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。      

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。     

喷射混凝土抗冻性及冻融损伤力学行为实验研究

为系统研究喷射混凝土抗冻性能,采用快冻法,对普通喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土进行快速冻融实验,并与同配合比模筑混凝土进行对比,研究模筑混凝土与喷射混凝土抗冻性能差异;而后对冻融循环后试件进行微观结构观察,分析其性能劣化机理。结果表明,随着冻融循环次数增加,试件相对动弹性模量、质量损失率、立方体抗压强度及劈裂抗拉强度呈下降趋势,且模筑混凝土性能衰减程度远大于喷射混凝土。而此时试件内部微气孔相互连通继而发展成为微裂缝,凝胶体在冻胀压力及过冷水渗透压作用下结构酥松且部分流失,进一步加剧试件性能劣化速度;钢纤维的加入可显著改善喷射混凝土内部微观孔结构,提高其抗冻性能。同时,对冻融循环50,100,150及200次后试件进行轴心抗压强度实验,分析冻融损伤对试件应力-应变曲线的影响。随着冻融损伤的加剧,试件弹性模量及峰值应力减小,峰值应变和极限应变增大,应力-应变曲线趋于扁平。经相同冻融循环次数作用时,钢纤维喷射混凝土峰值应变和极限应变增大,说明钢纤维的掺入可显著提高喷射混凝土延性及韧性。     

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。     

玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性的影响

为促进废弃煤矸石在寒冷地区的建材资源化利用,研究了煤矸石陶粒作为粗骨料对混凝土抗冻性能的影响,探究了玄武岩纤维对煤矸石陶粒混凝土抗冻性能提升的效果。试验共设计了4种类型混凝土,纤维体积掺量分别为0%,0.1%,0.2%和0.3%。采用快速冻融循环试验,比较了纤维掺入对基体动弹性模量的影响规律,同时,利用图像识别技术引入分形维数定量表征试件冻融损伤程度。之后,开展了毛细吸水试验,对比了冻融损伤后基体的累积吸水量和毛细吸水系数的变化规律。结果表明,玄武岩纤维的加入能显著提高煤矸石陶粒混凝土的抗冻性能。随着纤维掺量的增加,煤矸石陶粒混凝土的动弹性模量损失率降低,基体表面冻融剥蚀明显缓解,引入分形维数可以定量地分析煤矸石陶粒混凝土外观形貌的变化规律。冻融损伤后,基体毛细吸水能力显著提高,而在相同的冻融循环下,基体的毛细吸水能力随着玄武岩纤维掺量的增加而降低。     

硝酸侵蚀/冻融循环共同作用喷射混凝土耐久性能(Ⅰ):物理力学性能及孔结构变化

以寒冷地区喷射混凝土单层永久衬砌长大公路隧道为工程背景,汽车尾气中氮氧化物与水产物硝酸为冻融介质,采用快速冻融循环法,开展喷射混凝土冻融循环试验,研究了硝酸侵蚀冻融循环共同作用对喷射混凝土耐久性能的影响。以直线导线法对硝酸侵蚀/冻融循环共同作用下混凝土的孔结构进行表征,探究了共同作用喷射混凝土的冻融损伤过程。综合分析认为,硝酸中氢离子对混凝土产生化学侵蚀,硝酸根离子在冻融循环过程中产生盐冻的效果,加快了喷射混凝土冻融损伤劣化速度。共同作用喷射混凝土的抗冻性随水胶比增大而降低,随粉煤灰掺量增大先提升后降低。但随钢纤维掺量增大,喷射混凝土动弹性模量损失率和质量损失率先增大后减小,抗压强度则逐渐增大。随着冻融循环次数增多,喷射混凝土孔结构劣化,大孔径孔和微裂缝数量增大,加速了硝酸向混凝土内部扩散,抗冻性能快速下降。     

纤维混凝土抗冻性能研究

为研究冻融循环条件下纤维混凝土抗冻性能,采取快速冻融试验对不同掺加方式下钢纤维、聚丙烯纤维混凝土性能进行研究。并通过SEM分析了其微观结构。试验结果表明,在纤维掺量固定时,不同纤维掺加方式的混凝土性能有显著不同。随冻融循环次数的增加,其质量损失、动弹性模量、抗压、抗折强度都有显著不同变化,混杂纤维混凝土性能较单一纤维混凝土好,层布式纤维混凝土性能较整体式纤维混凝土好。     

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。      

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。     

稻壳灰橡胶混凝土抗冻融性能及微观结构

为研究稻壳灰橡胶混凝土(RRC)的抗冻融性能，对比分析在氯盐环境下冻融循环后，普通混凝土(Normal concrete,NC)、橡胶混凝土(Rubber concrete,RC)和RRC的质量损失、相对动弹模量损失、强度损失及微观结构特征，同时对相对动弹模量与相对抗压强度的关系进行拟合分析。结果发现：随冻融循环次数增加，稻壳灰橡胶混凝土表面坑蚀愈明显，内部孔隙增多，微裂缝发展并贯通，宏观强度显著降低，相对动弹模量与抗压强度有良好相关性，拟合结果较优。橡胶的高弹性和稻壳灰极高的火山灰效应有效缓解了冻胀力带来的损伤，各冻融阶段RRC的损伤程度均明显优于NC，其中以稻壳灰掺量(占胶凝材料质量比)为10%、橡胶掺量(等体积取代砂)为10%时的RRC力学性能与抗冻融性能综合最优，经历120次冻融循环后，其抗压强度损失率较NC降低了18%。     

冻融循环作用下纤维混凝土的性能演变规律

为研究冻融循环作用对混凝土工作性能的影响,在混凝土中分别掺入含量为0、0.5%、1%、2%、3%的玄武岩纤维来改善混凝土的工作性能(坍落度、含气量和渗透性)。通过试验得出:(1)在相同的循环次数下,随着纤维掺量的增加,混凝土的坍落度、含气量和渗透性逐渐减少,但过量的纤维掺量对混凝土的工作性能效果不明显。(2)在相同的纤维掺量下,混凝土的坍落度、含气量和渗透性随着冻融循环次数的增加而逐渐增加,并且增加速率随着循环次数的增加而急剧增加。因此,玄武岩纤维对混凝土的抗冻性有着明显的提高,并且玄武岩纤维的最佳掺量为2%。     

超高性能混凝土与普通混凝土的黏结抗冻性能

对147个超高性能混凝土与普通混凝土的100mm×100mm×100mm立方体黏结试件进行了冻融循环后的黏结性能研究,测量了冻融后试件的相对动弹性模量、质量损失率以及劈裂抗拉强度,研究了超高性能混凝土中的钢纤维掺量、普通混凝土的强度等级、黏结面形式、试件的浇筑方向等因素对黏结试件抗冻性能的影响。结果表明,冻融循环结束后,所有黏结试件中的超高性能混凝土部分都没有出现损伤,超高性能混凝土可以作为普通混凝土结构的理想外围护材料;随着冻融循环次数的增加,黏结试件的相对动弹性模量逐渐减小,质量损失率先降低后增加,黏结试件的劈裂抗拉强度线性下降;影响黏结试件冻融后劈裂抗拉强度下降速度的关键因素是超高性能混凝土中的钢纤维掺量和黏结面的形式。     

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。     

聚丙烯纤维水泥基复合材料的抗冻性能研究

为改善桥梁伸缩缝处混凝土结构的冻害问题,本试验成功制备了加入聚丙烯纤维的超韧性水泥基复合材料(PP-ECC),对其进行了抗冻性能研究,采用先干搅再湿搅的搅拌工艺,并以试件质量损失为评价指标,分析了冻融循环条件下材料的抗冻性能;以抗压、抗折、抗拉等指标为依据,研究了该复合材料经受不同冻融次数后的力学性能变化,并对PP-ECC的体积膨胀变形进行了时程分析。结果表明,随着冻融次数的增加,抗压、抗折、抗拉强度呈下降趋势,试件质量损失逐渐增大;冻融体积膨胀应变随着冻融温度的交替升降也呈现出时程规律性变化,此外,最大膨胀应变随着冻融次数的增加而明显增大。最后通过在相同冻融循环次数后与普通混凝土相对比,可知PP-ECC材料的基本性能指标,包括质量损失率、抗压强度、极限抗拉强度、极限拉应变、抗折强度以及抗冻融体积膨胀变形性能等仍能保持较高的水平,极限拉应变是普通混凝土的120～400倍,有显著的拉伸韧性,并且300次冻融循环后PP-ECC的质量损失率低于5%,该研究成果可为PP-ECC在国内寒冷地带桥梁伸缩缝无缝化的推广应用提供一定的理论参考。     

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。     

玄武岩纤维混凝土的动态力学性能

采用Φ100 mm分离式霍普金森压杆 (SHPB) 试验装置研究了不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土在不同应变率下的冲击压缩力学性能 , 并对试验的有效性进行了分析。结果表明: 玄武岩纤维混凝土的动态强度增长因子与平均应变率的对数近似呈线性关系 , 强度与变形能力随平均应变率的提高而线性增加 , 体现了很强的应变率相关性 ; 纤维体积掺量为 0. 1 %的玄武岩纤维混凝土较素混凝土的动态抗压强度提高了 26 % , 变形能力提高了 14 %; 纤维体积掺量分别为 0. 2 %、 0. 3 %的玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度比素混凝土高出 25 %左右 , 而变形能力较素混凝土无明显优势 ; 在玄武岩纤维混凝土的 SHPB试验中 , 试件破坏时刻为 123. 3～239.μ45 s , 近似恒应变率加载时间比例约为 62 % , 且应变率曲线的波动范围控制在 23 %左右 , 能够较好地满足应力均匀分布及恒应变率加载要求 , 表明 SHPB试验结果可靠。      

纤维/高强混凝土抗冻性能试验

通过纤维/高强混凝土快速冻融循环试验,从试件外观损伤形态、相对动弹性模量、抗冻等级、抗冻耐久性指数角度,研究了不同纤维体积分数的玄武岩纤维、纤维素纤维和不同纤维长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能的影响。结果表明,加入玄武岩或纤维素纤维可改善C60高强混凝土的外观剥落损伤程度。C60高强混凝土的抗冻性均随玄武岩纤维（长度为18 mm）和纤维素纤维体积分数的增大而提高,在体积分数0.10vol%~0.20vol%内,前者的提高程度远大于后者,玄武岩纤维/高强混凝土能在更严酷的寒冷环境中满足更久的使用时间。玄武岩纤维长度的改变对C60高强混凝土的抗冻性影响较大,相对于18 mm长度,6 mm和30 mm长度的玄武岩纤维对C60高强混凝土抗冻性能改善作用很有限。      

玄武岩纤维混凝土在冻融环境下的力学性能研究

为了研究玄武岩纤维混凝土在西北寒冷地区盐冻作用下,性能是否满足工程要求,对此,该文对玄武岩纤维混凝土在冻融循环作用下的力学性能进行研究,研究结果表明以下3点：1）在75次冻融循环前,素混凝土和纤维掺入量分别为0.04%、0.08%和0.12%玄武岩纤维混凝土的质量损失率均增长缓慢,在75次冻融循环后,其质量损失率快速增大。2）在50次冻融循环前,素混凝土和不同掺量玄武岩纤维混凝土的相对动弹性模量变化较小,在50次冻融循环后,其相对动弹性模量快速变小。3）在相同冻融次数条件下,素混凝土质量损失率最大,而相对动弹性模量最小,纤维掺入量为0.12%玄武岩纤维混凝土质量损失率最小,而相对动弹性模量最大。以上研究可供类似混凝土工程参考。     

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。     

低温下玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能

采用直径15μm的两种长度的玄武岩纤维,制成不同纤维体积掺量的玄武岩纤维混凝土。对其进行抗冲击试验,分析玄武岩纤维混凝土在低温环境下的抗冲击性能。结果表明:玄武岩纤维能够提高混凝土在低温环境下的抗冲击次数。对试验结果进行统计分析和失效概率预测,结果表明:威布尔分布可以有效地对基于U形试件的玄武岩纤维混凝土抗冲击性能进行统计分析。以玄武岩纤维混凝土在冲击试验中的初裂和终裂次数的自然对数来评价其抗冲击性能,则在相同的失效概率情况下,玄武岩纤维混凝土的抗冲击性能与玄武岩纤维的掺量近似呈线性关系。且在相同的失效概率和玄武岩纤维掺量的条件下,18mm长纤维对混凝土的抗冲击性能的改善作用优于6mm短纤维。