桥用大掺量矿物掺合料混凝土的抗碳化性能及寿命预测

碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素.为掌握桥梁大体积混凝土工程用的大掺量矿物掺合料混凝土的抗碳化性能,通过加速碳化试验,研究了水胶比、矿物掺合料掺量及复合掺合料中粉煤灰与矿粉掺入比对混凝土碳化深度的影响,基于气体扩散理论碳化模型并考虑碳化残量,对大掺量矿物掺合料混凝土桥梁结构的碳化寿命进行预测.结果表明:当矿物掺合料...     

养护温度和矿物掺合料对蒸养混凝土脆性的影响

为了掌握蒸养混凝土的脆性特性,以脆性系数和冲击韧性为评价指标,研究了养护温度(20、45、55、65、75℃)及矿物掺合料对混凝土脆性的影响,并通过扫描电子显微镜和压汞仪分析了养护温度和矿物掺合料对混凝土水化产物微结构和孔结构的影响。结果表明,随着养护温度的升高或养护龄期的延长,混凝土的脆性系数增大,且蒸养降低了混凝土的冲击韧性,复掺粉煤灰和矿渣粉掺合料可以改善蒸养混凝土的脆性和抗冲击性能。较高养护温度导致水化产物结晶粗大,界面过渡区形成微裂缝和基体孔隙率增大,从而使蒸养混凝土脆性增大,复掺粉煤灰和矿渣粉掺合料改善了蒸养混凝土的孔结构和界面过渡区微结构。     

高阻抗高抗渗混凝土及其微结构特征

采用正交设计方法研究了矿物掺合料(粉煤灰和矿渣微粉)、轻集料(页岩陶砂)和聚合物(聚乙烯醇可再分散性乳胶粉)复合使用对混凝土电阻率和抗氯离子渗透性能的影响,上述材料对混凝土电阻率的影响效果由大到小的顺序依次为:聚合物、矿物掺合料、轻集料,对抗氯离子渗透性能的影响效果由大到小的顺序依次为:轻集料、矿物掺合料、聚合物。当矿物掺合料取代30%的水泥(质量分数),且其中粉煤灰和矿渣微粉质量比为3:7,轻集料取代河砂的体积率为30%,聚合物掺量为胶凝材料总质量的1.5%时,混凝土具有最佳的高阻抗和高抗渗特性。3种功能材料复掺明显提高了混凝土密实程度,优化了混凝土的界面过渡区,并且聚合物在水泥石和集料界面能够成膜,从而使得混凝土具有高阻抗和高抗渗的特性。     

复掺超细掺合料的高性能混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究

通常采用低水胶比、掺加高效减水剂和大掺量超细掺合料可有效改善混凝土水泥石、界面过渡区两个微结构,大大提高混凝土密实度,使混凝土强度、抗渗性、抗侵蚀性高性能化,特别是复掺超细掺合料的高性能混凝土有更佳的宏观性能。针对单掺Ⅱ级粉煤灰混凝土早期强度低的弱点,采用Ⅱ级粉煤灰和YK-Ⅲ高耐久性混凝土矿物外加剂复掺的高性能混凝土,不仅提高了各龄期强度,而且在硫酸盐侵蚀试验中,取得了优异的抗蚀效果。     

纳米碳酸钙改性再生混凝土疲劳性能

为研究纳米改性再生混凝土的疲劳性能,对其疲劳寿命进行估计并建立疲劳方程。以不同再生骨料取代率(0%、30%、50%,质量分数)与纳米CaCO₃掺量(0%、1%,质量分数)为主要影响因素,设计了不同应力水平(0.75、0.80、0.85)下的疲劳循环加载试验。结果表明:混凝土的弹性模量随再生粗骨料取代率的增大而减小,掺入纳米CaCO₃可以提高混凝土的弹性模量并优化破坏形态,有效提升整体性;循环荷载下的疲劳寿命随最大应力水平增大而快速缩短,1%的纳米CaCO₃改性可以使疲劳寿命延长60%;以双对数S-N(应力水平-疲劳寿命)曲线建立疲劳寿命方程,并推导出考虑寿命概率的P-S-N曲线,得到的相关系数随再生粗骨料取代率的增加而快速减小,经纳米改性后有所增大;再生混凝土的疲劳应变演化基本符合三阶段应变曲线发展规律,提出新方程描述再生混凝土第二阶段应变曲线,并建立变形量与循环比的关系式。     

矿物掺合料的复合效应及对混凝土性能的影响

选用硅灰、粉煤灰、矿渣粉及偏高岭土等活性矿物掺合料,控制活性掺合料的总掺量为胶凝材料的40%等量取代水泥,采取单掺、双掺、三掺的方式配制混凝土,通过对比各组混凝土试样的力学性能、抗腐蚀性能及微观结构,探讨活性矿物掺合料的复合效应以及对混凝土性能的影响.     

温度匹配养护对大掺量矿物掺合料混凝土抗压强度及早期水化性能的影响

大体积混凝土由于胶凝材料水化放热,其内部温升对混凝土强度发展规律有很大影响.采用温度匹配养护和标准养护两种不同的养护方式,研究了单掺40％粉煤灰、单掺50％矿粉以及复掺30％粉煤灰和20％矿粉三种大掺量矿物掺合料混凝土与纯水泥、单掺20％粉煤灰两种普通混凝土在不同温度养护条件下的抗压强度差异,并对胶凝材料水化早期的浆体进行了扫描电镜和化学结合水测试.结果 表明:与纯水泥混凝土相比,温度匹配养护对大掺量矿物掺合料混凝土早期强度发展的促进作用要显著得多,且大掺量矿物掺合料混凝土温度匹配养护方式下的各龄期强度均比标准养护方式下的要高,然而纯水泥混凝土温度匹配养护条件下的后期强度却要低于标准养护条件下的后期强度.温度匹配养护方式下较高的早期水化温度显著加速了大掺量矿物掺合料混凝土的水化反应进程,从而使大掺量矿物掺合料混凝土的早期强度提高.     

矿物超细粉混合骨料混凝土微观结构研究

利用扫描电镜(SEM)观察冻融试验前后单掺粉煤灰和复掺粉煤灰、硅粉时混合骨料混凝土的骨料-水泥石界面过渡区(ITZ)的微观结构和水化产物,从微观层面分析矿物超细粉对混合骨料混凝土抗冻性能的影响.SEM分析结果表明:单掺30％粉煤灰比复掺20％粉煤灰与10％硅粉的界面结构劣化严重,并且粉煤灰与硅粉复掺和未掺掺合料的混凝土界面结构与抗冻性能较为接近.因此采用20％粉煤灰与10％硅粉复掺来替代部分水泥可以保证混凝土具有较好抗冻性能.     

提高中等强度等级混凝土抗氯离子渗透性能的研究

通常可采用提高混凝土强度的方式来提高混凝土的抗氯离子渗透性能,但实践证明该方法不一定能达到预期工程目标.本文通过4因素3水平正交试验研究了混凝土强度与氯离子渗透能力之间的关系.选择水胶比、矿物掺合料掺量、胶凝材料总量、石灰石粉占矿物掺合料的比例等4个影响因素,得出以下结果:对于混凝土强度,矿物掺合料是影响最大的因素,而石灰石粉的影响是最小的;但对于混凝土抗氯离子渗透性,石灰石粉掺量是影响最大的因素.石灰石粉掺量增加可降低混凝土强度,但可增加抗混凝土氯离子侵蚀的能力.可通过调整石灰石粉的掺量来增强混凝土抗氯离子侵蚀能力并控制其强度不致过高.存在使混凝土最密实,混凝土抗氯离子渗透性最好的最优石灰石粉掺量.     

基于模糊决策理论的衬砌混凝土胶凝材组成优化研究

在胶凝材中掺入矿物掺合料是实现混凝土高性能的一条必要途径.混凝土的高性能主要包括高工作性能、高力学性能和高耐久性能,因此混凝土性能的评价指标和影响因素是多方面的,故很难依据诸多评价指标直观判断混凝土综合性能的优劣.通过对不同矿物掺合料配方胶凝材混凝土性能试验以及成本核算,对比分析矿物掺合料种类和掺量对混凝土性能以及工程造价的影响,并利用模糊多属性决策理论对混凝土性能进行综合评价,从中优选出适用于侵蚀环境条件下隧道衬砌高性能混凝土胶凝材配方(即矿物料合料掺人种类和掺量范围).试验和理论分析表明:多掺矿物掺合料混凝土综合性能最优,复掺矿粉、粉煤灰混凝土性能次之,又因矿粉和粉煤灰是炼钢、发电等工业副产品,将其等量掺入水泥中,可大大节约资源,有效利用了工业废料,实现节能减排.     

Fatigue-induced deterioration of the interface between micro-polyvinyl alcohol (PVA) fiber and cement matrix

Quality of interfacial bond between fibers and matrix determines the post-cracking behavior of fiber-reinforced composites. Fatigue-induced interface deterioration between fibers and matrix has not been investigated systematically which prevents understanding of premature failure of fiber-reinforced composites subject to fatigue. This study experimentally investigated the deterioration mechanism of flexible fibers in brittle matrix subject to fatigue load. Specifically, the effect of fatigue-induced deterioration of interface between micro-PVA fiber and cement matrix was studied through the single fiber fatigue pullout tests and the micro-structural deterioration mechanism of the fiber-matrix interface under fatigue load was unveiled. It was found that fatigue load leads to fiber debonding which can be described by an empirical relation similar to the Paris' law. Fatigue-induced interface hardening can occur during fiber debonding stage as well as fiber slippage stage. Oil-treatment on surface of micro-PVA fiber was demonstrated as a mean to mitigate such fatigue-induced interface hardening.     

Compressive fatigue damage and failure mechanism of fiber reinforced cementitious material with high ductility

The fiber reinforced cementitious material with high ductility has potential use in particular environments and structures that undergo repeated or fatigue loads. In this study, a series of monotonic and fatigue tests were performed to investigate the compressive fatigue behavior of this material. It is found that the fatigue life of this material is higher than that of plain concrete and steel fiber reinforced concrete under the same stress level. In addition, the failure deformation of fiber reinforced cementitious material with high ductility under fatigue load was larger than the monotonic envelope, while the envelope coincides with the monotonic loading curve for concrete or fiber reinforced concrete. The failure surface and damage process were investigated and a new failure mode of polyvinyl alcohol fiber with crushed end was discovered. The fatigue failure surface could be divided into three regions, including fatigue source region, transition region and crack extension region.     

氯离子侵蚀下受弯梁耐久性可靠度评估

以弯矩与抗弯承载力之比作为荷载水平指标,对氯离子在混凝土受弯梁中的扩散行为进行研究,建立荷载水平与氯离子扩散系数的函数关系,进而提出考虑荷载作用下钢筋表面氯离子浓度达到临界值的极限状态方程及相应耐久性可靠度计算方法.结合算例,对浪溅区混凝土梁构件在不同荷载水平下的耐久性可靠指标进行计算.结果表明:荷载水平对耐久性可靠指标β的影响较为显著,不考虑荷载作用时结构的耐久性可靠指标比考虑荷载作用时耐久性可靠指标偏高100%以上.从确保服役混凝土梁构件达到预期耐久性要求出发,建议对应浪溅区设计使用年限分别为30年、50年以及100年梁构件,相应的最小保护层厚度应分别取为60 mm,65 mm和75 mm,相应的最大水灰比限值均建议取为0.36.     

再生保温混凝土抗冻性能的细观研究

再生粗骨料和玻化微珠保温骨料的加入,会导致再生保温混凝土(RATIC)内部形成复杂的孔隙结构。为了进一步揭示冻融作用下再生保温混凝土的劣化机理,在宏观试验的基础上,通过CT扫描细观试验分析了不同再生粗骨料取代率的RATIC试件在冻融作用下的裂缝发展规律和孔隙特征。试验结果表明:新旧水泥砂浆界面过渡区是冻融循环作用下RATIC的薄弱环节,试件内部多数裂缝产生于新旧水泥砂浆界面过渡区;试件的相对孔隙率是定量反映RATIC试件内部冻融破坏规律的重要指标。     

钢纤维高强水泥基复合材料的界面效应及其疲劳特性的研究

通过综合分析提出，钢纤维与水泥基体、集料与水泥浆的界面层不仅可以改善和强化，而且经有效地调整界面区的组成和结构，界面层及其薄弱特征完全能够消失，并且还有丙强化的可能，再强化程度则与界面区组成结构密切相关，这是扩大纤维效应范围、强化空间随机叠加、配制高性能水泥基复合材料的理论基础，本工作还研究了界面效应与高强混凝土，钢纤维高强水泥基复合材料在反复荷载作用下疲劳特性的关系，实验结果表明，因钢纤维与硅灰     

自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性

为有效增强路面混凝土耐久性能,基于盐冻试验、盐冻前后的断裂性能试验及弯拉荷载疲劳试验,探索了高吸水性聚合物(SAP)自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性随SAP掺量、粒径的变化规律,并结合自养护水泥浆体孔隙参数、微观形貌及骨料-水泥石界面过渡区(ITZ)特征,揭示了性能影响机理。结果表明:小粒径SAP形成的残留孔洞能有效释放拉应力,降低结冰点,细化孔结构,从而增强路面混凝土抗盐冻性能;当SAP粒径为100目(150 μm),掺量为0.145%(质量分数)时,路面混凝土在冻融30次时的断裂韧度损失率、断裂能损失率分别比基准组降低了25.25%、10.51%;小粒径SAP对疲劳寿命的提升程度随应力水平的提高而增大,当应力水平为0.80时,自养护组的疲劳寿命相比基准组提升了2.65倍;SAP能够有效提升水泥混凝土结构内部密实度,吸持ITZ区域部分水分,增强水泥石和骨料之间的粘结性,从而改善混凝土抗盐冻性能和疲劳特性。     

多孔水泥基混凝土疲劳方程的建立及应用

作为水泥混凝土或沥青路面基层的多孔混凝土和面层一起受到荷载和温度的反复作用,因此,在路面应力分析和结构设计中需考虑它的疲劳性能。在多孔混凝土小梁弯拉疲劳实验的基础上,通过分析疲劳寿命实验数据的概率分布,得出其疲劳寿命服从双参数Weibull分布,并依次回归出不同应力水平和等效应力水平下两种形式的疲劳方程。根据疲劳方程提出了以多孔混凝土作为水泥混凝土路面下面层应力计算的荷载疲劳应力系数,沥青路面基层层底拉应力验算的抗拉强度结构系数,建立了进行路面结构设计的轴载换算模型。     

基于均匀化理论的混凝土等效弹性模量预测

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及骨料-水泥砂浆间界面过渡区构成的三相复合材料,基于Python语言,运用蒙特卡罗方法建立具有周期性的混凝土单胞模型,结合均匀化理论和周期性边界条件,提出了考虑界面层作用的混凝土等效弹性模量预测方法。采用已有文献结果验证了模型预测值的有效性,在此基础上,进一步研究单胞尺寸、界面层厚度、骨料体积率及骨料最大粒径对混凝土等效弹性模量的影响规律。结果表明,混凝土单胞模型可有效预测混凝土复合材料的弹性性能,与已有方法预测结果的误差范围为1.87%～4.97%,混凝土单胞模型的尺寸建议以150 mm为宜,20%～40%内的骨料体积率对混凝土等效弹性模量的影响最为明显,而界面层厚度与骨料最大粒径对混凝土弹性模量的影响较小,呈单调递减或单调递增的影响规律。     

Monotonic and fatigue performance in bending of fiber-reinforced engineered cementitious composite in overlay system

This paper presents an experimental study and theoretical analyses on the monotonic and fatigue performance in bending of a polyvinyl alcohol (PVA) fiber-reinforced engineered cementitious composite (ECC) overlay system. The influence of the interfacial characteristics between overlay and old concrete substrate on the overall bending performance is investigated. The experimental results show that when ECC is used as overlay material, both load carrying capacity and deformability represented by deflection at peak load of the overlaid beams in flexure are significantly increased compared to those of plain concrete (PC) overlaid beams. The fatigue life of ECC overlaid beams in flexure is not influenced by the layer/base interfacial characteristics, such as smooth cutting surface or sand-blasted rough surface. However, the deformation ability of the overlaid beams, such as deflection at midpoint of beam, in both static and cyclic loading cases are influenced by the interfacial property. The smooth casting surface leads to larger deformation at peak load under monotonic loading and at failure under fatigue loading than the corresponding values for beams with a rough casting surface. The present study demonstrates that reflective cracking failure in pavement overlays can be eliminated by the use of a ductile material such as ECC.