含粗骨料超高性能混凝土力学性能研究及机理分析

为探索含粗骨料超高性能混凝土的各项力学性能,研究了粗骨料体积掺量(0kg/m~3、280kg/m~3、400kg/m~3、480kg/m~3、560kg/m~3)、纤维掺量(2%、2.5%)以及纤维形态(平直型、端钩型)对超高性能混凝土抗压强度、弹性模量以及四点弯曲强度的影响,并引入纤维取向系数和纤维有效长度,探索粗骨料掺量对弯曲强度影响的微观机理。结果表明,粗骨料体积掺量对含粗骨料超高性能混凝土抗压强度的影响不大(0.4%~4.5%);对弹性模量的提高效果显著,最高可提高7.8%;对抗弯强度具有不利影响,并且随着粗骨料掺量增大,纤维取向系数下降,纤维有效长度减小,负面影响扩大。当粗骨料体积掺量为560kg/m~3时,弯曲强度下降了21.2%。增加纤维掺量或者掺入端钩型纤维可提高弯曲强度,掺入端钩型钢纤维可显著增大纤维有效长度,从而大幅度提高弯曲强度。     

超高性能混凝土动态冲击拉伸性能研究

超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)作为一种具有超高物理力学性能的新型建筑材料,能显著提高军事防护工程的抗爆炸冲击能力,对保障防护工程中人员的生命安全具有重要意义。为揭示爆炸冲击波在防护工程自由面引起的动态拉伸破坏行为,利用霍普金森压杆装置(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)对UHPC进行动态冲击拉伸试验,系统研究了粗集料种类、钢纤维掺量以及应变率对UHPC动态冲击拉伸性能的影响规律。结果表明:粗集料种类对UHPC的动态冲击拉伸强度有较显著的影响,相比于花岗岩和铁矿石,玄武岩粗集料对动态冲击拉伸性能的提高更为明显;UHPC的动态冲击拉伸强度会随着钢纤维掺量的增加而显著提高,但钢纤维掺量对UHPC动态拉伸强度的贡献存在4%的临界值;此外,UHPC表现出明显的应变率效应,当应变率为7~50s-1时,其效应最为显著。     

钢渣粗骨料混凝土单轴受压应力-应变关系试验研究

为探究钢渣粗骨料混凝土稳定性及其应力-应变关系全曲线,该文对包头某钢铁公司的钢渣粗骨料进行了浸水膨胀率试验及压蒸粉化率试验并测其f-CaO含量;完成了6组不同钢渣替代率下的立方体抗压试验及棱柱体单轴受压试验,分析其破坏形态及受力变形特征,建立钢渣粗骨料混凝土本构关系模型。研究表明:该文所选钢渣的f-CaO含量、浸水膨胀率、压蒸粉化率均符合现行规范规定,稳定性良好;钢渣粗骨料混凝土单轴抗压强度随钢渣掺量的增加而提高,并高于普通混凝土抗压强度,破坏呈现的脆性特征也更为显著;钢渣粗骨料混凝土棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值相较于普通混凝土更高。根据过镇海本构模型及Wee模型,并引入钢渣粗骨料含量的修正系数,对钢渣粗骨料混凝土应力-应变关系采用分段式表达。该文提出应力-应变模型与试验结果拟合程度较好,可以更加全面的描述钢渣粗骨料混凝土的单轴受压力学行为。     

钢管含粗骨料超高性能混凝土短柱轴压性能研究

考虑钢纤维掺量、粗骨料替代率和钢管厚度三个参数,设计制作了14根短柱试件。通过全截面轴心受压试验,考察了试件的破坏形态、荷载-变形曲线、荷载-应变曲线和极限承载力,分析了各参数对短柱轴心受压性能的影响规律。试验结果表明:当套箍系数0.217≤ ξ < 0.883时试件主要呈现剪切破坏形态;套箍系数0.883 ≤ ξ ≤1.431时试件主要呈现腰鼓破坏形态。在相同钢管厚度下,粗骨料的掺入能有效提高试件承载力。参考已有钢管混凝土规程,提出了CA-UHPCFST短柱轴心受压承载力计算公式,可供工程设计参考。     

橡胶再生粗骨料混凝土的性能试验研究

为研究橡胶再生粗骨料混凝土的力学性能和疲劳性能,该文采用不同配合比橡胶再生粗骨料混凝土,进行了力学性能和疲劳性能试验。结果表明：1）再生粗骨料混凝土的抗压强度比普通混凝土提高了9.8%,但抗折强度比普通混凝土低,其弹性模量略有下降。2）再生粗骨料混凝土的基本力学性能随废弃橡胶颗粒的掺入有较显著的下降,折压比随之增加,峰值挠度、峰值应变和极限应变在一定范围内随橡胶颗粒含量的增加而增加。3）当橡胶颗粒掺量为20%时,橡胶再生粗骨料混凝土的极限应变是无橡胶再生粗骨料混凝土的3.46倍,同时显著增强了混凝土的疲劳寿命。     

再生粗骨料含水状态对混凝土性能产生的影响分析

该文分析了再生粗骨料含水状态给混凝土流变性带来的影响,为了证实结论是否正确,进行早期力学性能与耐久性能的测试。最终结果表示：新拌混凝土的流变性能极易受到再生粗骨料含水量的影响。虽然含水量无法对混凝土的动态屈服应力产生较大干扰,但会明显干扰整体材料的塑性黏度与静态屈服应力。除此之外,对比不同的含水状态中,对混凝土抗压强干扰最不明显的是气干状态,该文对混凝土性能在不同再生骨料含水状态下的变化做出进一步分析,从而为类似项目提供参考。     

钢纤维再生粗骨料混凝土受压声发射特性与损伤演化

为了探究钢纤维掺量(体积率0、0.8%、1.5%)对C30再生粗骨料混凝土(质量分数取代率0、100%)基本力学性能的影响,结合声发射特征参数和应力-应变曲线来描述钢纤维再生粗骨料混凝土在轴心受压过程中的损伤演化规律。试验结果表明,通过对声发射损伤定位、撞击计数与能量计数分析,可实现钢纤维再生粗骨料混凝土轴心受压破坏从累计损伤到微裂缝演变,再到宏观裂缝扩展的全过程动态监测,不同钢纤维掺量再生粗骨料混凝土与普通混凝土试件在加载过程中损伤点的密集集中位置与试件最终破坏位置相符;基于声发射累计撞击计数建立的混凝土损伤模型可用于分析钢纤维再生粗骨料混凝土的损伤演化规律。     

钢纤维高性能轻骨料混凝土多轴强度和变形特性研究

为了研究钢纤维掺量和三轴应力比对高性能轻骨料混凝土破坏准则和本构关系的影响规律,进行了钢纤维全轻混凝土和钢纤维次轻混凝土多轴强度和变形特性的试验研究,考虑到试验机加载能力和新拌高性能轻骨料混凝土的工作性能,选取的钢纤维体积掺量为0、0.5%、1.0%和1.5%,试验加载路径有单轴拉、压,双轴等压和真三轴压。结果发现在单轴应力和低应力比条件下,钢纤维能够明显地发挥增强阻裂作用,随着钢纤维掺量的增加,中间主应力对极限抗压强度和峰值应变的影响越来越大,且钢纤维体积掺量对两种轻骨料混凝土应力-应变曲线下降段有一定的影响;在高应力比条件下,钢纤维体积掺量对峰值强度、峰值应变和应力-应变曲线下降段无明显影响,但对高应力比下轻骨料混凝土应力-应变曲线上特有的应力平台区域有较大的影响。考虑钢纤维含量特征参数的影响,对普通骨料混凝土的Kotsovos破坏准则进行了相应的修正,得出了适合钢纤维增强轻骨料混凝土的破坏准则表达式。     

自密实钢纤维轻骨料混凝土的早期性能与损伤分析

在自密实轻骨料混凝土基础之上掺入钢纤维配制出自密实钢纤维轻骨料混凝土,分析了自密实钢纤维轻骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度等主要力学性能以及收缩、抗碳化等耐久性能,并与普通骨料自密实混凝土进行对比分析。探讨了钢纤维对于改善自密实轻骨料混凝土损伤所起的作用及其机理。结果表明:掺入钢纤维后自密实轻骨料混凝土的抗压强度增大,劈拉强度明显提高,收缩及抗碳化能力也有明显改善。与普通骨料混凝土相比,自密实钢纤维轻骨料混凝土初始裂缝的产生与发展得到有效抑制。     

骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

超高性能混凝土拉伸力学行为的研究进展

超高性能混凝土(UHPC)是一种具有超高比强度、突出韧性和优异耐久性的水泥基材料,其韧性立足于高强基体和高强纤维之间的高效协同机制基础之上,往往通过拉伸力学行为加以表征。从试验方法、基体和纤维三个角度综述了UHPC拉伸力学行为的研究进展情况,指出UHPC拉伸力学行为宜采用狗骨头状试件进行测试,具有明显的尺寸效应且受加载速率影响;合理优化材料组成、尺寸和分布是提高UHPC拉伸性能的有效途径;纤维种类对UHPC拉伸性能的影响最为显著,提高纤维增强因子和调控纤维分布有利于拉伸性能的提升。最后,从工程应用角度,提出了UHPC拉伸力学行为需要进一步加强研究的建议。     

超高性能混凝土流变特性及其对纤维分散性的影响

优异的分散性能是纤维充分发挥增强增韧作用的关键。为了明确高掺量钢纤维在超高性能混凝土(UHPC)中的分散特征并提高纤维的分散性,采用抗压强度、抗弯强度等力学性能试验、混凝土流变仪以及图像分析技术,分别研究了降粘掺合料、钢纤维掺量对UHPC力学性能、流变性能以及纤维分散性能的影响。结果表明:降粘掺合料对UHPC力学性能无明显提升作用,但可显著降低UHPC基体的屈服应力和塑性粘度,同时可降低钢纤维导致的屈服应力和塑性粘度增加幅度;随着纤维掺量的增加,纤维轴向取向系数和有效利用率降低,而降粘掺合料可提高纤维轴向取向系数和有效利用率;UHPC基体的流变性能、纤维分散性能以及力学性能三者密切相关,基体流变参数越小,纤维轴向取向系数越高、纤维有效利用率越高,则UHPC力学性能越好。     

钢纤维对超高性能混凝土干燥收缩的影响

研究了在(20±2)℃、相对湿度为(50±5)%的环境中钢纤维体积掺量为0%、1%、2%和3%的超高性能混凝土(UHPC)的干燥收缩。结果表明:UHPC在前7d的干燥收缩发展速率较快,7d后发展速率逐渐减缓;但当钢纤维掺量超过2%后,钢纤维对干燥收缩的改善作用明显降低,相比钢纤维掺量为2%的UHPC,3%掺量UHPC的干燥收缩仅仅降低了1.5%。钢纤维高弹模及它与基体的界面粘结有效降低了混凝土的干燥收缩,但钢纤维掺量过多可导致多孔薄弱的界面区增加,从而使其对混凝土的收缩抑制作用减小。粉煤灰对超高性能混凝土干燥收缩的抑制作用大于矿粉。提出的新的数学拟合指数公式相比于文献中常用的ACI和王铁梦公式与实测结果吻合度更好。     

塑钢纤维轻骨料混凝土细观破坏过程的数值模拟

为从细观结构上研究塑钢纤维轻骨料混凝土的破坏机理,通过ANSYS有限元分析软件进行二次开发建立了塑钢纤维轻骨料混凝土模型,采用"生死单元"技术描述了各相材料的裂纹开展形态,模拟了塑钢纤维轻骨料混凝土抗压和劈裂抗拉试验。对轻骨料混凝土与塑钢纤维轻骨料混凝土的裂纹演变过程进行了比较,结果表明:在抗压试验中轻骨料混凝土裂纹最先出现在轻骨料中,随着荷载的增大,裂纹扩展到界面和砂浆中,并与相邻轻骨料的裂缝贯通;而对于塑钢纤维轻骨料混凝土,由于塑钢纤维的掺入,改变了轻骨料混凝土裂纹的扩展路径,提高了轻骨料混凝土的延展性,起到抑制裂纹扩展的作用。在劈裂抗拉试验中,对于塑钢纤维轻骨料混凝土,大部分塑钢纤维被拉断,只有一小部分被拔出。这与宏观试验结果基本一致。     

珊瑚骨料混凝土力学性能及耐久性能研究

随着南海岛礁的开发和建设,混凝土骨料的来源成为急需解决的问题之一。南海诸岛的地质结构大多为珊瑚岛礁,尝试采用珊瑚骨料代替普通骨料配制岛礁用混凝土,为此问题的解决提供了可能的途径。本文基于国内外已有的珊瑚骨料混凝土研究成果,综述了珊瑚骨料的基本特性、珊瑚骨料混凝土的力学和耐久性能以及矿物掺合料和纤维对珊瑚骨料混凝土的增强性能。文末简要讨论了今后珊瑚骨料混凝土的研究方向。     

有机仿钢纤维和钢纤维对钢渣混凝土性能的影响

研究有机仿钢纤维和钢纤维对含钢渣的硅酸盐水泥混凝土力学性能的影响规律,从而选出最佳掺量,并对其作用机理进行探讨。利用水银压入测孔仪和电化学分析仪,对养护28 d混凝土中的水化产物组成及其水化混凝土孔结构及分布、微观结构进行测试分析。结果表明:添加钢渣能够降低水泥混凝土的早期强度,但随着时间的延长,添加适量钢渣可以提高混凝土结构的致密性,提高后期强度。添加适量钢纤维和仿钢纤维亦可提高混凝土的力学性能。钢渣、钢纤维和仿钢纤维的最佳掺量分别为:w(钢渣)=30%,φ(钢纤维)=1.0%,φ(仿钢纤维)=0.7%。     

物理化学强化对再生混凝土抗氯离子渗透性能的影响

废弃混凝土经简单破碎、一次颗粒整形和二次颗粒整形后分别制得Ⅱ类再生粗骨料、准类再生粗骨Ⅰ料和Ⅰ类再生粗骨料,将三类再生粗骨料在浓度6%的有机硅烷防水剂中进行24h化学浸渍处理,得到三类物理化学强化再生粗骨料。分别研究不同品质物理化学强化再生粗骨料和不同取代率(取代率:0%、25%、50%、75%、100%)取代天然骨料对再生混凝土的抗氯离子渗透性能的影响。结果显示:再生粗骨料混凝土抗氯离子性能为:化学强化二次颗粒整形再生粗骨料混凝土化学强化一次颗粒整形再生粗骨料混凝土化学强化简单破碎再生粗骨料混凝土,且均优于普通混凝土;三类化学强化再生粗骨料混凝土的氯离子迁移系数均随着取代率的增大而减小。     

水泥混凝土粗集料类型对其空间分布特性的影响

为研究粗集料类型对其在混凝土内部空间分布特征的影响,利用数字图像处理技术对混凝土随机截面进行处理,以级配分析为图像检测手段,从形态学和统计学两方面对三种粗集料的分布特性进行对比分析。研究表明:图像检测计算得到的级配曲线与实际的级配曲线误差不超过5.72%,较完整地保留了原始图像的基本信息;卵石在形态学上最接近圆形,破碎卵石受长尖角影响而外形尖锐,碎石居于两者之间,且三种粗集料整体分布比较均匀;从统计学角度看,碎石、破碎卵石和卵石的平均紧密程度呈递减趋势,碎石的分布挤嵌程度最趋紧密,但受两端极值影响,波动比较大,卵石的分布相对更趋分散。