再生复合微粉混凝土界面过渡区性能研究

为研究再生复合微粉复掺比对混凝土界面过渡区性能的影响机理,用宏微观试验相结合的方法,分析不同复掺比对混凝土劈裂抗拉强度和显微硬度的影响规律,并利用灰色关联法探究力学性能与微观结构的关系。结果表明:再生砖粉对混凝土的改善效果优于再生混凝土粉,且掺入合理的再生复合微粉会改善混凝土界面过渡区的微观结构;再生复合微粉混凝土各组相显微硬度关系为:骨料相>砂浆相>界面过渡区相,且界面过渡区厚度随养护龄期的增加而逐渐减小;界面过渡区厚度与劈裂抗拉强度关系显著,呈线性负相关,所建立的模型拟合度较高。界面过渡区厚度能准确地表征再生复合微粉混凝土宏观性能变化规律,当再生混凝土粉/再生砖粉为2∶8时,可制备出性能良好的C30混凝土,具有良好的推广应用价值。

含界面过渡区随机分布多边形骨料沙漠砂混凝土高温后抗压强度研究

为研究试件尺寸、界面过渡区(ITZ)厚度及强度、沙漠砂替代率(DSRR)对沙漠砂混凝土(DSC)经历高温后抗压强度的影响,将DSC看作三相复合材料,建立含ITZ随机分布多边形骨料有限元模型,利用ANSYS对高温后DSC单轴受压破坏过程进行数值模拟。结果表明:模拟结果与试验结果误差在-2.59%~3.13%,吻合良好。高温后DSC抗压强度随试件尺寸增大而减小,强度下降范围为1.44%~4.13%;抗压强度随ITZ厚度增加呈逐渐减小趋势;随着ITZ强度增加,抗压强度基本呈线性增大趋势;抗压强度在DSRR为40%时最优,研究结果可为DSC工程应用提供理论依据。

除冰盐冻融作用下混凝土界面粘结强度与界面过渡区细观力学性能的关系

界面过渡区(Interfacial transition zone, ITZ)是混凝土内部结构的薄弱环节,也是外界侵蚀性离子向内扩散渗透的通道。通过除冰盐快速冻融实验研究了在除冰盐冻融环境下混凝土界面宏观和细观力学性能的变化规律。结果表明,混凝土粗骨料与砂浆的界面粘结强度和ITZ显微硬度在盐冻过程中均呈现出典型的两段式线性变化,即随着盐冻循环次数增加而增强的初始强化阶段和随着盐冻循环次数增加而降低的后期劣化阶段;初始界面粘结强度或ITZ显微硬度随着水胶比的增大而减小,初始强化速率减慢,后期劣化速率加快,且低水胶比的混凝土有着较好的抗盐冻性能;盐冻过程中混凝土粗骨料和砂浆的界面粘结强度与ITZ显微硬度之间具有较明显的相关性。此研究结果为盐冻环境下混凝土细观力学分析提供了基础数据。

机制砂砂浆界面过渡区特性研究

研究机制砂砂浆界面过渡区特性对于提升机制砂砂浆强度与耐久性具有重要意义。通过扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕和三维图像相关(3D-DIC)技术观测了河砂砂浆和机制砂砂浆的界面微观结构、微区力学强度和非均匀变形。结果表明,机制砂砂浆的界面过渡区宽度大于河砂砂浆,但砂浆中细骨料颗粒与浆体的界面裂缝却更小,同时机制砂棱角位置易产生微裂纹。机制砂的界面过渡区弹性模量略高于河砂,说明机制砂能一定程度削弱骨料的边壁效应。砂岩机制砂砂浆的收缩变形非均匀性最大,其内部出现较大的拉伸应变,最终引起了更严重的损伤分布,这表明细骨料中刀片状颗粒占比偏多会增大砂浆局部开裂风险。

产气微生物掺量对水泥基材料界面过渡区性能的影响

界面过渡区是混凝土结构中的薄弱部分,对混凝土的性能有重要影响。选用酵母菌作为产气微生物,研究了产气微生物掺量对水泥-骨料界面过渡区性能的影响。结果表明:酵母菌的加入加速了Ca(OH)_(2)的消耗,促进了CaCO_(3)、C-S-H等水化产物的生成,细化了界面过渡区结构,优化了界面过渡区产物组成,降低了界面过渡区宽度,并增加了显微硬度;当微生物掺量为80%时,界面过渡区的优化效果最佳,与无微生物时相比,界面过渡区的宽度减少了14.3%~15.4%,显微硬度增加了15.2%~25.1%。

胶凝砂砾石纳米压痕试验及系统聚类法界面过渡区的研究

针对胶凝砂砾石材料微观力学性能的研究成果较少的问题,以及胶凝砂砾石材料界面过渡区的存在性问题,提出了胶凝砂砾石不同相的确定方法以及界面过渡区尺寸的确定方法.结合纳米压痕试验,绘制微观力学性能图像,采用系统聚类法对测试矩阵内的测试点进行分类.在试验阶段,考虑到胶凝砂砾石的材料特性,完善了“30-2-30”测试制度,通过荷载-深度曲线结合Oliver-Pharr方法求出胶凝材料硬度H为0.18 GPa,折合模量Er为13.13 GPa,砂砾石材料硬度H为8.60 GPa,折合模量Er为84.56 GPa.在计算阶段,采用系统聚类法确定界面过渡区范围,确定其尺寸约为18μm.

纳米材料对水泥基材料界面过渡区影响的研究进展

文章基于文献调研,系统总结和分析了国内外有关纳米颗粒材料的特性、分类及纳米改性水泥基材料界面过渡区演变机制、纳米材料对水泥基材料力学性能的改性机理。研究发现,纳米颗粒材料改性能缩小孔隙体积,减少界面过渡区的微裂纹。同时,纳米颗粒材料的加入可有效改善水泥硬化浆体-骨料界面过渡区微观形貌,提升界面过渡区显微硬度。另外,纳米颗粒材料可通过加速水化反应、填充孔隙等改善力学性能。目前,纳米颗粒材料对水泥基材料微观结构及性能的相关研究结论仍未完全达成一致,因此还需要进一步的深入研究。

粉煤灰对煤矸石混凝土界面过渡区的改性效应

为了促进煤矸石在混凝土生产中的使用,考虑不同粉煤灰掺量(0%、10%、20%、30%、40%)对煤矸石混凝土(Coal gangue concrete,CGC)界面过渡区(Interfacial transition zone,ITZ)结构的影响,从宏观力学和微观力学两个尺度出发,揭示了粉煤灰对CGC的ITZ微观结构及宏观性能的改性机理。研究表明:在宏观力学上,掺加30%的粉煤灰可以提高CGC的劈裂抗拉强度。在微观力学上,加入30%的粉煤灰能显著提高ITZ的薄弱区的硬度值,使其硬度值的分布变得较为均匀。掺加粉煤灰后CGC的ITZ厚度明显减小。这说明掺入的适量粉煤灰在CGC的ITZ上发挥了物理作用及化学作用,改变了CGC的ITZ结构。

骨料强化方法对再生混凝土多界面过渡区微观结构的影响

为研究骨料强化方法对再生混凝土中界面过渡区微观结构的影响,采用显微硬度和背散射图像测试的方法,研究骨料整形,硅酸钠溶液浸泡,水泥-粉煤灰、水泥-矿渣和水泥-硅灰裹浆等骨料强化方法对再生混凝土中的旧骨料-新浆体、旧骨料-旧浆体和新浆体-旧浆体之间的3种界面过渡区的显微硬度、界面宽度以及微观形貌的影响。研究结果表明:骨料强化能够提高界面过渡区的显微硬度,降低界面过渡区的宽度,从而改善界面过渡区;骨料整形去除了再生骨料表面的旧浆体,增大了旧骨料与新浆体的接触面积;硅酸钠溶液浸泡通过水玻璃及其水解产物与旧浆体中水化产物之间的化学反应,提高了界面过渡区的密实度;火山灰材料的火山灰效应和填充效应填充了界面过渡区中的孔隙,提高了界面过渡区的密实度。相比于未处理组,水泥-硅灰组旧骨料-新浆体、旧骨料-旧浆体和新浆体-旧浆体界面过渡区的显微硬度平均值分别增大了38.7%,63.1%和52.6%,宽度分别减少了40%,46.2%和45.5%。背散射分析表明,骨料强化后再生混凝土界面中的未水化水泥颗粒和孔隙减少,界面过渡区的宽度较低,界面过渡区变密实。研究成果可为再生骨料强化方法的优选,以及再生混凝土性能的提高起到积极的作用。

硅灰对再生混凝土界面过渡区的影响

为改善再生混凝土的力学和耐久性能,以硅灰为增强材料对再生混凝土进行改良。研究了硅灰对再生混凝土3 d、28 d、90 d抗压强度和28 d、90 d抗氯离子渗透性能的影响。结合扫描电镜、显微硬度等微观观测手段,分析了28 d再生混凝土试样微观结构和性能变化。采用压汞法测试了再生混凝土的孔结构参数,探究硅灰对再生混凝土孔隙性能的影响。结果表明:硅灰可以提升再生混凝土的抗氯离子渗透性能,随掺量的增加提升效果先增后减;掺入硅灰可以改善再生混凝土多重界面过渡区结构,增加界面过渡区(ITZ)显微硬度,降低孔隙率。再生混凝土内部存在较多有害孔隙,硅灰可以细化孔隙结构,降低孔隙率,掺量为6%时效果最佳。

人造骨料表面改性改善混凝土界面过渡区性能研究

针对混凝土用人造骨料表面疏松多孔和水泥浆体结合能力不足的问题,提出包覆和表面疏水特性修饰的新方法处理人造骨料。试验将不同质量分数的硅烷偶联剂溶液与有机硅树脂联合改性应用于碳化养护的人造骨料,研究改性方法对人造骨料吸水率、颗粒强度、骨料-水泥砂浆黏结强度等性能的影响规律,利用细观/微观测试分析方法表征改性前后人造骨料的微观结构以及人造骨料与水泥砂浆的界面形貌。结果表明,较单一使用化学溶液改性人造骨料,联合改性方法可显著优化人造骨料的表面微观结构,提升骨料性能,骨料吸水率可降低至1.74%。当硅烷偶联剂质量分数为5%时,人造骨料表面形成厚度合适的改性层,人造骨料与水泥砂浆的结合程度显著提升。

超临界CO 2条件下混凝土界面过渡区微结构特征演变规律研究

为研究粉煤灰混凝土在超临界碳化前后界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)微结构的演变规律,采用扫描电镜对碳化前后ITZ附近的微观形貌进行了分析,同时构建了ITZ和水泥砂浆的孔隙率与压痕模量的关系模型.通过纳米压痕试验测得ITZ和水泥砂浆的压痕模量,并通过压汞试验测得水泥砂浆的孔隙率,推导出了ITZ的孔隙率.研究结果表明:经过超临界碳化处理后,粉煤灰混凝土界面过渡区变得更加密实.此外,超临界碳化前ITZ孔隙率范围为20%~35%,碳化后ITZ孔隙率范围为10%~26%,相比前者减少了25%~50%.

基于统一相场理论和内聚力模型的钢纤维混凝土界面过渡区力学性能研究

为探究数值模拟中界面过渡区不同建模方式对钢纤维混凝土力学性能及其损伤、破坏过程的影响,基于统一相场理论和内聚力模型,针对含单根钢纤维的混凝土拉伸试验,采用2种方法建立钢纤维混凝土界面过渡区的数值计算模型,对比分析不同建模方式对钢纤维混凝土力学性能及其破坏形态的影响,并考察不同因素对含单根钢纤维的混凝土极限抗拉强度的影响。结果表明,对混凝土基体部分采用相场断裂模型、界面过渡区采用内聚力模型,无论是计算结果还是细观破坏形态,都具有较好的准确性和可靠性;初始裂缝位置取30 mm和35 mm的钢纤维混凝土抗拉强度比取25 mm时分别提高30.8%和75.7%,钢纤维埋置角度为15°,30°和45°时的钢纤维混凝土抗拉强度比0°时分别降低12.2%,30.8%和48.9%,钢纤维增强作用受初始裂缝位置及钢纤维埋置角度影响较大,受钢纤维直径影响相对较小。采用统一相场理论可降低分析的难度、保证较高的计算精度,为研究钢纤维混凝土的损伤、断裂过程提供了理论参考。

混凝土界面过渡区对裂纹扩展过程的影响

混凝土是由水泥砂浆、粗骨料和界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)组成的非均质复合材料。ITZ作为混凝土内部的最薄弱相,对混凝土的宏观断裂有重要影响。基于PFC 2D的FISH语言,建立了能反映混凝土骨料、水泥砂浆和ITZ等复杂细观结构的离散元模型,并探讨了在单轴压缩载荷下ITZ强度分布和强度值对混凝土裂纹扩展过程的影响。数值模拟结果表明:混凝土裂纹遵循从中心向加载端扩展的趋势,超过80%的裂纹出现在峰值应力后的软化阶段;ITZ强度分布对混凝土裂纹扩展过程影响较弱,当ITZ强度呈现U形分布时,混凝土中裂纹数量较多;ITZ强度值对混凝土断裂程度及最终断裂形式影响显著,当ITZ的最小黏结强度与砂浆黏结强度比p<0.5时,混凝土强度显著降低,且裂纹围绕混凝土模型中心分散扩展形成网状宏观裂纹,导致试件发生散碎破坏,当p>0.6时,裂纹从混凝土试样中心向加载端集中扩展形成宏观贯通裂纹,导致试件发生块状破坏。

热活化煤矸石粉对基体-骨料界面过渡区性能的影响

煤矸石是煤炭工业产生的固体废弃物,持续产生及长期堆存会对环境产生一定影响,亟需开展资源化利用研究。以贵州黔西市煤矸石为研究对象,以粗粒级煤矸石为骨料,热活化后细粒级煤矸石为矿物掺合料,采用微机控制抗压抗折试验机、显微硬度仪、扫描电子显微镜研究热活化煤矸石粉对基体-骨料界面过渡区性能的影响。结果表明:随着热活化煤矸石粉掺量的增加,胶砂试块的抗折强度和抗压强度均先升高后降低,质量分数为2.5%的热活化煤矸石粉对胶砂试块力学性能具有提升作用,能够减小界面过渡区宽度,提高界面过渡区显微硬度,同时密实界面结构;随着热活化煤矸石粉掺量进一步增加,界面过渡区宽度反而增大,微孔数量和尺寸也增加,部分胶凝物质呈团状附着在煤矸石骨料表面,进而对胶砂力学性能产生不利影响。

混凝土界面过渡区三维分形冲击模型HJC强度参数仿真

为了研究HJC等效应力本构关系中各参数在混凝土数值模拟中的敏感性,基于水泥水化分形特征,将混凝土界面过渡区看作球壳形薄体,以计算机时间为“随机种子”,运用FORTRAN语言编写球形骨料随机投放程序,通过建立30μm厚界面相的混凝土三维三相有限元模型,研究冲击体、承载体以及砂浆、界面相和骨料的交互动力响应。以10 m/s的冲击速度进行ANSYS/LS-DYNA动力学有限元仿真,得到混凝土随时间变化的破坏模式和应力时程曲线。结果表明:在冲击荷载作用下,混凝土三维三相细观模型裂纹从冲击面延展至承载面,界面相处先破坏,砂浆少量破坏,骨料基本无破坏;承载面平均压应力时程曲线呈“双峰”特征;HJC等效应力本构关系中各参数的敏感性排序:压力硬化系数>凝聚强度>压力硬化指数。

混凝土中水泥浆体与骨料界面过渡区的形成和改进综述

界面过渡区是水泥浆与骨料之间的薄层部分,具有孔隙率高、氢氧化钙晶体富集和定向排列等特点。其形成机理主要包括边壁效应、微区泌水效应、离子迁移和成核效应、单边生长效应、絮凝成团效应及脱水收缩效应。各种效应协同作用,导致界面过渡区成为混凝土最薄弱的环节。提高界面过渡区的粘结性能有利于改善混凝土的力学性能和耐久性。本文综述了常用的界面过渡区改进方法,即掺加矿物掺合料和纳米材料、改性骨料、生物矿化以及二氧化碳养护等,并比较了不同改进方法的优缺点,可为界面过渡区的形成机理和改进方法的研究及其在实际工程中的应用提供参考。

界面过渡区与骨料特征对混凝土强度及变形影响的数值模拟研究

界面过渡区是混凝土结构中力学性能最薄弱的区域,其强度直接影响混凝土的力学性质,骨料强度及均匀性同样是混凝土结构设计需重点关注的参数。本文基于离散元方法,研究了骨料强度、界面过渡区强度、骨料均匀性及尺寸对混凝土强度及变形的影响规律。结果表明:骨料破碎为试样内部微裂纹的扩展与合并提供了新的路径,大量网状裂隙面的形成加速了试样的破坏;试样的峰值强度及弹性模量随界面过渡区强度的增加呈线性增加趋势,界面过渡区强度的增加可减小试样的径向变形,随界面过渡区强度提高,混凝土应力应变曲线的峰后段逐渐由韧性向脆性转变;骨料强度对峰值强度影响较小,对弹性模量几乎没有影响。骨料均匀性好的试样的径向变形小于均匀性差的试样,试样的峰值强度及弹性模量随骨料尺寸增加而增加,但是增加幅度远低于界面强度对峰值强度带来的提升。

等效参数替换法构建混凝土界面过渡区的数值模型研究

混凝土界面过渡区的厚度在微米级范围,为了达到界面相超薄体在混凝土细观仿真模拟中应用的目的,对混凝土三维三相模型进行五面体和四面体网格的混合划分,以四、五面体相同的力学传递结果为依据,替换有限元模型HJC本构关系的计算参数。结果表明,混合划分等效模型与全四面体划分模型的有限元计算结果一致,混合网格建模是可行的。在不同冲击速度下进行Ansys/LS-DYNA有限元数值仿真,采用微米级厚度界面相等效参数替换方法得到的数值模拟破坏模式和应力-应变曲线结果与试验结果拟合良好。

考虑界面过渡区及集料因素的水泥基材料碳化模型

集料和界面过渡区对水泥基材料抗碳化性能有显著影响。基于Fick第二定律,提出一种考虑集料和界面过渡区影响的CO_(2)扩散模型,模型中首次引入界面过渡区的扩散系数并给出相应参数的计算方法,并基于质量守恒定律给出CO_(2)反应模型,利用该模型研究荷载作用下C30和C50混凝土中CO_(2)的浓度分布。结果表明,考虑集料和界面过渡区影响能更准确地计算CO_(2)在水泥基材料中的扩散系数及碳化深度值。通过与文献中的试验数据进行比较,进一步验证了理论模型的可靠性。模型将集料和界面过渡区作为评价混凝土耐久性的重要因素,为钢筋混凝土结构的设计和寿命预测提供依据。