粉煤灰对喷射混凝土强度和渗透性的影响

试验采用扫描电子显微镜(SEM)对喷射混凝土微观结构进行分析,并采用RCM氯离子渗透法研究了粉煤灰对喷射混凝土抗氯离子渗透性能的影响,并对其抗压强度、劈裂抗拉强度进行研究。试验结果表明:随着粉煤灰掺量增大,喷射混凝土微观结构变得致密,强度和抗渗性显著提高。粉煤灰的最佳掺量为20%左右,超过此掺量喷射混凝土抗压强度降低,喷射混凝土强度和渗透性有较好的相关性。     

喷射混凝土的硝酸侵蚀:孔溶液H+与NO3-的扩散规律及侵蚀机理

一般大气环境下长大公路隧道中,喷射混凝土单层衬砌往往会遭受硝酸侵蚀,导致耐久性恶化及使用寿命降低。本研究以硝酸溶液为侵蚀介质,针对制备的普通喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土和模筑混凝土开展浸泡试验。通过测试混凝土不同深度处孔溶液pH值和NO_3~-含量,分析喷射混凝土硝酸侵蚀过程。对硝酸侵蚀后试件的矿物组成和微观结构进行表征,以研究孔溶液中H~+和NO_3~-的扩散机理。实验结果表明,喷射混凝土孔溶液H~+和NO_3~-含量均小于模筑混凝土,即喷射混凝土抗硝酸侵蚀耐久性更优。侵蚀溶液pH值不大于2时,钢纤维喷射混凝土孔溶液中H~+和NO_3~-含量与普通喷射混凝土差异较小,说明钢纤维对较高浓度硝酸侵蚀环境下喷射混凝土耐久性能的提升作用不明显。针对喷射混凝土硝酸侵蚀机理的分析表明,硝酸侵蚀喷射混凝土的过程可分为水化产物反应、水化硅酸钙凝胶分解和钙矾石及骨料侵蚀等三个阶段。因此,孔溶液H~+在侵蚀早期增长速度快于侵蚀后期;NO_3~-含量则随侵蚀过程的推移而快速增大。     

多因素作用衬砌喷射混凝土中性化及预测模型

以喷射混凝土单层永久衬砌长大公路隧道为工程背景,采用快速碳化法、硝酸浸泡法和气冻气融法开展衬砌喷射混凝土中性化试验,研究多因素作用喷射混凝土的中性化性能。研究结果表明,多因素作用喷射混凝土中性化深度符合Fick第一定律,硝酸侵蚀和冻融损伤均会加速混凝土的中性化。低水胶比喷射混凝土及喷射钢纤维混凝土中性化深度小。随粉煤灰掺量增大,混凝土中性化深度先减小后增大。在硝酸侵蚀累积作用下,喷射混凝土中性化深度与碳化深度差值随等效碳化龄期的延长而增大;冻融损伤喷射混凝土中性化深度与未损伤混凝土中性化深度差值随龄期延长而减小。喷射混凝土相对抗压强度与中性化深度之间呈正指数关系。本工作还建立了考虑喷射混凝土配合比、成型方式、硝酸侵蚀及冻融损伤的中性化深度预测模型。     

冻融损伤喷射混凝土本构关系及微观结构

采用棱柱体试件,通过快速冻融试验方法,对冻融损伤后同配合比普通混凝土、喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土单轴受压应力应变全曲线进行研究。对应力应变关系中相关参数进行回归分析,得出冻融循环后试件应力应变全曲线方程。结果表明：随着冻融循环次数增加,受压应力应变曲线趋于扁平;峰值应力降低,峰值应变增大,分别与冻融循环次数呈线性和指数变化。与普通混凝土相比,喷射混凝土峰值应力下降速率小,而钢纤维喷射混凝土的下降速率进一步减小。而后,采用扫描电子显微镜及压汞法,对损伤后试件微观结构和孔结构进行观察分析,发现随着冻融循环次数增加,在渗透压和冻胀压力综合作用下,试件内部微裂纹及气孔增多,孔径增大,试件密实度显著降低;而钢纤维喷射混凝土中仅出现少量连通毛细孔,这与宏观力学性能变化呈现一致性。     

西北复合盐侵蚀环境衬砌喷射混凝土离子扩散研究

中国西北地区盐渍土广泛分布,侵蚀性离子与喷射混凝土衬砌接触并向其内部扩散,经过一系列物理化学作用,形成高溶解性、膨胀性及无胶凝性侵蚀产物,破坏喷射混凝土微观结构,造成衬砌结构耐久性退化。采用干湿交替制度,模拟西北地区自然环境;以5%Na2SO4+5%MgSO4+3.5%NaCl(质量百分比)混合溶液为侵蚀介质,模拟盐渍土及其地下水中的离子组成及含量,开展复合盐侵蚀喷射混凝土耐久性试验,测试混凝土pH值,水溶性Cl-、SO2-4、Ca2+含量及酸溶性SO2-4含量。结果表明：干湿交替次数增大,混凝土pH值,水溶性Ca2+含量降低,水溶性Cl-、SO2-4及酸溶性SO2-4离子含量增大。Mg2+扩散导致混凝土侵蚀区pH值明显降低。但随着深度增大,混凝土pH值快速增大继而稳定。Cl-扩散降低酸溶性SO2-4含量,而SO2-4的扩散加速混凝土pH值及Ca2+含量降低,并在一定程度上促使Cl-含量提升。喷射混凝土的水胶比、粉煤灰取代率及钢纤维掺量对离子扩散具有显著的影响。喷射混凝土中水溶性Cl-及SO2-4扩散符合Fick第二定律,并建立了考虑喷射混凝土配合比参数的离子扩散模型。     

复合盐蚀环境下喷射混凝土离子分布规律及氯离子扩散系数

通过分析(干湿循环+复合盐侵蚀)共同作用下普通混凝土、普通喷射混凝土和钢纤维喷射混凝土孔隙液中pH值、Cl-、SO2-4和Ca2+分布情况,研究了喷射混凝土离子分布规律和氯离子扩散系数.结果表明:各混凝土pH值和Ca2+浓度随深度分布规律相似,均为表层最低并随深度增加而升高,且在同一深度随龄期增加而降低;普通混凝土表层Cl-浓度最高且扩散深度最大,钢纤维喷射混凝土的表层Cl-浓度最低和扩散深度最小;SO2-4在各混凝土内部的分布大致分为富集区、过渡区和稳定区三段;表面自由Cl-含量Cs为普通混凝土>普通喷射混凝土>钢纤维喷射混凝土,且随侵蚀龄期的增长而逐渐上升;混凝土的Cl-扩散系数D随侵蚀龄期的增长而降低,符合幂函数变化规律.     

喷射粉煤灰混凝土微观结构和力学性能试验研究

为研究喷射粉煤灰混凝土在养护过程中微观结构和力学性能的变化,采用X-射线衍射法、热重-差示热法、扫描电镜法对喷射粉煤灰混凝土微观结构进行分析,并对其1d、3d、7d、28 d、60 d、90 d和180 d的抗压强度、劈裂抗拉强度进行研究.结果表明:养护龄期对喷射粉煤灰混凝土微观结构和力学性能影响大,且微观结构与力学性能之间存在密切联系.龄期为1d时,由于速凝剂的作用,喷射粉煤灰混凝土强度较高.龄期低于28 d时,粉煤灰等量替代水泥,控制水泥水化速度的有效水灰比相对增大,喷射粉煤灰混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度随粉煤灰掺量增加下降;龄期高于28 d时,粉煤灰活性被激发,喷射粉煤灰混凝土微观结构变得密实,喷射粉煤灰混凝土抗压强度随粉煤灰掺量增加先上升后下降,劈裂抗拉强度随之上升.     

喷射混凝土渗透性、孔结构和力学性能关系研究

以喷射混凝土衬砌隧道结构为研究背景,开展喷射混凝土渗透性、孔结构及力学性能试验,采用AutoClam、非稳态氯离子快速测定法(RCM)、直线导线-线性回归法(ASTM C457)、压汞测孔法等,对喷射混凝土渗透性(透气性、透水性和氯离子迁移)、孔结构(砂浆孔结构和表面孔结构)及力学性能(抗压强度和劈裂抗拉强度)进行测试,研究喷射混凝土配合比对喷射混凝土能性的影响以及三者之间的相互关系.结果表明,喷射混凝土水胶比、粉煤灰及钢纤维对其渗透性、孔结构参数和力学性能具有直接影响,低水胶比、高钢纤维掺量对喷射混凝土性能的提高有利,粉煤灰可促进喷射混凝土性能优化,但过高的掺量会造成性能劣化.通过分析喷射混凝土渗透性、孔结构和力学性能之间的关系,认为喷射混凝土孔结构组成决定其渗透性和力学性能,随着孔隙率的增大,喷射混凝土渗透性提升、力学性能下降,孔隙率与渗透性及抗压强度之间呈指数关系.     

弯曲荷载下喷射混凝土衬砌碳化耐久性研究

以一般大气环境长大喷射混凝土单层永久衬砌隧道为背景,开展弯曲荷载作用下喷射混凝土衬砌碳化耐久性试验.采用改进的四点弯曲法,对应力比为0、0.25、0.50和0.75的混凝土试件进行快速碳化试验,并对无荷载混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度进行测试.以张誉碳化模型为基础,对其碳化系数进行修正,建立考虑应力比、受力方式、钢纤维和成型方式的喷射混凝土碳化深度预测模型.结果表明:喷射混凝土碳化深度符合Fick第一定律,碳化系数与受力方式和应力比、钢纤维及成型方式有关.喷射混凝土碳化耐久性优于模筑混凝土,钢纤维可进一步提升喷射混凝土碳化耐久性.碳化混凝土相对抗压强度和相对劈裂抗拉强度随碳化深度增大而增大,相对劈裂抗拉强度与碳化深度呈指数关系.通过将模型预测值与试验值进行对比,其平均偏差小于10%,标准差为0.07,对弯曲荷载喷射混凝土碳化深度的预测具有较好的适用性.     

复合盐侵蚀再生混凝土耐久性能退化试验研究

我国西北地区土壤及其地下水中含有大量侵蚀性离子,造成了再生混凝土结构耐久性能快速退化,严重制约着再生混凝土在主体结构中的应用。基于西北地区耐久性环境中侵蚀离子组成及区域气候环境特征,以7.5%(质量分数)MgSO₄-7.5%(质量分数)Na₂SO₄-5%(质量分数)NaCl为侵蚀介质,采用干湿交替方式,开展复合盐侵蚀再生混凝土耐久性能退化试验研究。以粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等活性矿物掺合料取代水泥,研究矿物掺合料搭配方式对再生混凝土耐久性能影响。采用XRD、FTIR、TG-DSC及SEM、EDS等表征手段,分析侵蚀产物矿物组成、含量及微结构变化,研究复合盐侵蚀再生混凝土损伤过程。随着干湿交替次数增加,再生混凝土相对动弹性模量、质量变化率、相对抗压强度、相对劈裂抗拉强度及损伤层厚度的变化规律与矿物掺合料搭配方式有着显著的相关性。随着侵蚀离子的不断扩散,混凝土碱度降低,在表面依次形成了以水镁石、石膏及钙钒石为主要产物的致密侵蚀产物层,短暂阻碍了侵蚀离子进一步扩散。随着侵蚀产物不断堆积及无胶凝性水化硅酸镁的形成,在膨胀应力及盐结晶压力共同作用下,再生混凝土表面大量剥蚀并开裂,耐久性能快速退化。