不同冻融介质作用下混凝土力学性能衰减模型

通过快速冻融试验,研究了三种不同冻融介质(水、3.5wt%NaCl、飞机除冰液)对混凝土质量损失、动弹模量以及力学性能的影响,比较了三种冻融介质对混凝土损伤程度的大小,分析了混凝土相对动弹性模量与相对剩余抗压强度和相对剩余抗折强度之间的关系,基于相对动弹性模量建立了相对剩余抗压强度和相对剩余抗折强度衰减方程。结果表明:3.5wt%NaCl溶液对混凝土的损伤度要远大于单纯水冻融循环对混凝土的损伤度,飞机除冰液对混凝土冻融损伤具有抑制作用;混凝土抗压、抗折强度以及相对动弹性模量随着冻融循环次数的增加而降低;三种冻融介质下混凝土抗压、抗折强度损失率大小关系为:3.5wt%NaCl水飞机除冰液;相对动弹性模量与相对剩余抗压强度、相对剩余抗折强度相关性好,可以通过测定混凝土相对动弹性模量来评估混凝土相对剩余强度。     

钢纤维橡胶再生混凝土的抗冻性试验

为使废弃混凝土和再生橡胶在北方地区混凝土工程中得以应用,采用正交试验法研究再生粗骨料掺量、再生粗骨料强化方式、钢纤维掺量与橡胶掺量对钢纤维橡胶再生混凝土(C45)立方体抗压强度和抗冻性的影响规律。利用扫描电镜和螺旋CT扫描技术研究了钢纤维橡胶再生混凝土的宏观和细观结构及其对抗冻性能的影响机理。结果表明:橡胶颗粒掺量是影响再生混凝土含气量、抗压强度和相对动弹模量的重要因素,再生粗骨料掺量是影响相对动弹模量和强度损失率的次要因素,钢纤维掺量对混凝土抗压强度增强作用较小,粗骨料强化方式对混凝土性能影响不大;橡胶颗粒与砂浆界面的裂缝宽度在5~55μm之间,二者之间的相容性较差;当橡胶颗粒掺量(与砂的体积比)大于20%后,随橡胶颗粒掺量增大,混凝土内部孔洞数目增多,钢纤维橡胶再生混凝土抗压强度降低、抗冻性减弱。     

橡胶/混凝土盐冻循环后性能劣化及微观结构

制备普通混凝土(Normal concrete,NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC),研究盐冻循环60次内,表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程,采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化,建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系,利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明:随盐冻循环次数增加,混凝土试件表面剥蚀愈显著,剥落量增加,内部损伤、强度损失逐渐加剧,超声参数与抗压强度具有密切相关性;混凝土经历盐冻破坏后,内部结构呈疏松絮状,孔隙、裂纹愈加显现,密实度下降,造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大,各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土,以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优,经历60次盐冻循环后,普通混凝土抗压强度损失率为58.5%,10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。      

碱矿渣高性能混凝土冻融耐久性与损伤模型研究

采用矿渣、Na2SiO3和NaOH复合激发剂制备了高性能碱矿渣混凝土(Alakali-slag Concrete,ASC),通过冻融循环试验、扫描电镜和能谱分析测试,研究了ASC的冻融耐久性、微观结构、性能机理、冻融后内部损伤变量的变化规律及损伤模型。结果表明:ASC抗冻等级在F300以上,具有优异的抗冻融耐久性;ASC的水化产物主要为低Ca/Si比的C-S-H(Ⅰ)、碱性铝硅酸盐和沸石型矿物等,没有Ca(OH)2和过渡带,结构的密实性和均匀性好,抗压强度高达90MPa,因此ASC具有优异的抗冻性;以相对动弹模量为损伤变量建立了ASC冻融损伤模型,发现动弹模量衰减模型的拟合精度优于冻融累积损伤模型,幂函数模型比指数函数模型有更好的拟合精度和相关性,模型能够较好地反映ASC的冻融损伤规律和损伤程度。     

冻融循环作用下玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土压拉强度试验与细观结构

对玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土(BF-SP-FAC)进行了单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、冻融循环试验、气孔结构测试试验和SEM分析。研究了不同冻融次数下BF-SP-FAC冻融损伤量、抗压强度、抗拉强度的变化,分析了气孔结构参数(含气量、气孔比表面积、气泡间距系数和气泡平均弦长)与BF-SP-FAC抗压强度、抗拉强度、冻融损伤量的关系,运用灰关联熵分析法讨论了BF-SP-FAC气孔结构参数对抗压强度、抗拉强度、冻融损伤量影响的主次关系。结果表明:相同冻融次数下,与其他纤维掺量相比,玄武岩纤维掺量为0.18vol%时,BF-SP-FAC抗冻性能较好,抗压强度和抗拉强度最高;在相同玄武岩纤维掺量下,随含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长的增大,BF-SP-FAC抗压强度和抗拉强度减小,而冻融损伤量增大;随气孔比表面积的增加,BF-SP-FAC抗压强度和抗拉强度增大,而冻融损伤量减小。气孔比表面积是影响BF-SP-FAC强度的最主要因素,而气泡平均弦长是影响BF-SP-FAC冻融损伤量的主要因素,最小灰熵关联度分别为0.998和0.993。气孔结构参数与强度、冻融损伤关系的建立,可预估混凝土的强度与冻融损伤。      

单面盐冻条件下基于孔结构的玄武岩纤维混凝土抗压强度模型

通过单面冻融循环试验,研究不同玄武岩纤维掺量、冻融次数对混凝土抗冻性能和微观孔结构的影响;采用灰熵法分析微观孔结构参数对冻后混凝土抗压强度的影响规律;拟合得到不同冻融循环次数下玄武岩纤维贡献率公式;建立基于气孔比表面积、孔体积、玄武岩纤维贡献率的复合因素抗压强度模型。结果表明:不同纤维掺量下试件的抗压强度随冻融循环次数的增加逐渐减小,试件的含气量、气孔平均弦长和气孔间距系数随冻融次数的增加逐渐增大,试件的气孔比表面积随冻融次数的增加呈下降趋势。在本试验条件下纤维掺量为0.2%(体积分数)时混凝土抗冻性能最优。由灰熵分析可知,气孔比表面积和孔径小于100μm的孔体积与抗压强度的关联度较高。复合因素抗压强度模型与气孔比表面积、孔体积、玄武岩纤维贡献率之间回归效果显著,可预测单面冻融循环后玄武岩纤维混凝土抗压强度与孔结构的定量关系,评估寒冷地区玄武岩纤维混凝土的耐久性。     

硅烷防水剂改性CNT/水泥基复合材料的抗冻分析

通过采用3因素3水平的正交试验方法分别考察水灰比(W/C=0.3、0.32、0.35)、碳纳米管(CNT)掺量(wCNT=0.1%、0.2%、0.3%)、KH550掺量(wKH55=0.1%、0.3%、0.5%)对硅烷防水剂改性CNT/水泥基复合材料(rCNTRC)试件抗冻融破坏的影响。通过快冻法分析质量损失率(MLR)、相对动弹模量损失(RDM)指标测试rCNTRC的抗冻融循环能力。结果表明:W/C=0.32,wCNT=0.3%,wKH55=0.1%的抗冻性能最好,经150次冻融循环后,F10组的rCNTRC试件的MLR和RDM分别降低1.05%和18%左右。为发展抗冻性能优良的水泥基本征传感器提供了可能。     

3D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究

3D打印技术在建筑领域得到显著发展,为解决混凝土3D打印行业实现可持续发展。通过对再生粗骨料(RCA)取代率为0%、50%、100%的3D打印试件和铸模试件进行抗冻性能研究,结合3D打印再生粗骨料混凝土(3DPRAC)界面过渡区的电镜扫描分析其劣化成因。结果表明,在前200次冻融循环中RCA的掺入并没有明显降低3D打印混凝土的质量和动弹模量;在600次冻融循环后RCA为100%掺量的3D打印再生混凝土抗冻性能表现优于RCA掺量为50%。基于3D打印再生混凝土逐层堆叠的建造特点,提出了3DPRAC孔隙区域集中分布模型,揭示了3DPRAC冻融损伤劣化机理。建立的冻融损伤模型能够较好地反映3DPRAC抗冻性能变化规律。     

再生砖骨料混凝土力学性能劣化规律试验研究

为研究再生砖骨料混凝土在不同掺量和不同冻融循环次数下的力学性能变化。通过以红砖粗骨料掺量,钢纤维掺量,冻融循环次数为变量进行试验,研究以上因素对再生砖骨料混凝土力学性能的影响,并通过有限元软件建立有限元模型进行拟合分析。试验结果表明：随着红砖骨料取代率的增加,混凝土试件的立方体抗压强度逐渐降低,且当钢纤维掺量为1%时,再生混凝土试件的立方体抗压强度提高最为显著。抗冻性能方面,随着冻融循环次数的增加,再生混凝土试件的质量损失逐渐提高,且抗压强度逐渐下降。当冻融循环次数在50次以上时,试件强度的降幅趋于平缓。     

纳米碳纤维增强混凝土耐久性试验

为研究纳米碳纤维对混凝土耐久性的改善效果,进行了不同体积掺量(0.1%,0.2%,0.3%,0.4%和0.5%)下纳米碳纤维增强混凝土的冻融循环实验、渗透实验以及碳化实验,另外通过SEM实验进一步探讨了纳米碳纤维对混凝土耐久性的微观改性机理。结果表明,纳米碳纤维能够通过纤维桥接、孔隙填充两种方式改善了混凝土的微观形貌,显著提高了混凝土的耐久性;掺量为0.3%时,纳米碳纤维增强混凝土的抗冻融性能、抗渗性能和抗碳化性能均达到最佳;冻融循环次数相同,随着纳米碳纤维掺量的增加,混凝土的质量损失率和抗压强度损失率均先减小后增大;混凝土的渗水高度和相对渗透系数均随纳米碳纤维掺量的增加呈现先减小后增大的趋势;相同碳化龄期下,随着纳米碳纤维掺量的增加,混凝土的碳化深度先减小后增大;但掺量为0.5%的纳米碳纤维增强混凝土的抗冻融性能、抗渗性能和抗碳化性能仍优于素混凝土。     

盐冻作用后风积沙混凝土孔结构对抗压强度影响的灰熵分析

为了研究盐冻环境下孔结构对风积沙混凝土抗压强度的影响，对不同风积沙掺量下的混凝土进行抗压强度和核磁共振孔结构试验。采用灰熵法分析孔结构特征参数对冻融循环后混凝土抗压强度的影响规律，在此基础上建立了不同冻融循环次数下孔结构参数和风积沙贡献率的复合型抗压强度模型。结果表明：混凝土的抗压强度和束缚流体饱和度随着冻融循环次数的增加逐渐降低，孔隙率和自由流体饱和度随着冻融循环次数的增加逐渐增大。30%以内风积沙掺入对混凝土的抗冻性能具有一定增强作用，20%的风积沙对混凝土抗盐冻后的抗压强度、孔隙率和束缚流体饱和度的抗损伤劣化提升效果最为明显。由灰熵分析可知，束缚流体饱和度和孔径小于10μm的孔体积占比与抗压强度的关联度较高。本研究建立了混凝土抗压强度与束缚流体饱和度、孔径小于10μm的孔体积占比和风积沙有效贡献率的抗压强度复合模型，模型拟合度较高。本研究可为风积沙混凝土在西北地区的推广提供理论基础。     

硫酸盐环境下混凝土裂缝矿物自愈合性能研究

研究了30%粉煤灰混凝土在4种预加载损伤程度下,于清水和5.0%硫酸盐环境中的裂缝矿物自愈合性能,并对其自愈合产物进行了微观测试。采用相对动弹模量和抗压强度的相对变化来表征裂缝自愈合程度,探讨了5.0%硫酸盐溶液、30%粉煤灰、4种预加载程度和4个自愈合养护龄期对混凝土裂缝矿物自愈合的影响。试验结果表明,5.0%硫酸盐在设计的自愈合养护龄期内可以促进预加载损伤混凝土相对动弹模量和抗压强度的恢复;无论清水还是硫酸盐养护溶液,只有预加载程度较大时,30%粉煤灰对混凝土相对动弹模量和相对抗压强度的恢复才有显著的促进作用;5.0%硫酸盐溶液养护环境中,混凝土自愈合后的相对动弹模量和相对抗压强度的恢复能力都随着预加载程度的增大而逐渐降低,在28d自愈合养护龄期结束后,其混凝土相对动弹模量趋于稳定;微观测试分析结果表明,5.0%硫酸盐环境中的混凝土裂缝矿物自愈合产物成分主要是碳酸钙和少量钙矾石。     

乳化沥青橡胶混凝土的力学性能

对用乳化沥青(Emulsified asphalt,EA)改善橡胶混凝土(Crumb rubber concrete,CRC)的力学性能进行了研究。通过抗压、抗折、劈裂抗拉和三点弯曲试验,研究了5%、10%和15% 3种橡胶掺量(等体积取代细骨料)下,EA理论计算成膜覆盖橡胶颗粒表面4层、6层和8层膜对应不同EA掺量对CRC力学性能的影响。试验结果发现,对比未预处理CRC和NaOH预处理CRC两个对照组:掺入不同掺量EA后,不同橡胶掺量的CRC的抗压强度和劈裂抗拉强度均有较大提高,CRC的峰值位移显著增大,弯曲弹性模量E_b明显降低;乳化沥青与橡胶质量比为0.15(6层EA膜)时,3种橡胶掺量下CRC较未预处理组相比抗压强度平均提高3.5%,峰值位移提高27.6%,E_b降低21.8%,乳化沥青橡胶混凝土具有较突出的力学性能复合效应。      

硬化期受扰动混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能

凝结硬化期间的施工扰动,可能使混凝土产生砂浆微裂缝与骨料位移,进而影响其强度及耐久性。为分析硬化期扰动对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,采用振动台模拟工程扰动,借助超声波和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段,系统研究了硬化期受扰混凝土抗硫酸盐侵蚀的劣化规律,探讨了其损伤劣化机理。结果表明:临近初凝(贯入阻力值为3.5~11.5MPa)和临近终凝(贯入阻力值为19.5~28.0MPa)的扰动对混凝土影响较小,受侵蚀后试件质量和相对动弹模量的变化规律与未受扰混凝土基本一致。硬化中期(贯入阻力值为11.5~19.5 MPa)的扰动对混凝土性能影响明显,使混凝土抗压强度降低14%,抗折强度降低20%;硫酸盐腐蚀进程中,混凝土质量在90次循环后开始出现明显下降,相对动弹模量在130次循环后出现急剧下降,经250次循环后达到0.60,此时基准混凝土的相对动弹模量仍为0.90;SEM结果表明,受扰混凝土内部微裂纹增多,结构密实性变差,硬化期扰动加速了混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的劣化。     

碳纳米管-碳纤维复合改性混凝土力学性能研究

碳纳米管-碳纤维复合增强体(CNTs-CF)是一种在碳纤维(CF)表面引入碳纳米管(CNTs)构筑而成的新型纤维材料。按照利用CNTs-CF作为跨尺度增强组分对混凝土进行改性的思路，制备出五种CNTs-CF体积掺量(0%、0.1%、0.2%、0.3%和0.4%)的碳纳米管-碳纤维复合改性混凝土(CCMC),测试了CCMC的抗压强度、抗折强度、折压比(抗折强度与抗压强度的比值)及破坏形态等性能指标，进而结合扫描电镜(SEM)图像，分析了CNTs-CF对混凝土基本力学性能的增效机理。结果表明：掺加适量的CNTs-CF有利于混凝土抗压强度和抗折强度的提升，并且CNTs-CF在混凝土基体中的体积掺量存在相对最佳值。与未配置CNTs-CF的普通混凝土相比，当CNTs-CF体积掺量为0.3%时，CCMC的抗压强度提高了8.79%,抗折强度提高了27.76%。在本试验的纤维掺量范围内，CCMC的折压比随CNTs-CF体积掺量的增加呈现出递增趋势，提高幅度为8.47%～19.16%。掺入CNTs-CF后，混凝土的脆性破坏特征有所减弱，在受荷失效时，其仍可保持较好的完整性，坏而不散、裂而不断。CNTs-...     

正十四烷/石墨低温相变水泥基材料的制备及冻融损伤演化

以正十四烷(C14)为相变材料,膨胀石墨(EG)为载体,通过物理吸附法制备C14/EG复合相变材料,采用SEM、DSC、FTIR对C14/EG复合相变材料的微观形貌、相变温度、相变潜热、化学结构进行了测试。开展了外掺(与水泥质量比)0%、2%、4%、6%相变材料的相变储能水泥基材料(PCESM)快速冻融循环试验,分析了冻融循环对表面损伤、质量损失、动弹模量损失、抗压强度及孔结构的影响规律,揭示了PCESM冻融循环劣化机制。试验结果表明：C14能够较好地吸附在EG孔隙中,C14与EG之间有良好的相容性,二者未发生化学反应。由于C14/EG相较于水泥基材料为弱相,因此随着C14/EG相变材料掺量的提高,PCESM的力学性能随之下降,但抗冻性能随着C14/EG相变材料掺量的提高呈现先提高后降低的规律,C14/EG相变材料掺量为4%的PCESM抗冻性最优。     

纳米碳纤维增强混凝土抗冻性能试验

对六种不同纳米碳纤维掺量的72个纳米碳纤维/混凝土试件进行了慢冻融循环试验,通过测量纳米碳纤维/混凝土经不同冻融循环次数作用后的抗剥落能力、质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度损失率,研究了纳米碳纤维掺量对纳米碳纤维/混凝土抗冻性能的影响。另外进行了纳米碳纤维/混凝土的FE-SEM试验和压汞试验,分析了纳米碳纤维对纳米碳纤维/混凝土抗冻性能的微观改性机制。结果表明:纳米碳纤维通过改善混凝土的微观形貌,细化其孔隙结构,提高其整体性和密实度,显著改善了混凝土的抗冻性能;纳米碳纤维掺量为3vol%时,纳米碳纤维/混凝土的抗冻性能最佳。同普通混凝土相比,300次冻融循环后,纳米碳纤维/混凝土的相对动弹性模量提高了33.2%,抗剥落能力显著增强;相同冻融次数下,随着纳米碳纤维掺量的增加,纳米碳纤维/混凝土相对动弹性模量和抗压强度损失率均先增大后减小,质量损失率先减小后增大。但纳米碳纤维掺量最大为5vol%时,纳米碳纤维/混凝土的抗冻性能仍优于普通混凝土;冻融循环次数越多,纳米碳纤维对混凝土抗冻性能的改善作用越显著。      

不同因素对泡沫混凝土性能的影响

为探索泡沫掺量(质量分数，下同)、砖粉掺量、水料比(质量比，下同)和HPMC(羟丙基甲基纤维素)掺量、冻融循环对掺砖粉泡沫混凝土性能的影响，开展四因素五水平的正交实验，结合功效系数法确定掺砖粉泡沫混凝土最优配合比：泡沫掺量为3%、砖粉掺量为30%、水料比为0.55、HPMC掺量为0.05%。结果表明：掺砖粉泡沫混凝土的抗压强度随泡沫掺量的增加呈下降趋势，随砖粉掺量、水料比和HPMC的增加呈现先上升后下降的趋势，且随着冻融循环次数的增加，掺砖粉泡沫混凝土的强度均不断减小，原因是泡沫混凝土内部的完整气孔充分吸水之后结冰，导致气孔孔壁被挤压产生裂缝，原先密闭的孔洞变为有害孔洞，且随着冻融循环次数的增加，大量微小裂缝会拓展汇集成贯穿裂缝，严重降低泡沫混凝土强度，极大地影响掺砖粉泡沫混凝土的耐久性。     

硬化期受扰动混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能

凝结硬化期间的施工扰动,可能使混凝土产生砂浆微裂缝与骨料位移,进而影响其强度及耐久性.为分析硬化期扰动对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响,采用振动台模拟工程扰动,借助超声波和扫描电子显微镜(SEM)等测试手段,系统研究了硬化期受扰混凝土抗硫酸盐侵蚀的劣化规律,探讨了其损伤劣化机理.结果表明:临近初凝(贯入阻力值为3.5～11.5 MPa)和临近终凝(贯入阻力值为19.5～28.0 MPa)的扰动对混凝土影响较小,受侵蚀后试件质量和相对动弹模量的变化规律与未受扰混凝土基本一致.硬化中期(贯入阻力值为11.5～19.5 MPa)的扰动对混凝土性能影响明显,使混凝土抗压强度降低14％,抗折强度降低20％;硫酸盐腐蚀进程中,混凝土质量在90次循环后开始出现明显下降,相对动弹模量在130次循环后出现急剧下降,经250次循环后达到0.60,此时基准混凝土的相对动弹模量仍为0.90;SEM结果表明,受扰混凝土内部微裂纹增多,结构密实性变差,硬化期扰动加速了混凝土在硫酸盐侵蚀环境下的劣化.     

稻壳灰复合深度降解橡胶沥青流变特性

本研究优选掺量分别为0%、3%、6%、9%及12%的稻壳灰与20%掺量的深度降解橡胶沥青进行复合改性,然后进行了旋转黏度试验(RV)、动态剪切流变仪试验(DSR)、多应力蠕变恢复试验(MSCR)、弯曲梁流变仪试验(BBR)及荧光显微镜试验(FM),评价了其黏滞性能、高温性能、抵抗不可恢复变形性能、低温性能及微观特性。研究表明,随稻壳灰掺量的增加,稻壳灰复合深度降解橡胶沥青的黏度、高温性能及抵抗不可恢复变形能力提高,在180℃下的黏度均满足施工和易性要求。但相比掺量,温度对其黏度的影响敏感性更大;同时稻壳灰的掺入,可以提高其疲劳性能、低温性能及应力敏感性,改善深度降解橡胶沥青的内部微观结构,随掺量的增加,稻壳灰复合深度降解橡胶沥青由柔韧的“网络”结构向更稳定的“板体”结构转变,其中疲劳性能最佳掺量为6%,低温性能最佳掺量为3%。