基于数字图像相关的地聚物混凝土轨枕的力学性能分析

随着混凝土轨枕在我国的广泛应用,混凝土的生产带来大量的能源消耗和碳排放。地聚物作为一种新型低碳材料,能在节能减碳的同时消耗矿渣和粉煤灰等固废。目前,针对地聚物应用于铁路轨枕的相关研究,如混合使用水泥与粉煤灰、矿渣的地聚物混凝土轨枕及其裂缝扩展特性的研究还比较有限。本文设计2种配合比的地聚物混凝土并制造成轨枕,使用数字图像相关(Digital Image Correlation)技术,在轨下截面的三点弯曲实验下分析2种配合比下轨枕挠度、裂缝扩展特性及裂缝宽度发展规律。研究结果表明,2种配合比地聚物混凝土轨枕的抗弯承载力均高于普通混凝土轨枕。相比于普通混凝土轨枕,地聚物混凝土轨枕在较低的静荷载作用下挠度较大,但随着荷载的增加轨枕挠度的增长速度较慢,刚度损失较小,弹性阶段延续的荷载区间更长,这种特征在配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕上更为显著。2种配合比的轨枕微裂纹萌生的荷载相近,分别为130 kN和120 kN。在较低荷载下2种轨枕裂缝扩展相差不大,在较高荷载下配合比为Geo100的地聚物轨枕的裂缝发展加快,裂缝宽度值和增长速度都大于Geo50。配合比为Geo100的地聚物混凝土轨枕主要表现为受弯正截面破坏,配合比为Geo50的地聚物混凝土轨枕主要表现为受剪斜拉破坏。掺入部分水泥代替矿渣和粉煤灰的地聚物能使所制成轨枕在较高的荷载下保持更高刚度和更缓慢的裂缝扩展速度,该方案有助于推动地聚物应用于混凝土轨枕,促进铁路双碳战略贯彻与实施。

纤维-地聚物混凝土力学性能及耐久性能研究

为改善地聚物混凝土的力学性能和耐久性,通过掺入不同长度和掺量的聚丙烯纤维,对地聚物混凝土的力学性能、抗冻性、抗氯离子侵蚀性及抗裂性进行了研究,并基于SEM试验,从微观角度进一步解释聚丙烯纤维的作用机理.结果表明:聚丙烯纤维的掺入能够提高地聚物混凝土的力学性能和耐久性能,当纤维掺量为0%~0.6%时,随着纤维掺量的增加,地聚物混凝土的改善效果越明显.当掺量超过0.6%时,其力学性能和耐久性开始下降.通过SEM分析也表明,聚丙烯纤维能够提高基体内部的整体性和密实性,从而显著改善地聚物混凝土的力学性能和耐久性.最终推荐掺量0.6%长度为12 mm的聚丙烯纤维为最佳掺量.

地聚物混凝土干燥收缩性能及活性氧化镁补偿收缩研究

制备粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土,并进行地聚物混凝土28 d抗压强度和干燥收缩测试,探究分析活性氧化镁含量、水玻璃模数、碱当量和矿渣含量对其抗压强度和干燥收缩的影响机理。结果表明:随着活性氧化镁掺量增大,地聚物混凝土28 d抗压强度下降,干燥收缩变形显著减小;与0%(质量分数,下同)活性氧化镁混凝土相比,掺量为3%、6%和9%时混凝土28 d抗压强度分别下降8.0%、8.2%和18.2%,干燥收缩分别减小21.5%、26.4%和38.2%,此外,当活性氧化镁掺量为3%和6%时,不仅有效补偿了干燥收缩,且抗压强度损失较小;随着水玻璃模数升高,地聚物混凝土28 d抗压强度和干燥收缩变形增大;随着碱当量升高,地聚物混凝土28 d抗压强度下降、干燥收缩变形增大;随着矿渣含量增加,地聚物混凝土28 d抗压强度增大、干燥收缩变形减小。综合考虑抗压强度及收缩的要求,建议实际应用中选择高活性、大掺量氧化镁,掺量宜控制在3%~6%。

地聚物混凝土构件的纯扭性能试验

目的研究地聚物混凝土构件的受扭性能,并探讨现有普通混凝土结构设计规范对地聚物混凝土构件的适用性。方法研究参数为配箍率(0.42%和0.99%)与纵筋配筋率(0.65%和1.17%),共设计3种试验工况,通过试验观察构件的破坏形态、裂缝发展情况;并记录扭矩-扭转角曲线、扭矩-钢筋应变曲线、扭矩-混凝土应变曲线,分析各参数对构件抗扭性能的影响。结果地聚物混凝土构件的破坏模式与普通混凝土构件相似,有少筋破坏、适筋破坏以及部分超筋破坏三种破坏模式;构件的极限扭矩基本随配箍率与纵筋配筋率的增大而增大;构件的主裂缝倾角均随配筋强度比的增加而减少。结论增加构件的配筋率可以显著提高地聚物构件的抗扭承载力;《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)对地聚物构件的极限扭矩预测效果较好,预测值与试验值比值的均值为0.92、变异系数为13.6%。

翼缘尺寸对地聚物混凝土T形梁抗弯性能的影响

通过对5根不同翼缘尺寸的地聚物混凝土T形梁和1根普通混凝土T形梁进行四点弯曲试验,研究了翼缘宽度和厚度对地聚物混凝土T形梁抗弯性能的影响,以及与普通混凝土T形梁的差异。研究结果表明:地聚物混凝土T形梁的抗弯极限荷载、屈服荷载、裂缝行为及失效模式与普通混凝土T形梁相似,且延性更优,但其跨中受拉纵筋应变较大,刚度、开裂荷载和最大裂缝宽度限值下的承载力较低。随着翼缘宽度从200 mm增大到500 mm,地聚物混凝土T形梁的刚度、屈服荷载、抗弯极限荷载、延性和在最大裂缝宽度限值下的承载力均增大,跨中受拉纵筋应变减小,开裂荷载无明显变化,但越宽的翼缘宽度能有效承担荷载的也只是靠近腹板的一部分宽度。增大翼缘厚度对地聚物混凝土T形梁抗弯性能的影响与增大翼缘宽度基本一致,但其对最大裂缝宽度限值下的承载力提高效果显著。规范GB 50010—2010和ACI 318—19的正截面受弯承载力设计公式适用地聚物混凝土T形梁,GB 50010—2010的预测更精确,ACI 318—19的安全储备更高。

矿渣基地聚物混凝土柱抗震性能研究

为了研究不同强度等级的矿渣基地聚物混凝土柱的抗震性能,设计了3个普通混凝土悬臂柱试件和3个矿渣基地聚物混凝土悬臂柱试件,通过低周反复荷载试验,对地聚物混凝土柱的破坏模式、裂缝发展、滞回性能、位移延性、耗能性能、刚度与强度退化和承载力等进行了评估,分析了混凝土种类、混凝土强度对试件抗震性能的影响。结果表明,在低周反复荷载作用下,与普通混凝土试件相比,矿渣基地聚物混凝土柱的抗震性能并未明显改善;提高地聚物混凝土强度会改变地聚物混凝土柱的破坏模式,从而对部分抗震性能(延性、耗能能力)产生不利的影响;验证表明《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中受弯承载力计算公式对于地聚物混凝土构件的计算结果偏小,拓展到工程应用中偏安全。

翼缘尺寸对地聚物混凝土T形梁抗剪性能的影响

为探究翼缘尺寸对地聚物混凝土T形梁抗剪性能的影响,对1根普通混凝土和4根不同翼缘尺寸的地聚物混凝土T形梁进行了集中荷载下的抗剪试验;试验获得了T形梁试件的承载力、挠度、钢筋应变、破坏模式及裂缝的开展等相关参数。研究结果表明:地聚物混凝土T形梁具有与普通混凝土T形梁相似的裂缝扩展、破坏模式及抗剪承载力,但其刚度和斜截面开裂荷载较低,跨中纵筋和箍筋的应变较大;将翼缘厚度与截面有效高度比值从0.24增大到0.48时,地聚物混凝土T形梁的刚度增大、跨中纵筋应变减小,抗剪承载力提高了12.7%,地聚物混凝土的归一化抗剪强度增大了25.3%;当翼缘宽度超过两倍腹板宽度时,继续增大能减小跨中纵筋应变,但地聚物混凝土T形梁的刚度、抗剪承载力及地聚物混凝土归一化抗剪强度不再增大。规范ACI 318—19和Eurocode 2的计算结果明显低估了地聚物混凝土T形梁的抗剪承载力,GB 50010—2010较接近试验值。为更好预测地聚物混凝土T形梁的计算抗剪承载力,建议在抗剪承载力计算公式中增加翼缘有效受剪面积所提供的剪力。

基于响应面法的地聚物混凝土力学性能试验研究

为获得力学性能最优的地聚物混凝土配合比,本文系统研究了以粉煤灰和矿渣为前驱体的地聚物混凝土配合比优化方法,选择水胶比、碱激发剂模数(碱激发剂中SiO_(2)与Na_(2)O分子数之比)和矿渣掺量(矿渣占前驱体的质量分数)三个因素设计响应面方案进行地聚物混凝土抗压试验。采用统计学方法建立抗压强度响应面模型,并验证模型与试验结果的契合度。结果表明:水胶比对地聚物混凝土的抗压强度影响显著,水胶比最佳选择为0.376;矿渣掺量对地聚物混凝土抗压强度的影响极其显著,矿渣替代粉煤灰的比例越高,地聚物混凝土抗压强度越高,矿渣最佳掺量为48.2%;激发剂模数对地聚物混凝土抗压强度的影响不显著。水胶比会影响基体的孔隙结构,矿渣通过改变基体结构密实度进而影响基体宏观力学性能。

纤维增强地聚物混凝土力学及抗冲击性能研究

对比研究了单掺钢纤维(0、1%、2%、3%)和碳纤维(0、0.1%、0.2%、0.3%)对地聚物混凝土力学性能和抗冲击性能的影响,分析了试件的破坏形态及纤维作用机理。结果表明:随着碳纤维掺量的增加,试件的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和抗冲击性能总体变化不大;随着钢纤维掺量的增加,试件的抗压强度和抗折强度增大,劈裂抗拉强度和抗冲击性能先提高后降低,最佳钢纤维掺量为2%。

生态型地聚物混凝土抗压性能研究

文中利用再生粗骨料、废旧橡胶和再生钢纤维分别作为粗、细骨料和增强纤维,研制粉煤灰-矿渣基的生态型地聚物混凝土(Eco-GC),并对不同再生钢纤维掺量(1%、2%和3%)和不同橡胶颗粒替代率(5%、20%、35%和50%)的Eco-GC进行轴压性能试验研究,分析再生钢纤维掺量和橡胶颗粒替代率对破坏模态、抗压强度、峰值应变、弹性模量等的影响规律。研究结果表明,随着再生钢纤维掺量增大,Eco-GC的抗压强度、峰值应变、弹性模量均随之增加,但随着橡胶颗粒替代率提高,抗压强度、峰值应变、弹性模量均随之减小。

沿海地区硫酸盐侵蚀环境下地聚物混凝土力学性能探究

为深入分析沿海地区硫酸盐侵蚀环境对地聚物混凝土抗压强度以及应力-应变曲线的影响,文章利用室内试验的方法进行测试分析。结果表明,干湿循环条件下地聚物混凝土应力-应变曲线总体表现出线性增长(弹性变形)、减速增长(弹塑性变形)和缓慢下降(断裂破碎)变化特征,试件抗压强度、残余应力和峰值应力均随干湿循环次数的增加逐渐减少,这说明硫酸盐侵蚀会引起强度损失和基体内部损伤。研究成果可以为准确计算和预测地聚物混凝土在特定环境下的力学性能,为相应工程设计和维护等提供有力支撑。

地聚物混凝土的可喷射性试验研究

地聚物混凝土(Geopolymer concrete,GPC)是以碱激发地聚物材料替代水泥作为胶凝材料配制而成的一种生态环保建筑材料,GPC较普通水泥基混凝土具有早期强度高的特点,适用于喷射混凝土结构。本文针对GPC开展可喷射性试验研究,建立了喷射GPC的泵送喷射模拟分析模型,计算分析两种强度喷射GPC屈服应力与黏滞系数等流变力学参数。通过试验对模型进行验证,并分析GPC坍落度与极限建造厚度、漏浆率等关系。研究结果表明,高强GPC具有更优越的可喷射性,相同极限喷射建造厚度下,屈服应力与黏滞系数较普通GPC更低,更有利于泵送。最后提出了喷射GPC施工参数的优选原则,为开发高性能喷射GPC结构提供理论依据和技术支撑。

钢筋与地聚物混凝土黏结性能试验研究

水泥在生产过程中消耗能源较高,污染严重。地聚物混凝土具有节能减排的特点,有望在建筑材料领域得到广阔应用。文中开展了钢筋-地聚物混凝土中心拉拔试验研究,深分析了钢筋与地聚物混凝土之间的黏结破坏机理,并探究地聚物混凝土在抗压、劈裂抗拉强度以及黏结长度等方面对黏结破坏的影响规律。试验结果表明,在钢筋直径14mm和黏结长度5d条件下,相对保护层厚度(cld)=4.86是钢筋-地聚物混凝土中心拉拔试件破坏模式从拔出破坏到劈裂破坏的临界点;钢筋直径为14mm和黏结长度为7d的地聚物混凝土中心拉拔试件,会导致钢筋屈服早于钢筋拔出或者地聚物混凝土劈裂。研究可为地聚物混凝土在实际工程中的应用提供一定理论经验,对后续钢筋与地聚物混凝土黏结性能起到指导意义。

地聚物混凝土性能研究进展

院地聚物混凝土作为传统建筑材料的替代品,将其应用于建筑工程中,可以最大限度地减少二氧化碳的排放。根据已有的针对地聚物混凝土的研究,其拥有优良的力学性能,与普通硅酸盐水泥混凝土的性能相当甚至更优,且地聚物混凝土与普通混凝土相比具有很好的抗盐抗酸腐蚀效果。为了使工程人员等对地聚物混凝土有一个较为清晰的了解,文章就地聚物混凝土的力学性能及耐久性能方面进行综述,以期为地聚物混凝土今后的研究发展提供帮助。

地聚物混凝土动力学特性和微观机理研究

为研究不同配合比对地聚物混凝土(GC)性能的影响,模型试验运用霍普金森压力杆(SHPB)装置对含不同粉煤灰、矿渣和硅粉掺量比的GC进行了系列动态力学试验,并利用扫描电子显微镜(SEM)对其微观结构进行分析。研究结果表明静载状态下矿渣或硅粉掺量较高的试件易获得更优的力学特性,而在动态荷载压缩试验中,含硅粉含量5%、矿渣含量45%的GC-2试件动态力学响应最优,DIF应变率敏感性也较高。研究成果对地聚物混凝土的掺混比具有一定的参考价值。

地聚物混凝土的抗剪性能研究

采用直剪试验研究了地聚物混凝土的抗剪性能.设置16个试验工况,其中包含3个普通混凝土强度的对比工况.试验结果表明,地聚物混凝土的抗剪强度随着混凝土强度和抗剪钢筋配筋率的增大均有显著提高,随着剪切面高度的增加而有所下降,剪切面宽度的改变对其影响较小.该类地聚物混凝土的剪切裂缝发展模式和剪切破坏模式与普通混凝土一致,极限抗剪强度略高于普通混凝土.试验值与Loov和Patnaik的理论值之比的平均值为1.21,该理论值较其他理论值更接近试验值.

地聚物混凝土梁的抗冲击性能研究

采用单次落锤冲击试验对地聚物混凝土梁的抗冲击性能进行研究,以混凝土种类与强度为研究变量,设计了3根地聚物混凝土(GC)试验梁与1根普通混凝土(OPC)试验梁,试验获得了各试验梁的跨中挠度、冲击力、支座反力的时程曲线,以及裂缝分布和破坏模式,并根据混凝土种类与强度的不同对试验梁冲击行为的差异进行了分析,以评价这种地聚物混凝土梁的抗冲击性能。

钢纤维地聚物混凝土轴压性能细观数值模拟

为研究细观尺度下钢纤维地聚物混凝土(SFRGPC)的轴压性能,考虑骨料和钢纤维在混凝土基体内部的随机分布,建立钢纤维地聚物混凝土棱柱体的三维细观尺度数值模型。对不掺纤维与掺纤维2种工况下钢纤维地聚物混凝土的轴压性能进行模拟,验证该细观尺度数值模型的准确性。在此基础上,分析钢纤维地聚物混凝土的轴压破坏行为,进一步探究骨料最大粒径和纤维掺量对混凝土轴压受力性能的影响规律。结果表明,地聚物混凝土峰值应力随骨料最大粒径增加而降低;骨料最大粒径的增加会略微降低地聚物混凝土的韧性指数;由于纤维对混凝土裂缝的桥接作用,地聚物混凝土的峰值应力和韧性指数随纤维掺量增加均有所提高,且韧性指数的提高更为显著。

粉煤灰地聚物混凝土性能与环境影响的综合评价

目前对粉煤灰地聚物混凝土环境影响评价大多数只考虑环境效益单方面的因素,而力学性能和耐久性能是材料在工程应用中的重要评价指标,材料选取需要同时考虑其力学性能、耐久性能与环境影响。因此,本工作采用生命周期评价(LCA)方法,选取抗压强度、抗硫酸盐侵蚀性能和环境影响为评价指标,设计九组配合比的粉煤灰地聚物混凝土进行环境影响和抗硫酸盐侵蚀的量化分析,利用灰色聚类评价方法建立综合评价模型。结果表明:(1)粉煤灰地聚物混凝土的环境影响主要来自原材料生产阶段,占比高达73%以上;(2)粉煤灰地聚物混凝土的环境效益随碱激发剂用量、粉煤灰用量和硅酸钠与氢氧化钠比值的增大而降低,碱激发剂用量对环境效益影响最大;抗压耐蚀系数越大其抗硫酸盐侵蚀性能越好;(3)在本试验中,配合比1的环境效益最优,配合比5抗硫酸盐侵蚀性能最优,配合比3综合性能最优。

纤维增韧地聚物混凝土力学性能与微观结构

为改善地聚物延性较差的缺点,采用镀铜微细钢纤维与聚丙烯纤维制备了不同纤维类型、布置形式与体积掺量的纤维增韧粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土,对其力学性能进行了试验研究,并通过扫描电子显微镜从微观层面解释了不同布置形式的纤维增韧机理。结果表明:钢纤维与聚丙烯纤维分别以拔出与断裂的形式有效地阻止地聚物混凝土裂缝的发展;对于整体式单掺钢纤维与整体式混掺纤维地聚物混凝土试样,其劈裂抗拉强度与抗折强度均得到显著提升;层布式钢纤维地聚物混凝土试样可达到与整体式纤维地聚物混凝土相当的力学性能且前者的纤维用量仅为后者的40%左右;与整体式纤维增韧机理不同,层布式钢纤维地聚物混凝土试样中双层钢纤维相当于“双层弹性板”,除了聚丙烯纤维以及钢纤维的“桥接”作用,还可与基体周围的钢纤维互相交叉形成网状结构,钢纤维网状结构之间的相互作用限制了纤维的相对位移,显著提升了试样的力学性能。