复合矿物掺合料对砂浆自修复性能的影响

为了增强水泥基材料的自修复能力，通过在砂浆中复掺三种不同类型的矿物掺合料探究其共同作用的效果。通过对比裂缝宽度、透水率以及抗压强度恢复情况评估试件的自修复效果，并利用扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)研究裂缝处自修复物质的物相组成及微观形貌。掺加复合矿物掺合料可有效提升砂浆的自修复能力，具体表现为裂缝宽度减小、透水性降低和抗压强度显著恢复。其中，掺料组合膨胀剂+硅灰+生石灰和膨胀剂+生石灰+Na₂CO₃的修复效果最好，裂缝在14 d内可以实现完全愈合，透水率分别降低92.7%和87.4%,在养护28 d后抗压强度分别恢复79.1%和80.1%,且浸水环境更有利于提高砂浆的自修复效果。而掺料组合膨胀剂+硅灰+Na₂CO₃和膨胀剂+偏高岭土+Na₂CO₃的修复效果较差，不利于砂浆裂缝的修复和抗压强度的恢复。此外，微观分析结果显示，裂缝中的修复物质除含有水化生成的C-S-H和C-A-H外，碳化生成的碳酸钙也是主要的修复物质之一。     

电沉积处理后带裂缝混凝土的抗碳化性能研究

选用ZnSO4和MgSO4两种电沉积溶液,对带裂缝的砂浆试件进行修复,测定了7天、14天、21天、28天、35天龄期带裂缝砂浆试件无裂缝处及裂缝处的碳化深度,研究了带裂缝的砂浆试件经过电沉积处理后碳化深度的变化情况.结果表明:利用ZnSO4和MgSO4两种电沉积溶液,对带裂缝的砂浆试件进行电沉积处理后,其抗碳化能力均有所提高,而且采用MgSO4溶液,抗碳化能力的提高程度要高于采用ZnSO4溶液的.     

超高韧性水泥基复合材料多缝开裂特性及其自生愈合

应变硬化水泥基复合材料(Strain hardening cement-based composites,SHCC)是超高性能水泥基材料的一种。通过三点弯曲加载试验,分别对普通砂浆和SHCC试件诱导开裂,对两种材料的开裂特性及其裂缝分布规律进行了研究。结果表明,SHCC材料试件与普通水泥砂浆试件相比具有更高的承载力和应变能力,初始开裂荷载约为普通砂浆试件的2.5倍。SHCC材料中的PVA纤维的桥接作用有效延迟了裂缝的产生与扩展,将普通砂浆试件中数量少而大的裂缝转化为多而细的微小裂缝,呈现多缝开裂特性,产生的裂缝宽度符合正态分布规律,且90%的微小裂缝小于30μm。这些微小裂缝在潮湿环境中产生一定程度的自生愈合,在水中的愈合程度和速度均高于在潮湿空气中。     

超高性能混凝土的自愈合及抗冻性能

为研究带裂服役超高性能混凝土(UHPC)的自愈合及抗冻性能，对混杂钢纤维UHPC试件预加0.05%和0.1%两种应变损伤，置于水中养护28天自愈合后进行300次冻融循环试验。通过单轴拉伸性能、裂缝特征、质量损失及超声波脉冲速率(UPV)指标综合评价UHPC的自愈合及抗冻性能，并利用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)分析微观结构和愈合产物。结果表明：28天水养后，预损伤0.05%试件表现出较好的自愈合性能，抗拉强度、拉伸应变和应变能均高于参照试件，表面所有裂缝全部愈合；预损伤0.1%试件的拉伸性能低于参照试件，表面最大裂缝(宽度为69μm)并未完全愈合。300次冻融循环后，两种预损伤试件的初裂强度和抗拉强度均进一步增加，而拉伸应变和应变能均有所减小。相对质量与UPV的变化趋势能够很好地反映两种预损伤试件的再水化效应。SEM-EDS结果显示：距裂缝较近部位的纤维-基体粘结更牢固；裂缝表面的愈合产物主要为Ca(OH)2和CaCO3，内侧主要为水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。     

龄期和砂子对SHCC单轴拉伸性能的影响

应变硬化水泥基复合材料(SHCC)优越的抗拉性能和超强韧性显著改变了传统水泥基材料的脆性特征,在工程上有很好的应用前景。通过试验研究了龄期和砂子类型对SHCC单轴拉伸性能的影响。结果表明,SHCC试件的初裂强度随龄期的延长逐渐增大,由3d的2.23MPa增大到28d的4.71MPa;而其韧性随龄期延长逐渐减小,极限拉伸应变由3d的3.24%降低为28d的1.93%;普通河砂、不同粒径石英砂对SHCC单轴拉伸性能及裂缝宽度带来不同影响,粒径越小的石英砂配制的SHCC越能表现出准应变硬化特性和优异的裂缝无害化分散能力,最大粒径为0.15mm石英砂配制的SHCC极限应变达5.24%,裂缝宽度控制在30~90μm。该研究为SHCC材料在实际工程中的应用提供了量化的性能参数依据。     

碳化龄期对水泥砂浆动态力学特性影响试验研究

为了研究碳化龄期对混凝土动态力学性能的影响,利用碳化试验箱对水泥砂浆试件环向圆周面进行0d、3d、7d、14d、28d的碳化模拟,并采用直径Φ50 mm分离式Hopkinson压杆(SHPB)试验装置开展不同碳化龄期的水泥砂浆冲击压缩试验,得到了试件动态抗压强度、动态弹性模量、动态峰值应变和破碎块度与碳化龄期的关系.结果表明:由于碳化过程生成的CaCO3结晶充填水泥砂浆表面的孔隙形成碳化层,砂浆试件的动态抗压强度、动态弹性模量随着碳化龄期的延长而增加,从0 d到28 d,动态抗压强度平均值增加了2.06倍、动态弹性模量平均值提高了65.24％;随碳化深度的增加,碳化层的约束作用逐渐显现,碳化龄期14 d和28 d的试件表现出一定的应力增强效应;碳化层的脆性破坏导致其约束作用失效,使得试件的峰值应变随碳化龄期的延长而减小,降低了试件的变形能力,试件破坏形态随碳化龄期的延长逐渐趋于大块,冲击后试件大于7 mm的碎块质量比由碳化龄期0 d的47.65％增加到碳化龄期28 d的94.90％.     

裂纹止裂技术及裂纹动态扩展规律研究

为了对动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂缝动态扩展行为进行研究,提出了一种大尺寸带V型底边的半圆边裂纹(SECVB)试件,其V形底部具有止裂功能。SECVB试件的V形底部设计为180°,150°和120°三个角度。采用落锤冲击装置进行了冲击试验,并使用裂纹扩展计(CPG)用于测量裂纹扩展的相关参数。利用有限差分程序AUTODYN对裂纹扩展行为进行了数值模拟,并用有限元程序ABAQUS计算了裂纹的动态应力强度因子(DSIF);根据CPG测量的裂纹萌生时间和扩展时间来确定临界应力强度因子。试验和数值模拟结果表明,SECVB试件适合于研究动态荷载作用下水泥粉煤灰砂浆的裂纹扩展行为和止裂行为。在裂纹扩展过程中,裂纹可能在一段时间内止裂,并且裂纹在起始时刻的断裂韧度高于裂纹扩展时的断裂韧度。     

掺工业废弃料导电砂浆电阻率稳定性研究

选取工业废弃料钢屑、钢渣和铁砂,混合掺入砂浆中制备得到绿色环保低成本的导电砂浆,分别测定其电阻率随龄期以及加载电压(5~40 V)的变化规律。试验结果表明：导电砂浆电阻率随着导电材料掺量的增加而降低,养护28 d 后最低电阻率达到24.97Ω·m;随着加载电压的增大,试件电阻率不断降低,40 V 电压下电阻率比5 V电压加载下降低了27%;随着龄期的增加,试件内部水分不断流失,试件电阻率不断增大,但在空气中放置28 d 后变化趋于平缓。     

大初始缝高比混凝土试件双K断裂参数的试验研究

双K 断裂准则能够定量描述混凝土裂缝的起裂、稳定扩展和失稳断裂。该文采用混凝土三点弯曲梁试件,通过在试验中测得的起裂荷载P_ini、最大荷载P_max及临界裂缝口张开位移CMOD_C计算了初始缝高比为0.3~0.9共7组试件的起裂断裂韧度K_ICini 和失稳断裂韧度K_ICun 。结果表明,当初始缝高比为0.3~0.7时,混凝土裂缝扩展经历起裂、稳定扩展和失稳破坏3 个阶段,双K 参数均是与初始缝高比无关的材料参数;当初始缝高比大于或等于0.8 时,混凝土裂缝起裂后便进入失稳扩展阶段,起裂荷载即为最大荷载,且计算得到的K_ICini 仍与初始缝高比无关。因此,在确定K_ICini 时,仅需测得初始缝高比大于或等于0.8试件的P_max,将P_max作为P_ini直接计算得到K_ICini。同以往的试验方法相比,其结果更为准确且试验方法简单。     

橡胶混凝土的抗裂性能和弯曲变形性能

通过净浆、砂浆和混凝土3 个层面的试验研究, 探讨了橡胶混凝土的抗裂性能和弯曲变形特性。根据圆环试件的开裂时间, 对3 种水灰比( 0. 3, 0. 4, 0. 5) 水泥净浆中掺入不同体积含量橡胶颗粒( 10%, 15%, 20%,30% , 50%) 后的开裂敏感性进行了对比分析。结果表明, 在水泥净浆中掺入橡胶颗粒可以显著延缓试件的开裂时间, 提高抗裂性, 延缓时间随着橡胶颗粒掺量的增加和水灰比的增大而延长。弯曲试验考察了4 个橡胶颗粒体积含量( 8%, 16%, 21. 4%, 32%) 砂浆试件和3 个橡胶颗粒体积含量( 10%, 12. 5%, 15%) 混凝土试件的弯曲变形性能。结果表明, 含橡胶颗粒的砂浆试件和混凝土试件在弯曲过程中会产生明显的塑性变形, 试件不会在承受最大荷载时产生脆性断裂, 而是经过较大的塑性变形后延性破坏。与基准试件相比, 砂浆试件和混凝土试件破坏时的极限变形值均有大幅度提高。      

钢纤维对水泥基复合材料抗起裂特性的影响

通过不同钢纤维体积分数及不同试件尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究了普通乱向及定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗起裂特性。利用试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析了钢纤维对水泥基复合材料断裂性能的影响,并基于线性相关系数陡降法计算了起裂韧度。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度明显高于普通乱向钢纤维增强水泥基复合材料;起裂韧度随钢纤维体积分数的增加而逐渐增大,当钢纤维体积分数达到0.9%左右时,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度值趋于稳定;在本试件高度范围内(40~100mm),起裂韧度随试件尺寸增加而逐渐增大,且定向钢纤维增强水泥基复合材料的增长趋势较为平缓。此外,从裂缝尖端夹杂改变其应力强度因子的角度解释了钢纤维的掺入及定向对起裂韧度的提高作用。     

陶粒负载微生物的混凝土开裂自修复研究

采用多孔陶粒作为微生物载体,在评价修复剂与混凝土基体的相容性以及优选陶粒掺量的基础上,分别从力学性能和耐久性角度对混凝土开裂的微生物自修复进行了研究。结果表明:自修复剂中的牛肉膏和蛋白胨对混凝土有负面影响,而尿素和硝酸钙的影响不大。陶粒体积分数为37.8%时可作为最佳掺量。将微生物芽孢及有机营养组分负载于陶粒中并掺入混凝土,经开裂破坏的试件在28d养护自修复后,其抗压强度恢复率接近63%,吸水率显著低于基准组,可观察到裂缝被微生物矿化形成的方解石型碳酸钙沉淀填充,裂缝最大修复宽度约为0.51mm。     

混凝土I型裂缝扩展准则比较研究

针对混凝土I型裂缝扩展问题,分别采用以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则、最大拉应力准则以及裂尖处应力强度因子为零的裂缝扩展准则,数值模拟了强度等级C20、C40、C60、C80和C100的混凝土三点弯曲梁裂缝扩展全过程,获取了试件的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线并与试验结果进行了比较。结果表明,三种准则中以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则计算得到的峰值荷载及P-CMOD全曲线与试验结果差别最小。随着混凝土强度等级的提高,最大拉应力准则以及裂尖处应力强度因子为零的裂缝扩展准则计算出的P-CMOD曲线与试验结果相比均有较为明显的偏离,但以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则计算结果与试验曲线更为吻合。试验与计算结果表明,以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则更适用于不同强度混凝土材料的断裂分析。     

基于等效纯弯曲梁的混凝土双K断裂参数研究

因四点弯曲梁跨中裂缝截面附近处于纯弯段,故其从理论上更符合Ι型断裂模式。基于此,该文通过开展跨中带缝的四点弯曲梁试验,将荷载作用下的四点弯曲梁纯弯曲段等效为纯弯曲梁,基于线性叠加原理给出了计算混凝土四点弯曲梁双K断裂参数的计算公式,并研究了不同初始缝高比（0.2、0.3、0.4、0.5及0.6）对四点弯曲梁双K断裂参数的影响,结果表明:随着初始缝高比的增大,试件起裂荷载P_ini,最大荷载P_max及相对临界有效裂缝扩展长度（a_c-a₀）/H均逐渐减小;起裂断裂韧度K_ICini和失稳断裂韧度K_ICun基本保持不变。可见,四点弯曲梁可以用于研究混凝土的双K断裂参数。     

反分析法确定钢纤维水泥砂浆拉应力与裂缝张开位移关系

在数值模拟钢纤维混凝土结构或构件和用基于断裂力学理论的设计方法设计钢纤维混凝土结构或构件时,钢纤维混凝土材料σ-w关系是一个重要的材料参数。该文根据三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移(CMOD)曲线用反分析法确定了钢纤维水泥砂浆的σ-w关系。试验制作了五种不同体积含量的钢纤维水泥砂浆单轴拉伸试件、圆柱体压缩试件和梁试件,钢纤维体积含量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。试验发现,当钢纤维体积含量较小时,三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移曲线呈现CMOD软化特性;而当钢纤维体积含量较大时,三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移曲线呈现CMOD强化特性。对有CMOD软化特性的钢纤维水泥砂浆,可用三折线软化模型来模拟钢纤维水泥砂浆的σ-w关系;对有CMOD强化特性的钢纤维水泥砂浆,可用应力跌落-常残余强度模型来拟合。     

砼非标准三点弯曲梁试件双Ｋ断裂参数

采用跨高比为２．５的非标准三点弯曲梁试件,利用在试验中测得的最大荷载Pmax对应的裂缝口张开位移ＣＭＯＤc,根据渐近线性叠加假设,求得了砼缝亚临界扩展量△ac.在此基础上,采用虚拟裂缝模型计算了不同初始缝长,不同试件高度的砼非标准三点弯曲梁试件的起裂断裂韧度Ｋ^iniIC,失稳断裂度Ｋ^umIC及临界裂缝尖端张开位移ＣＴＯＤc,计算结果表明,砼Ｋ^umIC与试件高度及初始缝高比无关,而Ｋ^iniIC在初始缝高比a0/h=0.3-0.5内,也是一稳定的常数且试件高度无关,这说明砼双Ｋ断裂参数可作为砼的材料常数。     

弯曲荷载对硬化水泥浆体和砂浆碳化过程的影响

研究了弯曲荷载对硬化水泥净浆和砂浆试体碳化过程的影响.结果表明:弯曲荷载会加速水泥浆体和砂浆的碳化过程,在弯曲荷载作用下水泥浆体和砂浆的碳化动力学过程可用式x=C0eaηtb描述,其中b值均接近1/2;碳化时间对砂浆碳化深度的影响略小于对水泥浆体的影响,而应力水平对水泥浆体和砂浆碳化的影响大致相同.     

煤矸石粉/聚酯纤维沥青混合料低温抗裂性研究

为了研究煤矸石粉、聚酯纤维和反射裂缝对沥青混合料低温抗裂性能的影响,通过三点弯曲加载试验,选用五种煤矸石粉替代率(0％(质量分数,下同)、25％、50％、75％、100％)和六种聚酯纤维掺量(0％、0.3％、0.35％、0.4％、0.45％、0.5％),对试件底部中心无预切口和预切口偏移中心0 mm、10 mm、20 mm(模拟反射裂缝)的沥青混合料半圆形试件的低温抗裂性能进行研究;采用扫描电镜对煤矸石粉、聚酯纤维对沥青混合料低温抗裂性能的改善机理进行微观分析.通过试验得出:对于无预切口的SCB试件,聚酯纤维的最佳掺量为0.4％,煤矸石粉的最佳替代率为50％;对于有预切口的SCB试件,聚酯纤维的最佳掺量取值范围为0.38％～0.42％;随着预切口偏移距离的增大,沥青混合料所能承受的极限荷载逐渐减小,试件更容易破坏.微观机理分析得出:煤矸石粉的掺入,使填料级配得到了进一步细化,更有利于提高沥青混合料的抗裂性能;同时,聚酯纤维在沥青混合料内部能够充分形成均匀相互搭接的网格结构,沥青混合料的低温抗裂性能也最好.因此,掺加煤矸石粉和聚酯纤维能够减小反射裂缝对沥青混合料低温抗裂性能的危害.     

动静态成型条件下预裂水稳碎石的力学特性

利用静压与振动压实两种方式制备骨架密实型水稳碎石试件,在养护初期对其实施预裂。研究了不同成型方式下,经早期预裂处理后水稳碎石的预裂程度发展规律、力学、干缩和抗裂性能。结果表明:试件预裂程度在振动作用下先增大后减小,在达到最大预裂程度前,静压试件预裂程度高于振动试件;在相同预裂参数下,振动试件自愈性能优于静压试件,静压试件的抗拉强度指标表现最差;预裂处理后最大可分别降低振动和静压试件35.8%和35.3%的干缩应变;试件经预裂处理后抗裂性能提升2～3倍;试件振动成型更易形成"水泥-粗集料-细集料"的稳定结构和理想的预裂纹;最佳预裂参数为振动成型,预裂时间2 d,预裂程度30%。     

小尺寸混凝土试件双K断裂参数试验研究

采用最大尺寸为680mm×160mm×40mm的标准三点弯曲梁试件,利用在初始裂缝两侧粘贴电阻应变片并利用混凝土裂缝扩展到此处时其应变回缩的方法测得了起裂荷载Pini,在此基础上根据Pini及初始缝长a0得到了起裂断裂韧度KIiCni;根据在试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODC计算了混凝土等效裂缝长度aC,据此计算了失稳断裂韧度KIuCn。结果表明:采用电阻应变片法可准确测定混凝土的起裂荷载Pini,且方法简单。试验结果还表明:在本试验范围内,三点弯曲梁法测得的混凝土双K断裂参数KIiCni、KIuCn与试件高度无关,进一步说明了混凝土双K断裂参数可以作为描述混凝土裂缝扩展的断裂参数。