶砂比为1∶1.0的UHPC在各个目标温度下均表现出相对较高的力学性能;微观分析表明胶砂比为1∶1.0的UHPC基体比胶砂比为1∶0.8的UHPC基体更加密实,在高温作用下裂缝宽度更小,且基体与钢纤维的结合能力更强,有效降低了钢纤维在高温下的破坏程度。