矿物掺合料对结构轻集料混凝土氯离子渗透性能的影响

混凝土抗氯离子渗透性能直接关系到混凝土结构的耐久性.轻集料是多孔材料,其孔隙易成为氯离子渗透通道,因而良好的水泥石-集料界面结构是保证结构轻集料混凝土(SLC)具有高抗Cl渗透能力的关键.采用ASTMC1202-97方法,研究了粉煤灰、矿渣、硅灰等矿物掺合料对SLC氯离子渗透性能的影响;应用SEM扫描电镜对SLC水泥石-集料界面过渡区形貌以及粉煤灰对界面过渡区的改善作用进行了研究分析.     

纳米SiO2改性轻骨料混凝土性能

纳米SiO₂（NS）具有极强火山灰活性、晶核作用和填充效应,因此用NS改善水泥基材料性能成为众多学者研究的热点。本课题对不同掺量的NS对轻骨料混凝土强度及耐久性的改性效果进行了研究。通过测试轻骨料混凝土的力学性能（抗压和抗折）和氯离子渗透性能及利用SEM和EDS测试分析了NS对混凝土宏观和微观结构的影响。研究结果表明:在适当的掺量下,NS能够有效地提高轻骨料混凝土的力学性能,其中28 d的抗压强度和抗折强度比空白组混凝土分别提高了21.6%和46.2%。氯离子渗透的结果表明,轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能随着掺量的增加而呈线性增强。混凝土界面过渡区（ITZ）也发生了显著变化,其厚度减小,形貌也更加致密。ITZ的钙硅比随着NS掺量增加而减小,说明该区域内水化产物C-S-H凝胶增多,Ca（OH）₂被消耗,从而形成致密的过渡区,有利于强度提高。      

再生混凝土界面结构及耐久性综述

随着城市化进程加快,废弃混凝土产量与日俱增,其处理方式以堆放、填埋为主,严重破坏生态环境。推广使用废弃混凝土生产再生骨料并用于制备再生骨料混凝土,已成为研究热点。目前,再生混凝土已应用于城市新建结构中。再生混凝土界面结构具有高孔隙率,水分及侵蚀性离子的扩散作用会加剧界面结构劣化,使界面成为再生混凝土的强度限制相。近年来,众多学者通过改善再生混凝土内界面过渡区结构,以提高再生混凝土的基本力学性能,增强再生混凝土耐久性能,并取得了丰硕成果。相关学者分别从细、微观角度对界面结构展开深入研究,揭示了新、旧骨料砂浆间界面结构对再生混凝土性能的影响机理,并以再生骨料及界面结构的多孔性为切入点进行了诸多改善研究,包括骨料预浸、骨料裹浆、骨料碳化、掺加矿物掺合料、完善再生混凝土制备方法等,均取得了良好的成果,降低了再生骨料性质和界面结构对再生混凝土的消极作用。在我国温差较大、盐渍土丰富的西北地区,再生混凝土结构主要面临抗冻融循环和抗盐侵蚀耐久性问题。目前,相关学者通过一系列试验研究已基本探明再生混凝土的冻融循环和盐侵蚀机理,关于盐侵蚀研究,建立了氯离子迁移模型以用于氯离子迁移评估,并对单一种类离子侵蚀界面结构进行了显微分析。另外,提出降低再生混凝土水灰比、选用高品质再生骨料、掺加适量矿物掺合料和掺加剂,有助于减少界面过渡区生成,增强再生混凝土的耐久性。本文归纳了再生混凝土的研究进展,对再生混凝土的界面结构、力学性能、抗冻融循环、抗盐侵蚀性能等方面进行了综合评述,梳理了再生混凝土力学性能和耐久性的改善方法,分析了再生混凝土研究面临的主要问题并展望其前景,以期为今后我国西北地区废弃混凝土可循环利用及再生混凝土结构耐久性评估奠定理论基础。     

多壁碳纳米管增强混凝土的抗氯离子渗透性能

采用快速氯离子迁移系数(RCM)法和自然浸泡法对多壁碳纳米管(MWCNTs)增强混凝土的抗氯离子渗透性能进行研究,测量混凝土试件纵向断面上的氯离子扩散深度,据此计算氯离子扩散系数。试验结果表明：当MWCNTs掺量为0.15wt%时,混凝土28天的氯离子扩散深度、氯离子扩散系数分别降低了25.7%、19.1%;在4种不同侵蚀龄期的自然浸泡下,掺入MWCNTs的混凝土,内部氯离子浓度始终低于对照组。结合两种方法分析得出：混凝土内部各深度的自由氯离子浓度随着MWCNTs掺量的增加而降低,致使氯离子扩散系数随着MWCNTs掺量的增加而变小,MWCNTs的掺入提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。此外,通过SEM和压汞(MIP)测试进一步探究MWCNTs对混凝土抗氯离子渗透性能的微观增强机制,分析结果表明,MWCNTs具有一定的桥接和填充效应,这可能使混凝土裂缝扩展受到抑制、孔隙更加细化,从而改善混凝土的微观结构,提高混凝土的抗氯离子渗透性能。     

低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度分析方法

混凝土的扩散渗透性能与其微观结构（包括细观尺度上粗骨料颗粒与砂浆之间的界面过渡区及砂浆本身的微观结构等）密切相关。在微观尺度上,砂浆和界面过渡区均可视为由无孔砂浆基质和孔隙水夹杂相组成的两相复合材料,二者的主要区别表现为孔隙率不同。在外荷载作用下,砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率及孔隙连通性会发生改变,从而改变混凝土的扩散渗透性能。基于此,该文建立了低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度理论分析方法,获得了混凝土表观扩散系数与外荷载（以体应变表征）及砂浆和界面过渡区当前孔隙率的定量关系。分析所采用的主要参数为砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率、无孔砂浆基质和骨料相的力学参数、骨料相和界面过渡区的体积分数、外荷载等。与已有文献数据对比知,该文分析结果与之吻合良好,表明了理论分析方法的合理性与准确性。此外,基于该方法,探讨分析了混凝土微/细观结构对其宏观扩散性能的影响。     

微生物矿化沉积对再生骨料界面过渡区的影响

骨料-水泥浆体的界面过渡区疏松多孔是导致再生骨料与天然骨料性能差异的重要原因。通过试验研究微生物矿化沉积技术对再生骨料界面过渡区性能的影响。使用水泥净浆包裹不同菌种和不同方式处理的再生骨料,养护后破碎获得骨料-水泥界面过渡区,通过SEM观察界面过渡区的微观形貌变化,利用纳米压痕试验测量界面过渡区的弹性模量和硬度,并结合再生砂浆块的抗压、抗折强度试验结果,分析微生物矿化沉积对再生骨料界面过渡区的改善效果。结果表明:再生骨料经假坚强芽孢杆菌和嗜碱芽孢杆菌处理后所制备的再生砂浆块的抗压、抗折强度及再生骨料界面过渡区的弹性模量和硬度均有明显提升,两菌种矿化生成碳酸钙的能力不同造成了性能提升效果的差异。     

纳米SiO2改性聚合物水泥基复合材料早期微观结构及性能

利用纳米SiO₂(nano SiO₂)早期可促进聚合物水泥基复合材料水化速率、提升其力学性能、改善其界面过渡区(ITZ)性能及优化其孔隙结构等特点,借助XRD、SEM、EDS、显微硬度(MH)及压汞(MIP)等试验,揭示了nano SiO₂对聚合物水泥基复合材料早期性能影响的微观机制。结果表明:当nano SiO₂掺量为2wt%时,聚合物水泥基复合材料的力学性能最优,3 d和7 d龄期抗压强度分别为57.5 MPa和67.3 MPa,较仅仅掺加聚合物的水泥基复合材料分别提高了12.7%和13.9%;nano SiO₂的掺入改变了聚合物水泥基复合材料水化产物数量及微观形貌。对于ITZ性能,nano SiO₂掺入后,聚合物水泥硬化浆体-骨料的ITZ厚度减小,形貌变得更加致密;ITZ的钙硅比因nano SiO₂的加入变小而其显微硬度变大;此外,nano SiO₂加入后可以进一步填充聚合物水泥基复合材料更加细小的孔隙,使其凝胶孔比例变高,最可几孔径变小,大大优化了聚合物水泥基复合材料的孔隙结构。      

硅灰粒径分布对混凝土微观结构及其低温抗压强度的影响

在不改变混凝土配合比的前提下,将研磨制备的不同粒径分布的硅灰掺入到混凝土中;在低温环境下对硅灰混凝土进行不同龄期的养护后研究其抗压强度以及孔隙特征、孔径分布等微观结构的变化。结果表明:在温度为-10℃、养护龄期为28 d的条件下,掺入比表面积为18. 2 m~2/g硅灰的混凝土的抗压强度提高了35. 89%,总孔隙率降低了3. 1%,多害孔和有害孔占比分别降低了19. 4%、44. 1%,少害孔和无害孔占比分别提高了31. 6%、46. 4%,优化硅灰的粒径分布可以改善混凝土的微观结构的致密性,从而提高混凝土在低温环境下的抗压强度。     

矿物掺合料对混凝土抗氯离子渗透性的影响综述

矿物掺合料因对改善混凝土抗氯离子渗透性有着较为显著的作用而获得了研究者的广泛关注。综述了近年来国内外关于矿物掺合料对混凝土抗氯离子侵蚀能力影响的研究进展,分析并总结了粉煤灰、硅灰、矿渣等矿物掺合料单掺和复掺的情况下,对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。同时,通过分析混凝土抗氯离子渗透性相关测试方法的优缺点,并对比不同研究者的测试结果,对需要进一步研究的相关问题提出了建议。     

混凝土抗硫酸盐侵蚀性能试验研究

研究了不同水胶比混凝土试件在(20±2)℃全浸泡作用下的抗硫酸盐侵蚀性能。试验制备0. 32与0. 36两种水胶比的普通硅酸盐水泥、高抗硫水泥以及复掺矿粉和硅灰的混凝土试件,检测了试件标养28 d后的抗压强度、动弹性模量及各试件在(20±2)℃、质量分数为3%Na_2SO_4溶液中全浸泡侵蚀的强度、动弹性模量变化情况,对混凝土在(20±2)℃全浸泡侵蚀下的抗硫酸盐侵蚀性能进行了评价。结果表明,在(20±2)℃全浸泡作用下,0. 36水胶比混凝土抗硫酸盐侵蚀性能低于0. 32水胶比混凝土,抗硫酸盐侵蚀性能随着水胶比的降低而提高;混凝土复掺矿粉和硅灰后抗硫酸盐侵蚀性能较好;高抗硫水泥通过限制C_3A的含量,进而改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能,不一定在任何环境下都适用;混凝土连通孔隙率从侧面证实了低水胶比混凝土和复掺矿粉和硅灰混凝土抗压侵蚀系数和相对动弹性模量较高,说明低水胶比混凝土复掺矿粉和硅灰后,可以显著提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能。     

纤维增强混凝土氯离子扩散系数的多尺度预测模型

纤维增强混凝土材料属于多相非均质复合材料,其宏观耐久性能由微观和细观的组分占比和夹杂关系共同决定。为考虑纤维增强混凝土材料不同尺度下的非均质性对整体氯离子扩散系数的影响,本文基于从微观到宏观的多尺度方法选取了不同层级代表单元,建立了纤维增强混凝土氯离子扩散系数多尺度预测模型。模型在充分考虑微观水泥水化过程和阈值效应的基础上,分析了细观尺度下纤维、骨料及其与水泥浆体的结合界面对混凝土宏观扩散性能的共同影响,并探究了纤维尺寸、纤维-浆体界面过渡区厚度等因素与扩散系数之间的影响关系,且通过第三方试验对模型的可靠性进行了验证。参数化分析的结果表明,当水灰比大于一定限值(约为0.45),水泥浆体的氯离子扩散系数与水灰比呈指数增长,而在细观层级上,纤维-浆体界面过渡区是影响混凝土整体扩散性能的主要因素：纤维掺量的增加和纤维直径的减小都会增大界面过渡区的体积,而较高的纤维过渡区体积占比和纤维界面扩散系数都会增大纤维增强混凝土的宏观氯离子扩散系数。结果还表明混凝土扩散系数与纤维掺量之间并无直接关系,而需要综合考虑纤维直径、界面过渡区厚度等各种因素的影响。本文所提模型能够有效预测纤维增强混凝土的扩散系数...     

养护制度对混凝土微结构形成机理的影响进展

养护制度是影响混凝土微结构形成的关键因素,进而决定了混凝土的性能.早在20世纪60年代,国内外学者就尝试通过控制养护温度或湿度来改善混凝土的性能,但由于控制变量的单一性,其对混凝土性能的提升效果有限.随着现代混凝土技术的发展,同时控制养护温度、湿度,甚至压力的蒸汽养护与蒸压养护应运而生.蒸汽养护和蒸压养护主要通过生成大量高密度C-S-H凝胶来为混凝土提供强度,且随着蒸压养护的持续,C-S-H凝胶向强度高、密度大的托勃莫来石转变,促进混凝土强度进一步增长.然而,蒸汽养护与蒸压养护在快速提高混凝土强度的同时,也会使混凝土产生孔隙率增大、孔径粗化及界面过渡区性能变差等问题,从而影响混凝土的长期耐久性.为此,常采用降低水胶比、掺加矿物掺合料、延长养护时间、二次养护等措施,来改善蒸汽养护与蒸压养护混凝土的界面过渡区性能和孔隙结构,从而提升混凝土微结构的稳定性.本文在综述标准养护、蒸汽养护和蒸压养护对混凝土水化产物的组成与形貌、界面过渡区和孔隙结构影响的基础上,归纳了不同养护制度下改善混凝土界面过渡区和孔隙结构的有效措施,分析了不同养护制度提升混凝土微结构稳定性的作用和机理,以期为混凝土养护制度的选择提供参考.最后,指出了不同养护制度下超高性能混凝土微结构形成与演变研究的不足.     

富氯海砂混凝土的应用可行性探讨

天然海砂已经成为我国部分沿海城市建筑用砂的重要来源,但因其较高的氯含量和夹杂细碎贝壳等特性,在工程应用中受到了一定的限制。本文比照分析了不同氯含量天然海、河砂混凝土的工作性、抗压强度以及抗氯离子渗透性能,探讨了掺合料与耐蚀剂对于内掺型富氯海砂混凝土的适用性与可行性。研究结果表明,混凝土的坍落度随砂中氯含量的增大而显著减小;砂中氯含量大小以及一定掺量掺合料与耐蚀剂的加入,基本不影响混凝土的抗压强度;掺合料与耐蚀剂还可改善混凝土的工作性及抗氯离子渗透性能,18%掺量的耐蚀剂与30%掺量的掺合料对提升混凝土抗氯离子渗透性能的能效相近。     

氯盐-硫酸盐共存环境中杂散电流作用下提升砂浆中氯离子结合性能的研究

长期浸泡在地下水中的地铁混凝土结构,不仅遭受氯盐、硫酸盐的双重侵蚀,而且存在杂散电流腐蚀破坏.由于孔溶液中的自由氯离子是导致钢筋锈蚀的首要因素,通过提高混凝土中氯离子的结合能力可有效降低氯离子对钢筋混凝土的危害.本工作通过选择合理的外掺料种类及掺量,提出了提高地铁工程混凝土中氯离子结合性能的最优外掺料组合,并采用电位滴定法测定结合氯离子含量,以及结合XRD、SEM和DTG等微观测试方法对其机理进行分析.结果表明:杂散电流作用下偏高岭土对氯离子结合性能的提升效果优于硅灰,粉煤灰微珠优于沸石粉,复掺10％偏高岭土、20％微珠、1.5％PVA可再分散性乳胶粉的试件中氯离子的结合性能最优,砂浆内部氯离子的化学结合能力明显提高.     

氧化石墨烯改性地聚物再生混凝土的抗硫酸溶蚀性能研究

以地聚物再生混凝土为基体，将混凝土浸泡于pH=1.0的硫酸溶液中48 d,以其表观损伤、抗压强度、质量损失、中和深度作为耐硫酸性能指标，研究不同掺量的氧化石墨烯(0.01%,0.03%,0.05%,均为质量分数，下同)对混凝土抗硫酸溶蚀性能的影响。此外，通过SEM、XRD、FTIR对氧化石墨烯的改性效果进行微观分析。结果表明：掺入少量的氧化石墨烯可显著提高混凝土的抗硫酸性能，但随着掺量的增加改性效果逐渐减弱。改性后混凝土的抗压强度分别提高56.0%、17.0%、6.0%,且经硫酸溶蚀48 d后仍优于未改性混凝土。48 d后掺量为0.05%的混凝土出现最大的质量损失和中和深度，以及SEM图中较差的界面过渡区和较多松散的腐蚀产物代表其改性效果最差。综合宏观表现、XRD和FTIR分析，确定氧化石墨烯掺量为0.01%时地聚物再生混凝土具有最佳的抗硫酸溶蚀性能。     

界面过渡区厚度对再生混凝土损伤性能的影响分析

界面过渡区一直是混凝土和再生混凝土的薄弱点,为了进一步研究界面过渡区对再生混凝土损伤性能的影响.本文工作对再生混凝土界面过渡区厚度的计算公式进行了推导,得到了再生混凝土界面过渡区的厚度定量计算公式,并计算了再生骨料掺量为30％(质量分数)的再生混凝土中不同粒径骨料的界面过渡区厚度.采用混凝土模型试验方法,运用有限元分析软件对普通混凝土界面过渡区厚度为0.05 mm和再生混凝土界面过渡区厚度分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的混凝土模型进行了模拟分析.结果表明,不同厚度的界面过渡区对再生混凝土损伤开裂强度影响明显,随界面过渡区厚度的增加,再生混凝土损伤开裂荷载不断降低;再生混凝土的损伤开裂都是从界面过渡区开始的,且随界面过渡区厚度增加,损伤程度增加;与普通混凝土相比,当界面过渡区厚度不超过2 mm(再生骨料替代率不超过30％)时,再生混凝土损伤开裂荷载降低不明显.     

废旧橡胶颗粒对混凝土强度的影响及界面分析

以旧轮胎橡胶颗粒等体积取代混凝土中的砂子,取代量分别为砂子体积的5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、60%、80%、100%.研究了混凝土抗压强度随取代量的增加的变化规律.用显微硬度方法测试了橡胶颗粒与水泥基体界面过渡区的结构,并与石子水泥界面过渡区的结构进行了比较.发现随橡胶颗粒取代砂子量的增加,混凝土的抗压强度降低,体积取代量小于25%时,抗压强度降低较快;而取代量在25%～50%之间时,强度降低较为缓慢;取代量大于50%时,抗压强度又较快降低.显微硬度测试表明石子与水泥基体界面过渡区范围在85μm左右,而橡胶水泥基体界面过渡区范围在130μm左右,而且在橡胶颗粒周围45μm左右范围无法测得显微硬度,扫描电镜分析证明,橡胶颗粒与水泥基体间存在孔隙.     

隧道初支混凝土抗冲刷溶蚀技术评价及作用机理

隧道初支混凝土被钙溶蚀破坏将导致孔隙率增加、强度下降,进而缩短其服役寿命.根据溶蚀计算模型,可以从减少可溶性钙含量、降低孔隙率和降低混凝土基体的水分传输速率等方面来提升混凝土的抗溶蚀性能.采用硬化气泡、X射线衍射、扫描电子显微镜、能谱分析、ICP等方法测试分析分别掺加矿物掺和料(AD)、密实材料(纳米二氧化硅,DM)和疏水材料(有机羧酸酯聚合物,HM)混凝土溶蚀前后的孔隙结构、水化产物、微观形貌和钙离子溶出量等指标.结果表明:矿物掺和料AD可以从降低可溶物Ca(OH)2的含量、细化混凝土孔隙等方面提升混凝土的抗溶蚀性能,溶蚀14 d时混凝土钙离子溶出量较纯水泥组降低10％,但混凝土早期强度偏低,不利于隧道初支混凝土施工;密实材料DM同样具有降低可溶物Ca(OH)2的含量、细化混凝土孔隙等优势,且其早期强度较高,溶蚀14 d时钙离子溶出量较纯水泥组降低22％;疏水材料HM可以从细化混凝土孔隙、降低水分传输速率等方面提升混凝土的抗溶蚀性能,溶蚀14 d时钙离子溶出量较纯水泥组降低30％,且对混凝土强度无不利影响.因此,混凝土的抗溶蚀提升效果顺序为:疏水材料HM>密实材料DM>矿物掺和料AD.     

水泥泡沫混凝土的改性研究

采用丁苯乳液、苯丙乳液、硅灰、粉煤灰和橡胶粉等外加剂分别对物理发泡水泥混凝土的性能进行单一和复合改进试验。结果表明,复掺硅灰和丁苯乳液可显著提高泡沫混凝土早期强度,并降低吸水率,改善混凝土性能,当硅灰掺量4%,丁苯乳液掺量12%时,混凝土吸水率降低17%,7d抗压强度增加0.5 MPa;丁苯乳液对降低泡沫混凝土吸水率有一定促进作用;苯丙乳液对混凝土强度影响较大;硅灰与粉煤灰降低吸水率效果不佳;橡胶粉不能作为混凝土外加改性材料。     

无机矿物氟碳复合涂料对混凝土抗盐冻性能的影响

通过表面疏水性能试验、力学性能试验、界面粘结性能试验和混凝土盐冻试验，研究了无机矿物对水性氟碳涂料性能的影响，研究了盐冻环境下无机矿物氟碳复合涂料附着力变化，分析了其对混凝土单位面积剥落量的影响，结合微观形貌变化和孔结构变化，分析了混凝土抗盐冻性能提升机制。结果表明：单掺硅溶胶时，氟碳复合涂料水接触角较氟碳涂料增大了10.2%，其铅笔硬度高达3 H；三掺硅溶胶、海泡石粉和铁尾矿粉时，氟碳复合涂料铅笔硬度高达3 H，其附着力增大了44.2%；复掺硅溶胶和海泡石粉时，氟碳复合涂料性能介于两者之间。盐冻环境下单掺硅溶胶氟碳复合涂料残余附着力最大。无机矿物氟碳复合涂料能显著改善混凝土抗剥蚀性能，但改善效果较氟碳涂料不显著。盐冻环境下水性氟碳涂料产生部分微孔，孔结构粗化，而单掺硅溶胶氟碳复合涂料微观结构仍较致密，其最可几孔径略有增大，涂料仅略有损伤。单掺硅溶胶氟碳复合涂料防护下混凝土微观结构更致密，其单位面积剥落量较未防护时降低幅度高达81.2%。为寒冷地区盐冻环境下混凝土防护涂料的设计提供了试验和理论依据。