混凝土低温性能表征技术和研究方法综述

液化天然气(LNG)贸易的繁荣加剧了LNG储罐的需求.以混凝土代替9％镍钢制备"全混凝土"LNG储罐可降低46％的成本和缩短33％的工期并提高结构的耐久性,此技术具有重大经济和科学意义.全混凝土LNG储罐在服役过程中面临的最大风险是温度波动(-40～-165℃)和低温冻融循环(室温至-170℃).目前,低温环境(-40～-197℃)中混凝土的失效机理尚不清楚.低温环境孔隙中的水结冰会引起混凝土孔结构、热导率、热应变、渗透性能和失效过程中能量释放行为的变化.低温环境混凝土性能的演变机制还处于研究初期,采用先进的表征技术和高效的研究方法从多角度探究孔隙中水结冰和混凝土宏观性能演化的内在联系,是明确低温环境混凝土劣化机理的有效策略.本文对低温环境混凝土的表征技术(核磁共振技术(NMR)、X射线计算机断层扫描技术(μ-CT)、差分扫描量热技术(DSC)、低温扫描电子显微技术(LTSEM)、声发射技术(AE)和激光闪光法(LFA))及研究方法(热应变测试和渗透性测试)进行综述,并对超高性能混凝土(UHPC)的低温性能进行总结.在低温环境中,利用NMR技术和DSC技术可原位分析混凝土孔隙中水的结冰行为.其中,NMR技术可研究孔隙中水状态的演化;DSC技术基于热流数据可量化表征孔隙中冰的体积.μ-CT技术可探究冻融前后孔隙和裂缝的三维形态.LTSEM技术可获取孔隙中冰体的微观形貌.热应变测试和AE技术结合使用可明确混凝土热变形与失效过程中能量释放之间的相关性.通过降低孔隙率、含水率和剔除粗骨料,可使UHPC具有优异的耐低温性能.目前,低温环境中混凝土的导热性能和渗透性能仍缺少全面研究,采用LFA技术可测定低温环境混凝土的热导率.本文系统归纳了低温环境混凝土的表征技术和研究方法,有助于深入理解低温环境混凝土的失效机理和研制高耐久性的全混凝土LNG储罐.     

硫酸盐干湿循环环境下超深井井壁混凝土抗腐蚀性能

针对矿山超深井井壁混凝土受地下水硫酸盐腐蚀危害等问题,本研究采用硫酸钡沉淀法、NEL-PDU型氯离子扩散系数测定仪、扫描电镜(SEM)仪、X射线衍射(XRD)仪等手段,对比了硫酸盐干湿循环快速腐蚀环境下,C70仿钢纤维混凝土(C70-ISFRC)与高性能超深井井壁混凝土(HUC)的参数指标.实验结果表明:硫酸盐干湿循环快速腐蚀后,通过质量变化发现C70-ISFRC的孔隙数量、孔隙尺寸都高于HUC,并且两种混凝土力学性能的变化趋势均为先上升后下降,但HUC在此腐蚀环境下的力学性能表现更优;在硫酸盐干湿循环下,C70-ISFRC基于电通量的渗透性评价为低,HUC基于电通量的渗透性评价为非常低.在240次硫酸盐干湿循环后,HUC表面以下10～15 mm和15～20 mm处几乎不存在液相硫酸根离子;与C70-ISFRC相比,HUC在硫酸盐干湿循环的环境下不易生成钙矾石且其内部不易形成硫酸钠晶体,不易发生开裂和晶体损伤等劣化,是一种有效的深地井壁混凝土材料.     

化学激发对煤气化渣-水泥体系抗压强度影响机理研究

针对煤气化渣大量堆存造成的环境污染和固废资源浪费的问题,本工作采用化学激发方法来激发煤气化渣活性,探究不同激发剂对煤气化渣?水泥体系抗压强度的影响.试验选取硫酸盐类、碱类和聚合盐类激发剂,确定最优激发剂种类和掺量;通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重分析(TG)等微观手段,研究不同激发剂对煤气化渣?水泥体系水化产物的影响.结果表明,硫酸盐类最优激发剂为硫酸钠,最佳掺量为2.5％,试样3 d、28 d抗压强度增长率分别达14.3％、3.4％;碱类最优激发剂为氢氧化钙,最佳掺量为0.5％,试样3 d、28 d抗压强度增长率分别达18.4％、1.8％;聚合铝最佳掺量为2.0％,试样3 d、28 d抗压强度增长率分别达24.0％、3.3％.加入激发剂后试样早期抗压强度均得到提高,微观特征表明试样水化程度加深,且有助于钙矾石和凝胶体等水化产物的生成,提高试样强度,为煤气化渣在水泥基材料中的应用提供了理论依据.     

粉煤灰和砂率对C50混凝土强度及抗CL^-渗透性研究

研究了砂率、粉煤灰掺量对C50混凝土强度、抗Cl^-渗透性的影响。结果表明：该混凝土的最佳砂率为45%,粉煤灰掺量为30%时,其56d强度超过了基准混凝土的强度,粉煤灰掺量为40%、50%、60%的混凝土56d强度也达到了C50混凝土强度的要求。砂率为45%的混凝土抗渗性优于砂率为40%、50%的混凝土,且其抗Cl^-渗透性比基准混凝土有较大提高。     

大流动性粉煤灰再生混凝土的力学性能

利用泵送混凝土的大流动性来指导再生骨料混凝土配合比设计,提高研究实用价值。试验表明,掺入再生骨料后有两种效应同时作用于混凝土,影响其力学性能,对于不同强度的混凝土,再生骨料的最佳掺量不同;“最佳掺量”范围（15%-30%）内提高粉煤灰掺量,不会明显降低再生骨料混凝土强度。     

机制砂与细砂高性能混凝土和易性与抗压强度的研究

本文研究了机制砂和细砂的比例对混凝土和易性和抗压强度的影响。试验结果表明:在水泥掺量一定且机制砂和细砂的比例为1∶1时,混凝土的和易性良好、抗压强度最高;机制砂与细砂配制的混凝土7天强度增长较大,14天到28天强度增长缓慢。SEM形貌图及EDS能谱表明,龄期为14天的混凝土已经有大量的C-S-H生成,且密实性良好,与28天相比,密实性无明显区别。     

石膏种类对富水充填材料凝结硬化性能与机理的影响

针对富水充填材料的凝结性能受石膏种类影响的问题,采用X射线衍射、扫描电镜、红外光谱等微观实验,分析富水充填材料硬化体的组成,探讨二水石膏和半水石膏对富水充填材料性能影响的机理.结果表明:以硫铝酸盐水泥-石膏-石灰为主的富水充填材料体系中,为保证正常的凝结硬化,石膏应为二水石膏;如以半水石膏为原材料,在7 d龄期时仍不具有强度;二水石膏充足时生成的钙矾石晶体呈细针状,二水石膏不足时生成的钙矾石晶体为六棱短柱状;富水充填材料的强度主要来源于硫铝酸盐水泥-石膏-石灰反应生成的钙矾石,而不是水泥自身水化的水化硫铝酸钙、铝胶和氢氧化钙.      

单轴加卸载作用下井壁混凝土能量演化机理

针对深部地下工程条件的结构混凝土过早失效,易在高应力集中区产生类似“岩爆”现象的破坏等问题,通过不同种类混凝土单轴加卸载和声发射试验,研究典型种类混凝土的能量耗散和释放过程。结果表明:C70钢纤维混凝土和非蒸养型超高性能混凝土(UHPC)的滞回环更加趋于饱满,耗能能力更强。C70普通混凝土易积聚能量,在达到峰值强度时,储存的能量突然间释放,形成混凝土“岩爆”现象;钢纤维混凝土在加载过程由于塑性变形较大,导致损耗大量能量的同时会造成井壁混凝土的片裂行为;UHPC通过自身均匀的小损伤耗散较多的能量,且破坏之后仍能保持一定的完整性,其延性较好,不会引起能量瞬间涌出的“岩爆”破坏。能量耗散促使混凝土黏聚力劣化,能量释放导致混凝土的最终破坏,UHPC的结构自适应能力很强,可以有效抵御深地高地应力的作用,保护矿井的安全作业。     

细粒级全尾砂膏体充填材料性能调控研究

针对传统胶凝材料在细粒级全尾砂膏体充填中存在的充填成本高、充填效果差等问题,研究新型胶 结媒介作用下细粒级全尾砂膏体充填材料性能的变化规律。试验结果表明：在新型胶结媒介体系下,尾砂越细,相 同条件下膏体充填材料抗压强度越高;细尾砂膏体充填材料在料浆浓度高的情况下,不同灰砂比下抗压强度几乎 相同;全尾砂中 Al2O3和 SiO2含量越高,相同条件下膏体充填材料抗压强度越高;新型胶结媒介用量的变化对膏体 充填材料抗压强度影响很小;新型胶结媒介作用下颗粒表面生成针状物质彼此搭接,使膏体充填材料结构密实,产 生强度,生成物为钙矾石和含硅化合物。     

纤维增强混凝土韧性及声发射特征分析

针对地下开采所引发的建筑物开裂、破坏等问题,研制了具有较强抗变形能力的混凝土材料。对添加端钩形钢纤维、波浪形钢纤维、微丝镀铜钢纤维、仿钢纤维和丝状聚丙烯纤维5种不同纤维的纤维混凝土(FRC)进行抗压、劈裂、轴心抗压和四点弯曲试验,研究了FRC的抗压韧性评价指标和抗弯韧性评价指标变化规律。并通过声发射试验,对波浪纤维混凝土四点弯曲时裂缝的萌生和扩展进行监测,将声发射相关参数与混凝土的弯曲韧性联系起来,分析了FRC在整个弯曲破坏阶段的力学行为,基于现有弯曲韧性评价方法,提出了一种包含5个指标的新型弯曲韧性评价方法。该方法可以定量分析纤维混凝土的峰前、峰后弯曲性能。研究结果表明：微丝镀铜钢纤维对混凝土的抗压韧性改善最大,能有效抑制混凝土开裂剥落,端钩形钢纤维、波浪形钢纤维对C40和C50混凝土抗弯韧性改善最大,改变了裂纹生长方式。纤维的掺入减小了开裂宽度和早期微裂缝的产生,延长裂缝扩展的时间,拉伸裂纹向剪切裂缝的转变是FRC韧性提升和裂缝以不规则形式攀升的主要原因。声发射特征参数能够准确监测FRC裂缝萌生阶段、稳定增长阶段、失稳开裂阶段、残余破坏阶段与特定挠度下的特征点。由此改进的弯曲韧性评...