基于灰色理论的CBC单面冻融后抗压强度与孔结构参数关系研究

通过对水泥基材料(CBC)进行以NaCl溶液为冻融介质的单面冻融试验,探究CBC抗压强度及含气量、气泡间距系数、气泡比表面积、气泡平均弦长、气泡弦长大于20 μm的弦长频率等微观孔结构参数随冻融循环次数增加的变化规律,并运用灰色理论对抗压强度与各孔结构参数的内在联系进行分析。利用灰色相对关联度筛选出微观孔结构参数中与抗压强度关联最大的参数,对其进行了相关模拟和预测,并建立宏观性能与微观孔结构参数间的定量关系。结果表明:随冻融循环次数增加,CBC抗压强度逐渐降低,冻融循环后期下降速率加快; 试验过程中试件内部含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长逐渐增大,而气泡比表面积逐渐减小; 灰色Verhulst模型相较于GM(1,1)模型更适用于气泡弦长大于20 μm的弦长频率的模拟; 采用灰靶决策模型定义的综合孔结构参数与抗压强度关联性更强,基于综合孔结构参数建立的模型精度更高。     

基于孔结构分析的BFCC单面冻融损伤试验研究

采用单面冻融试验,研究了3种不同冻融介质(水、NaCl溶液、Na2SO4溶液)对玄武岩纤维水泥基复合材料(Basalt Fiber Cement Composites,BFCC)剥落量和动弹模量的影响,并对不同冻融次数的BFCC进行XRD物相分析及微观孔结构测试,从宏观和微观角度探究BFCC的冻融损伤过程.结果表明:随冻融循环次数的增加,不同冻融介质中BFCC剥落量不断增加,相对动弹模量呈现下降趋势.在NaCl溶液中,随着冻融循环的进行,Ca(OH)2衍射峰的强度显著降低,并出现了明显的Friedel盐衍射峰;在Na2SO4溶液中,冻融初期XRD图谱中已出现明显的石膏和钙矾石衍射峰;随冻融循环次数的增加,BFCC的含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长均呈现增加的趋势,而气泡比表面积呈现降低趋势.     

冻融循环作用后BFRC宏微观性能的灰熵法分析

通过玄武岩纤维混凝土(BFRC)的快速冻融试验和微观孔结构试验,研究了2种冻融介质(水和质量分数为3.5%NaCl溶液)条件下BFRC相对动弹性模量、冻融损伤度以及强度的变化规律,分析了孔结构参数(含气量、孔比表面积、气泡间距系数和气泡平均弦长)与BFRC抗压强度、抗折强度和冻融损伤度的关系,采用灰熵法探讨了BFRC孔结构参数对其抗压强度、抗折强度以及冻融损伤度的影响规律.结果表明:BFRC强度随其含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长的增加而减小,而冻融损伤度随上述3个孔结构参数的增加而增加;BFRC强度随其孔比表面积的增加而增加,而冻融损伤度随孔比表面积的增加而减小;对BFRC抗压强度、抗折强度影响最大的因素均为孔比表面积;影响BFRC冻融损伤度的主要因素为气泡间距系数和气泡平均弦长,这2个因素随冻融循环次数、玄武岩纤维掺量的变化而变化.     

基于孔结构的单面冻后混凝土抗压强度模型研究

通过单面冻融试验,研究了介质和冻融循环次数对混凝土抗冻性能和微观孔结构的影响规律.使用盒维数建立了混凝土单面冻融循环后的孔径分布分形模型,分析了分形维数与抗压强度的关系,建立了基于复合孔参数、分形维数的多因素抗压强度模型.结果表明：在不同冻融介质条件下,混凝土表观形貌、质量损失、相对动弹性模量、抗压强度、抗冻耐久性系数和孔参数随着冻融循环次数的增加逐渐劣化,盐冻对混凝土损伤程度大于水冻;混凝土孔径分布分形维数随着冻融循环次数的增加逐渐减小;在单面冻融循环过程中,混凝土孔参数演化分为初期、中期、后期3个阶段,中、后期对冻融循环作用较敏感的孔参数分别为气孔平均弦长和气孔比表面积、含气量和气孔间距系数;多因素抗压强度模型与复合孔参数、分形维数之间的回归效果显著,可以准确地描述水、盐单面冻融循环前后混凝土抗压强度与孔结构的定量关系.     

冻融循环作用下BSFC的抗冻性及损伤模型

为研究玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土(BSFC)的抗冻性能,进行了单轴抗压强度试验、劈裂抗拉试验、超声波检测试验和孔结构表征试验,分析了冻融前后BSFC的质量损失率、相对波速、相对抗压强度、相对劈裂抗拉强度的变化规律以及细观结构特征.同时,运用损伤力学对BSFC的冻融损伤进行多指标评价;采用分形维数计算BSFC的气孔结构分布分形维数,拟合得到玄武岩纤维的贡献率公式,建立了基于气孔结构分布分形维数和玄武岩纤维贡献率的冻融损伤模型.结果表明:随着冻融循环次数的增加,BSFC的质量损失率增大,纵波波速、抗压强度和劈裂抗拉强度下降;BSFC的孔结构劣化,大孔径孔数量增多,气孔结构分布分形维数降低;在相同冻融次数下,玄武岩纤维掺量为0.18％时BSFC的抗冻性好;BSFC的冻融损伤与气孔分布分形维数、玄武岩纤维贡献率之间回归效果显著,可以预测经历冻融循环后BSFC的损伤劣化.     

基于灰熵法的FRCC力学性能及微观孔结构研究

通过试验研究了水胶比和玄武岩纤维掺量对FRCC力学性能的影响,并基于灰熵法分析了微观孔结构参数对FRCC抗压、抗折强度的影响规律。结果表明:随水胶比的增大,FRCC的抗压和抗折强度均呈现下降趋势,折压比则呈现先增加后减小的趋势;随着玄武岩纤维掺量的增大,FRCC的抗压、抗折强度以及折压比均呈现先增加后减小的趋势;孔结构参数对FRCC抗压、抗折强度的影响为:气泡比表面积影响显著,气泡平均弦长次之,含气量影响最小;随气泡比表面积的增大,FRCC的抗压和抗折强度均呈现增长趋势;随气泡平均弦长和含气量的增大,抗压和抗折强度均呈现下降趋势。     

冻融环境下不同饱和度砂岩损伤演化特征研究

为探究冻融环境下不同饱和度砂岩的损伤演化规律,通过冻融循环、CT扫描和单轴压缩试验,结合三维可视化软件及分形理论,对冻融过程中自然含水、不完全饱水和完全饱水砂岩的孔隙率、渗透率、孔喉参数、分形维数及宏观力学指标的演化过程进行定量分析。结果表明:(1)冻融作用下含水饱和度决定了岩样冻融损伤的程度,完全饱水砂岩损伤劣化最为剧烈,自然含水状态损伤程度最低,饱和度是造成岩石冻融损伤的主因;(2)完全饱水砂岩细观结构具有高度非均质性,其孔隙率、渗透率、孔隙参数、喉道参数及分形维数均随冻融次数增加呈指数型增长,自然含水和不完全饱水状态呈直线型增长,孔隙率、渗透率均与分形维数成正相关,冻融损伤为产生小孔隙和增加原喉道长度;(3) 3种含水状态砂岩强度、弹性模量随冻融次数增加均呈直线型降低,150次冻融后,完全饱水岩样强度下降了98.53%,分别是自然含水、不完全饱水的1.68和1.26倍,宏观力学强度与孔隙率、分形维数成负相关,岩石细观结构是影响宏观力学特性的关键;(4)初始冻融荷载损伤变量即为对应冻融次数下的冻融损伤变量,损伤演化曲线有明显的阶段特征,加载过程中损伤变量由下凹形上升到上凸形增长再到平缓增加。研究成果将为科学评价寒区冻融环境下岩体工程的长期稳定性提供理论依据。     

基于微观孔结构特征的HPCC抗盐冻性能

为探究高性能水泥基复合材料(HPCC)抗冻性能,以天然河砂替代集料中的石英砂,替代率分别为0,25%,50%,75%,100%,设定水胶比为0.16~0.32,步距为0.04,在5%的Na2SO4溶液中进行冻融循环试验,测定了不同冻融循环次数的质量损失、动弹模量及孔隙结构参数,引入气泡分布分形维数分析了HPCC抗盐冻性能及微观孔隙结构变化对其影响规律。结果表明:水胶比为0.16时,各试验组完成500次冻融循环,相对动弹模量基本不变,未发生冻融破坏;随冻融循环次数的增加,各试验组质量并未损失,反而出现增加现象;不同水胶比的HPCC冻融前后气泡分布曲线变化规律基本相同,即气泡孔径均向大孔方向迁移;随着气泡分布分形维数的增大,HPCC抗冻耐久性大致呈线性上升趋势。     

水泥砂浆孔结构分形特征的研究

利用压汞仪测定了不同水灰比及龄期水泥砂浆的孔结构,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了水泥砂浆的孔表面积分形维数,并探讨了孔表面积分形维数与微观孔隙率、孔表面积、平均孔径、中值孔径等其他孔结构参数及砂浆强度之间的关系.结果表明:基于热力学关系的分形模型能够很好地表征水泥砂浆孔隙的复杂程度;孔表面积分形维数与微观孔隙率的相关性较差,而与孔表面积、平均孔径、中值孔径以及强度之间有较好的相关关系;随着孔表面积分形维数的增大,平均孔径和中值孔径减小,孔表面积增加,水泥砂浆的抗折强度及抗压强度增加.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数可作为水泥砂浆孔结构特征的综合评价指标,并且分形维数与其宏观力学性能相关性良好.     

高流动混凝土孔分形特征及其与抗冻性的关系

采用压汞法测定了不同矿物掺合料高流动混凝土的孔结构参数,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了高流动混凝土的孔结构表面积分形维数,探讨了含不同矿物掺合料高流动混凝土分形维数与小于100 nm孔隙比例、中值孔径、平均孔径及抗冻性的关系.结果表明:孔表面积分形维数随养护龄期和掺合料的种类和掺量的不同而不同;分形维数越大,孔径小于100 nm孔隙比例越大,中值孔径与平均孔径越小,高流动混凝土抗冻性能越好.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数能够很好地表征混凝土孔结构的分布状况与抗冻性能.     

人工冻融软黏土微观孔隙变化及分形特性分析

为探讨软黏土融沉及压缩特性的微观机理,以宁波地区软黏土为研究对象,采用冻融、压缩和压汞试验,对冻融和压缩前后的软黏土微观孔隙分布及变化进行了研究。取原状土、融土、压缩原状土、压缩融土4种土样分别进行压汞试验,提出孔径划分方法,结合分形理论对冻融软黏土微观孔隙变化进行分析,研究了软黏土的孔隙分布特征,并采用容量维数对孔体积分布和孔表面积分布进行计算,分析了冻融及压缩前后颗粒接触及孔隙变化。研究结果表明:软黏土冻融后孔体积和孔表面积均增大;原状土和融土压缩后孔体积和孔表面积均减小,软黏土的孔体积和孔表面积80%以上分布于微孔和超微孔中;软黏土冻融及压缩前后孔体积和孔表面积存在分形特性。     

冻融黄土微观结构变化规律及分形特性研究

季冻区黄土微观结构性研究是冻融环境下黄土工程机理劣化分析的关键科学问题之一。本文对不同冻融循环次数作用的原状黄土进行扫描电镜试验,采用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)结合分形理论,定量分析陕西咸阳原状黄土颗粒微结构特征。结果表明:随着冻融次数的增加,土颗粒排列、形态、尺度分布等特征参数呈现规律性变化,概率熵减小,分形维数增大;平均形状系数、面积概率分布指数、颗粒分布分形维数先减小后增大,在冻融循环5次时出现最小值。研究表明:冻融循环过程中,由于土中水相变化及冷生结构形成,土颗粒偏转,颗粒排列方式改变;胶结力弱化,集粒经历了碎屑开始剥落及完全分离的两个过程,土颗粒的形态、尺度分布发生变化,形成新的结构体系。     

荷载和试件形状对水泥基材料碳化反应孔结构分形特征的影响

利用MIP压汞仪对碳化反应前后不同荷载应力水平和不同试件形状的孔结构信息进行定量研究,利用分形理论中的热力学分形模型计算出各组试样的孔表面积分形维数,分形维数越大表示孔结构的曲折和复杂程度越大,有害侵蚀性介质传输难度增加。研究结果表明:利用分形理论中的热力学分形模型可以定量地表述孔结构的变化,其数值结果在拓扑维数2.0和2.7之间。荷载影响下砂浆试样的孔表面积分形维数的分维值在2.1~2.5之间;对应力水平为0.2的试样,拉应力作用下其孔表面积分形维数的分维值比压应力作用下的大;对应力水平为0.4,0.6的试样,其拉应力作用下的分维值比压应力作用下的小。不同形状的水泥基试样其孔表面积分形维数在2.0~2.7之间,碳化前后其分维值都减小,但是块状试件的分维值减小的幅度比圆柱状试件要大。     

基于分形理论的混凝土气泡分布特征研究

依托分形理论的盒维数概念,建立了气泡分布分形模型,提出了气泡分布分形维数计算方法。通过快速冻融循环试验和气泡结构分析试验测定了多组混凝土的抗冻性和气泡结构,分析了掺合料和引气剂对混凝土气泡分布特征的影响,得出了气泡分布特征随掺合料种类和引气剂掺量的变化规律。最后,分析了气泡分布分形维数与相对耐久性指数的关系,结果显示二者具有较高的正相关性,说明气泡分布对混凝土抗冻性有重要影响,可以将气泡分布分形维数作为气泡特征参数用以评估混凝土的抗冻性。     

基于低温液氮吸附法的陕南中低煤级煤孔隙结构特征

为研究陕南中低煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮实验测定6个煤样(Ro,max为0.66%～1.58%)的比表面积、孔体积、孔径分布等参数,对吸附回线进行分类,并讨论煤变质程度与煤中微孔孔隙发育特征的关系,计算孔隙结构的分形维数。结果表明:孔隙类型主要为微孔和小孔;BET比表面积与微孔孔容正相关,且随煤变质程度增大而减小;L1型和L2型孔隙系统主要为一端封闭的不透气性孔,但L2型孔隙系统存在部分墨水瓶孔和少量开放性孔;L3型孔隙系统由2部分组成,在较小孔径范围(<4nm)以一端封闭的不透气性孔为主,在较大孔径范围(> 4nm)以两端开口的开放性孔和墨水瓶孔为主;吸附回线存在滞后环的分形维数较不存在滞后环的分形维数要高,微孔孔隙表面粗糙度较高、结构复杂、具有较强的非均质性。     

石粉含量对机制砂砂浆孔结构特性的影响研究

采用MIP法研究了石粉含量和粉煤灰对机制砂砂浆孔结构的影响,并利用“热力学分形模型”研究了砂浆孔结构分形特性。研究表明:当石粉含量不大于11%时,随石粉含量的增加,砂浆孔隙率、平均孔径等孔结构参数不断减小,孔结构的分形维数不断增大;采用机制砂的砂浆孔结构分形维数显著大于河砂砂浆;孔结构分形维数与砂浆的孔隙率、最可几孔径及平均孔径总体成反比,分形维数可综合反映孔结构的复杂程度;随孔结构分形维数的增加,砂浆的抗压强度和抗折强度呈不断增大的趋势。     

弯拉荷载与冻融耦合作用下混凝土损伤劣化特性

为探究弯拉荷载水平和冻融环境对混凝土性能的影响，设计了弯拉荷载与冻融循环耦合试验体系，研究了混凝土在冻融循环和应力比分别为0%、10%、20%和30%条件下的宏观力学性能和抗冻性能的变化规律，采用硬化混凝土气孔结构分析仪、扫描电子显微镜探究了混凝土在弯拉荷载和冻融循环耦合作用下的破坏机理。结果表明，质量损失率和残余应变随着应力比和冻融循环次数的增加而增加，相对动弹性模量呈现出相反的趋势；随着应力比的增加，混凝土气泡直径增大、气泡比表面积和气泡间距系数减小；荷载和冻融循环会加剧混凝土的劣化，应力比越大，混凝土抗冻性越差。     

鄂尔多斯盆地东缘海陆过渡相页岩孔隙结构定量化表征

为定量化表征鄂尔多斯盆地东缘太原组海陆过渡相页岩孔隙结构复杂程度,对5件页岩进行了低温液氮吸附等实验测试,应用FHH模型计算了分形维数并讨论了其影响因素。依据孔径大小可以将分形维数划分为2个阶段(孔径≥4nm和孔征<4mm),结果表明:页岩样品孔隙呈现出较强的分形特征。1)孔径≥4nm时的孔隙分形维数D2高于孔径<4nm时的孔隙分形维数D1;大孔径孔隙类型与形态多样,孔隙复杂程度更高。2)分形维数D1随微孔、介孔比例及黏土矿物质量分数增加而呈现出增大趋势,随BET比表面积、平均孔径、脆性矿物质量分数、宏孔比例、TOC增加呈现减小趋势,随镜质体反射率(Ro)增大呈现出先增大后减小趋势;D2随BET比表面积、平均孔径、宏孔比例、黏土矿物及脆性矿物质量分数的增加呈现出增大趋势,随微孔、介孔比例增加呈现出减小趋势,与TOC相关性差,随Ro增大呈现出先减小后增大的趋势。     

天然火山岩粉混凝土在硫酸盐环境下的冻融耐久性试验研究

采用快冻法研究了相同水胶比下,引气或不引气的纯水泥、掺加新疆和田地区天然火山岩粉或粉煤灰的混凝土在清水、1%Na2SO4、5%Na2SO4溶液中的耐久性变化规律,并结合低温冻结过程中硫酸盐溶液的冰点、完全冻结时长、体积膨胀率等低温性态进行探究。结果表明:冻结过程中硫酸盐溶液浓度越大,冰点越低、冰点时长越短、体积膨胀率越小;相同浓度溶液下,混凝土的冻融耐久性优劣依次为:粉煤灰纯水泥≈火山岩粉;在硫酸盐冻前后混凝土的孔结构中,含气量、平均气泡直径、气泡间距系数都有所增大,气泡比表面积相对减小。     

双掺聚丙烯纤维与聚酯纤维混凝土抗冲击性能试验研究

利用压汞法(MIP)测试了不同锂渣掺量的C30、C60混凝土的孔结构参数,计算了被测混凝土的孔体积分形维数、孔轴线分形维数,并研究了混凝土气体渗透系数、锂渣掺量与孔体积分形维数、孔轴线分形维数之间的关系。结果表明,混凝土的气体渗透系数与孔体积分形维数相关性高;C60混凝土在锂渣掺量为10%时,孔体积分形维数和孔轴线分形维数最大;随着锂渣掺量的提高,C30混凝土孔体积分形维数和孔轴线分形维数呈降低的趋势。