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原文传递纤维气凝胶混凝土物理及力学性能研究

论文题名：	纤维气凝胶混凝土物理及力学性能研究
关键词：	纤维气凝胶混凝土;导热系数;力学强度;集成学习;微观形貌
摘要：	在季节冻土区，道路重力式混凝土挡土墙易受冻融循环的负面影响，混凝土劣化导致墙体出现裂缝、表面剥落等病害。为解决季节冻土区混凝土挡土墙耐久性较差的问题，本文设计出一种自保温混凝土材料，用以提升挡土墙的服役性能。SiO2气凝胶由于其自身极低的密度及导热系数，制备的气凝胶混凝土导热系数远低于普通混凝土，常用于寒冷地区墙体保温材料，但因自身强度不足，难以用作承重结构。纤维作为增强增韧材料可提高混凝土材料的强度，在本研究中，选取了纤维掺入气凝胶混凝土中，以制备出一种新型高性能保温混凝土材料，具备承重性的同时也能满足保温的要求。基于室内试验，本文研究了纤维种类、纤维长度、纤维掺量及气凝胶掺量对水泥基混凝土的物理及力学性能的影响，并从微观角度分析了气凝胶和纤维在混凝土材料中的作用机理。最后基于集成学习对纤维气凝胶混凝土材料的力学强度及导热系数进行了预测。本文主要结论如下：　　（1）气凝胶混凝土中掺入纤维后，随纤维掺量和长度的增加，气凝胶混凝土拌合物的稠度逐渐增大，流动性逐渐降低。不同种类纤维对拌合物稠度的影响程度从大到小表现为：聚乙烯醇纤维gt;玻璃纤维gt;聚丙烯纤维gt;玄武岩纤维。　　（2）研究了纤维对气凝胶混凝土物理性能的影响。掺入玻璃纤维与玄武岩纤维后，材料的吸水率和导热系数随纤维掺量的增加先减小后增大，随纤维长度的增加逐渐减小；软化系数随纤维掺量的增加先增大后减小，随纤维长度的增加逐渐增大；分别掺入聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维后，吸水率和导热系数随纤维和掺量的增加先减小后增大，随纤维长度的增加先减小后增大；软化系数的变化与吸水率变化规律相反；聚丙烯纤维气凝胶混凝土的吸水率较低，耐水性也较好；聚乙烯醇纤维气凝胶混凝土导热系数最低，干燥和饱水状态下的最低导热系数分别为0.786W/(m·K)和1.056W/(m·K)。　　（3）探究了纤维对气凝胶混凝土抗折强度与抗压强度的影响。纤维气凝胶混凝土的抗折强度随玻璃纤维和聚乙烯醇长度及掺量的增加而增大；随玄武岩纤维和聚丙烯纤维长度的增加逐渐增大，随掺量的增加先增大后减小；其中，聚丙烯纤维对气凝胶混凝土抗折强度的提升效果最好；气凝胶混凝土抗压强度随纤维长度的增加逐渐增大，随掺量的增加先增大后减小；掺入9mm、0.6%的聚丙烯纤维后，气凝胶混凝土强度提升效果最好，28d抗压强度最高为35.6MPa；SEM电镜扫描表征亲水性纤维表面聚集有大量的水化产物。　　（4）优先选用聚乙烯醇纤维气凝胶混凝土，改变气凝胶掺量（0~60%），探究最优纤维掺量下气凝胶混凝土的性能变化。随气凝胶掺量的增加，纤维气凝胶混凝土拌合物的稠度值增加了21.1%~97.7%；吸水率增大了1.6倍~11.6倍；但干表观密度与软化系数逐渐降低；导热系数随气凝胶掺量的增加急剧减小，在饱水和干燥情况下的最低导热系数分别为0.407W/(m·K)和0.226W/(m·K)；材料的强度随气凝胶掺量的增加而减小，气凝胶掺量增加到60%时，抗折强度下降了71.5%，抗压强度下降了76.9%；分析微观结构发现，随气凝胶掺量增多，纤维气凝胶混凝土孔隙逐渐增多，且孔径越来越小，导致力学性能降低，隔热性逐渐增大；掺入0.6%、9mm长的聚乙烯醇纤维，50%掺量的气凝胶时，抗压强度满足规范中混凝土用于挡土墙的最低强度（C20）要求，并且导热系数远低于普通混凝土。　　（5）基于集成学习开展了纤维气凝胶混凝土力学性能和导热系数预测，选用RF、GBDT、XGBoost和LGBM四种模型，发现GBDT模型对抗折强度和抗压强度的预测效果最好，RF模型对导热系数的预测效果最好。
作者：	刘艳
专业：	交通运输工程
导师：	韩风雷
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023