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。     

单面冻融环境下CBC相对动弹性模量预测模型

为了解水泥基复合材料(cement-based composite, CBC)在复杂冻融环境下耐久性能的劣化规律,采用单面冻融试验来评价水泥基材料在水和硫酸钠溶液中的耐久性,分别测试了其宏观性能(剥落量、相对动弹性模量)和微观孔结构参数(含气量、气泡间距系数、气泡比表面积、气泡平均弦长)。运用灰色关联理论,计算孔结构参数和相对动弹性模量的关联度以评价其对宏观性能的影响并建立了基于孔结构参数的相对动弹性模量预测模型。     

-3 ℃养护下引气混凝土渗透性能与孔结构特性

在(-3±0.2)℃养护下以引气混凝土为研究对象,研究了28d时不同含气量下混凝土抗氯离子渗透性能与孔结构特性之间的关系。研究结果表明:混凝土的电通量及氯离子迁移系数随含气量的增加而逐渐增大,不遵循标养下的规律;混凝土的气泡弦长随着含气量的增加逐渐增大;混凝土硬化后气泡间距指数随含气量的增加而减小,但比标养下混凝土硬化后气泡间距指数要大得多;理论计算出的比表面积随着含气量的增大而增大,实测的比表面积与含气量存在相关性。     

消泡剂和增稠剂复掺对模袋混凝土抗冻性的影响

为使模袋混凝土在大流动性下达到高抗冻性,应用正交试验法研究了含气量、消泡剂和增稠剂对混凝土工作性和抗冻性的影响。结果表明,含气量和消泡剂掺量是影响模袋混凝土相对动弹性模量的显著因素,且含气量影响效果显著大于消泡剂掺量,增稠剂掺量对相对动弹性模量的提高幅度较小。消泡剂和增稠剂复掺能够达到协同改善模袋混凝土工作性、孔结构和抗冻性的效果,当含气量为5vol%~6vol%时,0.15wt%消泡剂和0.03wt%增稠剂复掺使模袋混凝土含气量损失率减小了64.28%、扩展度损失率减小了55.04%;主要消除有害大气泡数量达81.38%,增加小气泡数量达14.89%,使气泡间距系数减小了11.54%,气泡比表面积减小了20.49%,相对动弹性模量增大了11.97%。气泡间距系数和气泡比表面积均与相对动弹性模量具有良好的相关性;当气泡间距系数不大于361 μm、气泡比表面积不小于16.13 mm?1时,模袋混凝土抗冻等级可达F300。通过对试验结果的回归分析,建立了模袋混凝土抗冻性预测模型。      

短切玄武岩纤维混凝土力学性能试验与分析

为了研究短切玄武岩纤维掺量变化对混凝土基本力学性能的影响,对6种不同体积掺量的短切玄武岩纤维混凝土(BFRC)分别进行立方体抗压、轴心抗压、劈裂抗拉、抗折试验;基于试验结果,通过BP(Back Propagation)神经网路强度预测模型的构建,对附加纤维掺量的混凝土进行强度训练及预测。试验实测数据表明:掺入短切玄武岩纤维对混凝土早期抗压强度的发展有着延缓作用;当纤维掺量为0.1%时,抗压强度达到峰值。随着纤维掺量的增加,劈拉强度增幅较大,抗折强度保持上升趋势。通过BP神经网络的训练及发展趋势预测,结果表明:当纤维体积掺量为0.1%时,抗压强度达到最大值;劈拉强度与抗折强度则随着纤维掺量的增加而持续增大。基于试验数据及预测结果,得出短切玄武岩纤维的最佳体积掺量。     

冻融条件下玄武岩纤维混凝土断裂韧度研究

该文使用数字图像相关方法实时观测三点弯试验中切口混凝土梁全场变形,分析混凝土梁断裂破坏过程中水平位移和应变的变化规律,基于切口处水平位移和应变变化规律确定起裂荷载,并研究冻融循环次数和纤维掺量对混凝土起裂韧度、失稳韧度、临界开口位移的影响,结果表明:对于C30混凝土而言,起裂韧度和失稳韧度随冻融次数的增加而减小,降幅约为0.6 MPa·m1/2~0.80 MPa·m1/2,两种韧度随玄武岩纤维掺量增加有小幅增加,最大增幅分别约为0.1 MPa·m1/2和0.2 MPa·m1/2,说明玄武岩纤维能提高C30混凝土的抗冻性,但提高程度是一定的,玄武岩纤维不能完全抑制冻融对混凝土的损伤;纤维掺量对失稳韧度的提高幅度要比起裂韧度大;起裂韧度增益比和失稳韧度增益比都随纤维掺量增加先增大后减小,两种韧度增益比均在纤维掺量为2.0 kg/m3时最大,因此,在混凝土强度等级为C30时,2.0 kg/m3可作为最佳纤维掺量;临界开口位移随冻融次数增加而增大,随纤维掺量变化效果不明显,与纤维增强作用相比冻融损伤是影响断裂过程变形性能的主要因素;最后在试验结果的基础上,建立了起裂韧度和失稳韧度随纤维掺量和冻融次数的拟合模型。     

微胶囊-玄武岩纤维/水泥复合材料的力学性能

以水泥、玄武岩纤维和脲醛/环氧树脂微胶囊为主要材料,制备水泥基复合材料标准试样,研究纤维掺量、纤维长度、微胶囊质量分数、水灰质量比和养护龄期对复合材料抗折强度和抗压强度的影响,利用正交实验确定微胶囊-玄武岩纤维/水泥自修复复合材料力学性能的最优配比。实验结果表明：抗折强度随着纤维掺量的增加而增加,抗压强度随着纤维掺量增加而减小;随着纤维长度的增加,抗折强度略有增加,抗压强度略有降低;抗折强度随着微胶囊质量分数的增加呈现出先增加后减小的趋势,而抗压强度则呈现下降趋势;抗折强度与抗压强度随养护龄期的增加而呈增加的趋势;材料经损伤后修复,抗折强度修复率为117%,恢复率为103%,抗压强度修复率为71%,恢复率为97%。     

高分子固化剂-玄武岩纤维/砂土复合材料强度特性

通过单轴抗压、快速剪切和抗拉试验,对高分子固化剂（PCA）-玄武岩纤维/砂土复合材料（Sand mixed with polymers and basalt fiber,PBS）的强度特性进行较深入的研究,对比分析了高分子固化剂含量、玄武岩纤维含量（与砂的质量比）和砂土密度对复合砂土材料强度的影响,并结合试验结果和SEM分析了PCA-BF/砂土的强度增强机制。试验结果表明:PCA-BF/砂土的抗压强度、抗剪强度和抗拉强度与纯砂土相比均有明显增强,且残余抗压强度随高分子固化剂含量增大而不断提高;随着高分子固化剂含量和玄武岩纤维含量增加,PCA-BF/砂土强度先快速增大,当PCA和纤维含量分别达到3%和0.6%时增幅变缓;随砂土密度的增大,PCA-BF/砂土的抗压强度和抗剪强度持续增大,而抗拉强度先减小后增大再减小,在砂土密度为1.55 g/cm3时达到最大抗拉强度。高分子固化剂能够在砂粒之间形成空间网络,使分散的砂土颗粒连接成为一体,且纤维与土体混合后能够起到拉筋作用,从而共同作用有效改善了复合砂土材料的强度特性。      

玄武岩-聚丙烯混杂纤维增强混凝土气孔结构分形分析

采用Rapid Air 457气孔分析仪测试了玄武岩-聚丙烯混杂纤维增强混凝土(HBPRC)的气孔结构,分析了不同纤维添加方式对混凝土累计气孔含量和气孔表面分形特征的影响。研究结果表明,玄武岩纤维、聚丙烯纤维以及玄武岩-聚丙烯混杂纤维的掺入使混凝土的累计气孔含量增大了76.5%～354.1%,并且混凝土的累计气孔含量随纤维掺量的增加而增大。HBPRC的气孔结构具有明显的分形特征且其分形特征具有尺度相关性,在小孔隙区、中孔隙区、大孔隙区和超大孔隙区,气孔面分形维数(D_S)依次增大,但在孔径大于1 500μm的区域没有分形特征。随着纤维的掺入,混凝土大孔隙区和超大孔隙区的D_S发生了明显的变化,单掺0.1%(体积分数,下同)的玄武岩纤维或0.1%的聚丙烯纤维增大了大孔隙区和超大孔隙区的D_S;掺入0.1%的玄武岩-聚丙烯混杂纤维对大孔隙区和超大孔隙区D_S的影响较小;而掺入0.2%的玄武岩-聚丙烯混杂纤维显著减小了超大孔隙区的D_S。通过细观分析,认为纤维形成的网络结构对混凝土拌合过程中气...     

低模量聚酯纤维/水泥基复合材料抗冲击性能及损伤机制

研究聚酯纤维长径比、掺量对混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性及冲击荷载等力学性能的影响;运用复合材料理论和纤维间距理论对聚酯纤维/混凝土增韧阻裂机制进行研究,结合SEM观察微观形貌分析纤维长径比与掺量对增韧阻裂机制的影响;采用正交试验设计方法及激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)研究冲击高度、试件厚度、长径比及掺量对纤维/混凝土抗冲击性能的影响。结果表明,长径比为300与600的聚酯纤维会降低混凝土抗压强度,低掺量长径比为150的聚酯纤维通过提高混凝土致密程度使混凝土抗压强度有所提升;在抗拉强度方面长径比为150的聚酯纤维主要以缺陷形式存在,长径比为300的聚酯纤维对改善混凝土内部拉结作用最显著,3%(与胶凝材料体积比)掺量聚酯纤维对提高混凝土抗折强度最显著;对于混凝土断裂韧性,长径比为300与600的聚酯纤维/混凝土断裂韧性提高明显,通过SEM微观形貌发现纤维拉结作用产生的微裂纹会提高混凝土耗能能力,从而提高混凝土极限荷载与破坏时中心挠度,长径比为300的聚酯纤维/混凝土抗拉强度变化规律与复合材料理论和纤维间距理论分析结果较吻合;冲击高度为影响冲击荷载大小的主要因素,纤维长径比较纤维掺量影响较大,通过LSCM三维损伤形貌分析得出长径比为150的聚酯纤维对混凝土材料损伤改善效果较显著,同等掺量下长径比为150的聚酯纤维间距较小导致混凝土局部力学性能提高,从而提高混凝土抗冲击性能。      

Air-void structure,strength, and permeability of wet-mix shotcrete before and after shotcreting operation: The influences of silica fume and air-entraining agent

It is well known that the air-void structure of hardened concrete has substantial effects on the mechanical properties and durability of concrete. In this study, laboratory evaluations were conducted to quantify the effects of air-entraining agent (AEA) and silica fume on the air-void characteristics of wet-mix shotcrete (WMS) before and after shotcreting process. For this purpose, a high-resolution image analyzer capturing elaborate graphical layouts of air-void structure using the linear transverse method was employed. Also, this study examined the effects of air-void characteristics, such as air content and spacing factor, on the strength and permeability of WMS. Based on the findings of this study, it can be concluded that: (1) shotcreting process considerably reduces overall air contents in WMS; (2) incorporating AEA with a 4.5% silica fume replacement ensures both satisfactory spacing factor and good retention of small entrained air bubbles even after shotcreting, which may improve the freeze-thaw and scaling resistance; (3) the compressive and flexural strengths of WMS were reduced as the air content increased and average spacing factor decreased; and (4) the air content affected the permeability of WMS, but no consistent correlation was found between spacing factor and permeability.     

高强混凝土材料细观冻融损伤与抗压强度的关系

为研究高强混凝土冻融损伤机理及其与抗压强度之间的关系,采用RapidAir结合金相显微镜的方法,实现对混凝土细观冻融损伤的连续观察,探究了细观结构对冻融的敏感程度以及细观破坏对宏观破坏的影响规律.结果表明:对高强混凝土而言,较低的含气量和较大的气泡间隔系数并不意味着较差的抗冻性;孔隙群的冻融响应敏感,且微裂缝出现较早,该区域的缺陷增长能与冻融前期混凝土抗压强度线性下降很好地对应,但此时混凝土的抗压强度下降并不明显;相对孤立的孔和砂浆与粗骨料的界面过渡区较不敏感,这些区域出现损伤后,混凝土的抗压强度逐渐非线性下降,预示着混凝土即将冻碎.     

玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴拉伸及准静态压缩性能

为研究玄武岩纤维增强泡沫混凝土的力学性能,共设计了52组试件,讨论了玄武岩纤维体积掺量和纤维长度对各密度试件的拉伸和压缩性能的影响。结果表明：玄武岩纤维可显著提高试件的抗拉峰值应力(最大提升达到737%)和峰值应变(最大提升达到833%),可有效改善中高密度试件的受拉失效模式,使其出现伪应变硬化现象,提升了试件的抗拉承载能力和变形能力。试件抗拉峰值应力和峰值应变随纤维体积掺量增大而增大,随纤维长度增长先增大后降低;另一方面,玄武岩纤维能改变试件的受压破坏模式,使其从纵向劈裂破坏转变为斜向剪切破坏和横向压溃破坏,显著提高了中低密度试件的抗压承载力和吸能能力(最大提升达到328%)。试件的吸能能力随纤维体积掺量增大而增强,随纤维长度增长先提升后降低。     

聚乙烯醇纤维增强偏高岭土-水硬石灰砂浆材料性能的研究

针对偏高岭土-水硬石灰砂浆材料抗拉强度低、极限延伸率小、性脆的问题,为了提高其韧性和稳定性,增强其抗裂能力,设计并制备了聚乙烯醇(PVA)纤维掺杂偏高岭土-水硬石灰砂浆材料,开展了PVA纤维不同掺量、不同长度下偏高岭土-水硬石灰砂浆材料收缩率、波速、抗压强度、抗折强度及劈裂抗拉强度的试验研究,通过扫描电镜观察分析了PVA纤维在偏高岭土-水硬石灰砂浆材料中的微观作用机理。结果表明:PVA纤维改变了偏高岭土-水硬石灰砂浆的收缩率和内部结构。试样的抗折强度和劈裂抗拉强度随着纤维增加而增大,抗压强度会在纤维长度一定时随着掺量的增多而降低。PVA纤维对砂浆材料整体性有明显改善,受压后仍能够保持着较好的原样性,纤维和砂浆基体之间产生了机械铆合作用,具有较好黏结性。     

Probabilistic evaluation of concrete freeze-thaw design guidance

A novel limit-state function using Powers’ models is developed to assess current freeze-thaw exposure categories and design criteria for concrete placements established by American, Canadian, and European standards organizations. Based upon performance assessments by standardized accelerated testing, the current specifications are shown to provide sufficient levels of reliability pending an appropriate mean air-void spacing factor. Sensitivity assessments of the model demonstrate that the spacing factor, saturation state, permeability, and freezing rate significantly influence the response of the air-entrained concrete. The model is validated with a large dataset derived from standard freeze-thaw tests, and an equation is developed to probabilistically design concrete for freeze-thaw resistance.     

喷射FRP加固震损钢筋混凝土柱抗震性能试验

通过12组72件喷射纤维/树脂复合材料(FRP)试样的拉伸强度试验,研究了纤维种类、树脂基体材料、纤维体积分数、纤维混杂比及纤维长度等因素对喷射FRP拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率等性能的影响。通过8根钢筋混凝土(RC)柱试件的拟静力试验,研究了喷射玄武岩纤维/树脂复合材料(BFRP)和混杂玄武岩-碳纤维/树脂复合材料(BF-CFRP)加固震损RC柱的抗震性能,分析了喷射FRP层厚度、纤维混杂比、柱预损程度和柱轴压比等对加固试件的极限承载力、抗侧变形能力、刚度退化特征和滞回特性的影响。结果表明:玻璃纤维与乙烯基酯树脂基体的协同工作性能最优,而玄武岩纤维具有耐久性高、延性好、与乙烯基酯树脂基体协同工作性能好等优良性能,可以作为玻璃纤维的良好替代品;玄武岩纤维混杂少量比例的碳纤维作为树脂基体增强材料,可以有效提高喷射FRP的拉伸强度和变形性能;震损RC柱经喷射FRP加固后,可以基本恢复其震损前设计极限承载力,并有效提高其延性和耗能能力。该加固方法可以对地震区已震损RC柱进行快速加固,有效防止整体结构在余震中发生倒塌等严重破坏。      

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%。      

Determining optimum air-void spacing requirement for a given concrete mixture design using poromechanics

The frost resistance of concrete is a function of the concrete constituent properties, entrained air-void system parameters and environmental exposure history. However, only a single maximum value for the void spacing factor is specified for all types of concrete by code writing bodies for successful protection against freezing damage. The advent and utilisation of new materials over the recent years warrant reevaluation of the validity of this single pass/fail criteria established more than 50 years ago. Here, a poromechanical model, capable of incorporating concrete constituent properties, environmental exposure and air-void spacing factor, has been used to determine the role of various concrete constituents and air-void system on the damage propensity of concrete exposed to freezing temperatures. It is found that a maximum threshold of acceptance, for instance a 0.2 mm spacing factor, may not be adequate for all concrete mixture designs subject to various cooling conditions. The model also suggests that concrete with low-porosity, low-permeability mortar matrix, a characteristic property of mortar containing supplementary cementitious materials and/or low water to cement ratio, can perform satisfactorily under freezing temperatures even with a spacing factor greater than the recommended value. If utilised for design, this model will give more freedom to practitioners in ensuring concrete durability by controlling multiple factors including the concrete mixture components and proportions rather than just satisfying a single pass/fail criterion for void spacing factor for all concrete mixtures.