基于紧密堆积理论的混凝土弹性模量与徐变控制

为降低连续刚构桥跨中下挠幅度,针对弹性模量与徐变2种影响因素,提出一种基于骨料紧密堆积理论的配合比优化控制方法,并对比原配合比研究了优化控制方法对不同龄期与环境下的弹性模量与徐变的影响;结合SEM(scanning electron microscope)与MIP(mercury intrusion porosimetry)试验,从混凝土微观层面分析优化机理,以CEB-FIP(1990)模型为基础,提出考虑弹性模量成熟度的修正模型.结果表明:优化控制方法对早龄期混凝土弹性模量具有明显的控制效果,但界面过渡区面积的增加限制了后期弹性模量的发展;相同条件下,优化后混凝土徐变系数较原配合比降低了12%~23%;环境对混凝土徐变影响与优化控制方法相比占主导作用,不同环境下混凝土徐变变化幅度在45%~60%;混凝土徐变随加载龄期延长而减小,且优化后混凝土在较小加载龄期时,徐变仍比较大加载龄期的原配合比混凝土徐变降低3%~13%;优化后混凝土早龄期内部孔隙与微裂缝数量减少,改善了混凝土内部结构;修正后的CEB-FIP(1990)模型对徐变预测精度更高.

紧密堆积理论优化的固井材料和工艺体系

常规固井水泥浆在混合和泵送顶替时的最优性能与长期层间封隔水泥环柱所要求的力学性能总是矛盾的,在密度低或高时矛盾更加突出。粉末技术和钠米材料以及微细颗粒大小分布测试技术的发展,促进了材料力学的发展,材料科技工作除关注化学键力的开发外,更注意颗粒间范德华力的开发,并发现紧密堆积理论是获得高性能固井材料的关键。利用紧密堆积理论与颗粒大小分布技术,使微细胶凝颗粒挤入材料的空隙,材料的胶空比大幅度降低,提高颗粒间的范德华力,从而创造出了新一代高性能胶凝材料。但用于紧密堆积的微细胶凝颗粒应是水化膜薄、外形呈球形、具有较好活性的颗粒。介绍了线性堆积密度模型以及二元系统的最大堆积密度与微细胶凝材料直径的关系,提出二元系统最大堆积时微细胶凝材料的体积分数为0.18～0.27,对于密度与水泥相近的微细胶凝材料,其最佳掺量为18％～27％,指出二元充填微细胶凝材料的尺寸应在被填充材料颗粒尺寸的1/2.5至1/10范围内;提出了干混材料堆积体积分数(PVF)的概念,PVF值越高,水泥浆性能越好。新一代高性能固井材料包括低密度高性能水泥浆、常规高性能水泥浆、高密度高性能水泥浆、微矩阵水泥和微细优化水泥,介绍了新型固井材料性能的优化设计以及与微细优化水泥相应的新的固井工艺——超低?

基于紧密堆积理论的环氧混凝土配合比设计

基于紧密堆积理论,采用MAA模型和Fuller最大密度理论选出了砂石骨料的最优级配,应用正交试验方法确定了环氧混凝土的最佳配合比,并进行了力学性能评价和微观分析。结果表明:砂石骨料经级配优化后,紧密堆积空隙率明显降低,最紧密堆积空隙率仅为22.23%。骨胶比对环氧混凝土劈裂抗拉强度具有显著性影响,水泥适合作为填料掺入环氧混凝土中。环氧混凝土的立方体抗压强度随龄期的增长而略有增长,且与环氧树脂的固化程度紧密相关,当环氧树脂完全固化时,环氧混凝土的立方体抗压强度基本不再随龄期而变化。经级配优化后,环氧混凝土的力学性能得到改善,立方体抗压强度有所提高。通过SEM微观测试分析发现,级配优化后的环氧混凝土内部有害缺陷明显减少,体系密实均匀,内部黏结力更强。

基于最紧密堆积理论合理选择UHPC的减水剂掺量

研究了减水剂掺量对超高性能混凝土的湿堆积密实度、工作性能以及强度的影响,进而得到减水剂掺量的最优选择区间。试验结果表明,超高性能混凝土强度最高时的减水剂掺量为3%,工作性能最优时的减水剂掺量为4%,因此,减水剂掺量的最优选择区间为3%~4%。减水剂掺量的合理选择不仅能够降低能源消耗和成本,也对制备更高性能的超高性能混凝土具有重要意义。

基于紧密堆积理论的低密度固井水泥浆设计

合理的颗粒级配是提高固井水泥环内部密实度、早期力学强度和界面胶结能力的关键。基于此,本文从几种典型的连续颗粒级配的紧密堆积理论中优选出DFE进行固井水泥浆体系设计,并通过大量实验首次确定了适宜G级油井水泥基深水固井水泥浆体系设计的n值最优范围:0.33~0.40。结合激光粒度分析仪实测结果,在粒径≤3.38μm、3.38~70.70μm、≥70.70μm三个范围内依次采用纳米CaCO_3(nano CaCO_3,以下简称“NC”)、G级油井水泥和漂珠,并按DFE(n=0.33~0.40)体积分布曲线进行混配。在此基础上,提出一种密度为1.50 g/cm^(3)的低成本低温早强三元固相级配水泥浆体系,并与漂珠二元固相水泥浆体系和NC二元固相水泥浆体系的性能进行对比。研究结果表明:该三元体系水泥石的抗压强度、抗折强度和二界面胶结强度相比于漂珠二元体系和NC二元体系分别提高了7%~21.1%、13.4%~51.9%和41.4%~122.2%。三元体系的固井水泥石在垂向上的最大密度差为0.022 g/cm^(3)。基于DFE设计的三元体系具有良好的流变性、稳定性和力学性能。DFE对于多元固井水泥浆体系的设计和应用具有一定的指导意义,在保证低密度的前提下能够有效地提高固井水泥石的早期强度和综合性能。

基于紧密堆积理论水泥基灌浆料配合比研究

采用紧密堆积理论对高性能灌浆材料的配合比进行了设计,研究并优化了紧密堆积理论的分布模数n.将10~120目连续级配的石英砂和沙漠砂作为灌浆料的细骨料,利用Andreasen方程与Dinger-Funk方程进行骨料级配优化设计,使得灌浆材料结构内部达到一种较为致密的状态,降低了内部孔隙率,提高了抗压强度.试验研究发现:当分布模数n=0.37时,经Dinger-Funk方程优化后水泥基灌浆材料的颗粒级配更加合理,抗压强度表现更优.

基于颗粒最紧密堆积理论的真空搅拌轻骨料混凝土配合比设计

为配制轻骨料混凝土,选用中空玻璃微珠和页岩陶粒作为减重材料,并基于颗粒最紧密堆积理论确定了水泥—玻璃微珠—硅灰体系的组成和用量。依照绝对体积法计算各组分的配合比,设计了3组不同胶凝体系与骨料体系比例的混凝土,最后选用比强度最高的一组,运用真空搅拌技术进一步提高混凝土的力学性能,并对比研究了不同真空度下混凝土的3 d、28 d的抗压强度和表观密度。试验结果表明,成功配制出了表观密度小于1350 kg/m^(3)、抗压强度大于40 MPa的轻骨料混凝土,可为轻骨料混凝土的发展与应用提供理论依据。

基于紧密堆积理论研究细骨料对UHPC性能的影响

超高性能混凝土可延长混凝土的使用寿命、减少结构的二次修补、降低水泥的需要量、提升资源的利用率.应用紧密堆积理论,选取不同分布模数下的不同颗粒级配、不同的养护龄期对超高性能混凝土的抗压强度、抗折强度以及工作性能影响进行试验研究.试验结果表明,分布模数n为0.37时,不同龄期试块的抗压强度和抗折强度均达到峰值,工作性能随着分布模数的增加几乎呈线性增长的趋势.本超高性能混凝土的试验研究可为今后的研究提供理论参考.

基于最紧密堆积理论的超高性能混凝土配比设计

实际生产过程中,超高性能混凝土(UHPC)的配制及性能往往受到原材料品质波动的制约。为此,基于最紧密堆积理论,采用改进Andreasen模型和最小二乘拟合算法,对现有UHPC基体中的粉料材料最紧密堆积配比进行了计算。随后参考计算结果设计了不同UHPC配比,用最大固相含量法测试了不同配比UHPC基体的堆积密度,根据相关标准测试了各个配比UHPC的力学性能、收缩性能,采用化学结合水法对胶凝材料水化程度进行了测试,采用SEM对基体3 d和28 d龄期的微观形貌进行了分析。结果表明:根据最紧密堆积理论进行配比设计,UHPC中的水泥用量大幅降低;优化后不同配比UHPC及其基体的力学性能与最大固相含量法测试的结果相吻合,得到的UHPC基体最大抗压强度为136.1MPa。总而言之,结合最紧密堆积理论和最大固相含量法进行UHPC配比设计,可以克服材料局限性,得到水泥用量较少并且性能更优的UHPC配比。

基于最紧密堆积理论超密实再生砂浆制备研究

再生混凝土或再生砂浆通常被认为力学和耐久性能较低,为研究再生水泥基材料性能,利用颗粒最紧密堆积理论,根据超细再生微粉和超细矿物掺合料颗粒粒径分布,将不同细度颗粒进行合理掺配,使胶凝体系最大程度上接近紧密堆积,制备出超密实再生砂浆,并计算粒径分布的分形维数,探讨其对抗压强度和孔隙率的影响。研究结果表明:最紧密堆积的混合料粒径分布具备分形特征,粒径分布的分形维数值越小,颗粒粒径分布越复杂,整体密实程度越高;粒径分布分形维数值较高的混合胶凝粉体,制备的试样早期强度较低。此外,利用最紧密堆积原理制备的超密实胶凝体系的孔隙率低于简单混合的胶凝体系试验组的孔隙率,孔径分布也更合理。

超高性能混凝土设计理论与磷石膏高质利用研究进展

从干堆积、湿堆积、化学堆积、复杂原料的等效堆积等方面综述了超高性能混凝土(UHPC)配合比设计理论从MAA模型发展至全尺度物理和化学协同堆积模型的过程,阐述了人工智能技术在提升理论设计精度中的重要应用,以及借助UHPC设计理论实现固废高质化利用和混凝土高性能协同提升的可行性,可为UHPC原材料的优化设计提供参考。

紧密堆积理论与高性能矿物胶凝体系的发展

紧密堆积理论基于材料的微观分析,通过干混合组份的选择及颗粒大小分布提高单位体积水泥中的填充固相。此外还通过在水泥浆中改善物质的表面性质,减少颗粒间的填充水及表面的润滑水,进一步提高单位体积水泥浆中的固相,使之形成高强的水化产物,更加致密的水泥石。文中介绍了线性堆积密度模型,计算出二元系统最大堆积时微细胶凝材料体积分数为0.18-0.27,提出二元填充微细胶凝材料尺寸应为被填充材料尺寸的1/2.5-1/1O,并提出PVF(干混堆积分数)=∑绝对体积/∑散装体积的概念。

基于图像法对自密实超高性能混凝土性能提升的研究

为提升超高性能混凝土(UHPC)的性能,采用改进后的Andreasen&Andersen颗粒堆积模型设计UHPC基体配合比,利用图像法分析UHPC不同基体黏度对钢纤维分布的影响,并通过抗压强度结合纤维分布系数选择合适的基体黏度,研究不同形状、体积掺量的钢纤维对UHPC力学性能的影响,最终得到力学性能最佳的配合比。试验结果表明:良好的UHPC基体黏度在均匀分散钢纤维的同时可以避免内部出现过多气泡,进一步提升UHPC抗压强度;与端钩、长直形钢纤维相比,波纹形钢纤维在相同黏度下分散效果更佳,且对UHPC基体力学性能提升效果更好。UHPC最佳配合比为水胶比0.16,水泥、硅灰、矿渣质量比0.75∶0.2∶0.05,波纹形钢纤维体积掺量3%,减水剂质量分数0.8%,此时粉体颗粒最紧密堆积、钢纤维分布均匀,UHPC性能最佳。

相变壁材微球对固井水泥浆性能影响与调控机制

【目的】当前在含水合物地层固井用相变微球低热水泥浆设计时,未充分考虑相变微球粒径及质量分数对水泥浆性能的影响,导致水泥浆性能降低和成本增加,从而引发一系列固井质量问题,因此,分析相变微球对固井水泥浆性能影响及调控机制尤为关键。【方法】为排除相变芯材储热效应的干扰,以自制的多级粒径相变壁材微球为研究对象,研究壁材微球粒径和质量分数对水泥浆性能的影响,建立了不同水化龄期水泥浆的Dinger-Funk方程(DFE)模型,揭示了壁材微球对固井水泥浆性能的调控机理。【结果和结论】结果表明:(1)相较于质量分数,微球粒径对固井水泥浆流动性能和力学性能影响更大,在进行相变微球低热固井水泥浆设计时,需重视微球粒径对固井水泥浆性能的影响。(2)微球质量分数增大对水泥浆体系存在2种不同的效应,一方面是堆积密度增大导致的水泥石力学强度提升以及水泥浆流动性能减弱效应,另一方面是微球引入本身强度缺陷导致的水泥石强度下降效应,这2种效应的主导地位取决于微球的质量分数和粒径,其中质量分数对两种效应起决定性作用,当质量分数较小时,堆积密度上升效应占主导,当质量分数超过4%时,强度缺陷效应占主导,2种效应共同作用下,水泥石单轴抗压强度呈现先上升后下降的趋势。(3)最紧密堆积DFE模型与水泥浆流动性能和力学性能有较强的相关性,当固井水泥浆DFE模型处于较优状态时,通常意味着该体系具有较好的流动性和力学性能。研究结果为热敏地层低热相变微球固井水泥浆设计提供有益参考。

基于性能需求的机制骨料混凝土配合比设计

基于Dinger-Funk级配理论提出了机制骨料级配设计方法,通过修正Bolomey公式明确了适用于机制骨料混凝土的强度-水胶比关系;通过引入裹浆厚度概念建立了骨料与浆体之间的体积关系,并将机制砂中的石粉视作浆体组成,建立了机制骨料混凝土的配合比设计方法并进行了验证.结果表明:混凝土的工作性可以通过裹浆厚度来加以调控;混凝土的抗压强度和氯离子扩散系数与裹浆厚度无明显相关性,可以通过水胶比来加以调控;本文提出的配合比设计方法可以定量设计满足不同性能需求的机制骨料混凝土.

聚乙烯醇纤维沙漠砂混凝土配合比试验研究

为充分发挥沙漠砂的颗粒填充优势和改善沙漠砂混凝土力学性能,本文基于Dinger-Funk紧密堆积理论开展了聚乙烯醇纤维沙漠砂混凝土配合比设计方法的试验研究。首先,应用Dinger-Funk紧密堆积理论得到优化砂率为42%,优化沙漠砂质量替代率为10%、20%和30%,混凝土骨料颗粒级配得到改善,混合细集料的细度模数从3.27分别降到2.92、2.81和2.71,有效孔隙率从2.50%分别降到1.65%、1.45%和1.51%;其次,采用正交试验方法,研究了水胶比、沙漠砂质量替代率、聚乙烯醇纤维体积掺量对混凝土和易性、抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的影响规律。结果表明,随沙漠砂质量替代率和纤维掺量的增加,混凝土拌合物和易性先提高后降低,抗压、劈裂抗拉和抗折强度均表现为先增大后减小的趋势。综合考虑和易性和力学性能试验结果,确定C30聚乙烯醇纤维沙漠砂混凝土最优配合比为水胶比0.45,沙漠砂质量替代率20%,聚乙烯醇纤维体积掺量0.10%。

城市立交桥快速连接用超早强灌浆料配合比优化及应用性能

城市立交桥梁柱节点快速可靠连接有赖昼夜早强的套筒灌浆料的成功研制。本文首先计算灌浆料干粉料的最紧密堆积效果,再用正交试验方法进行灌浆料流变、力学与膨胀性能优化,并结合XRD、SEM手段分析其晶型和微观形貌。结果表明,硫铝酸盐水泥∶硅酸盐水泥∶石英砂∶硅灰∶粉煤灰∶微珠比为0.27∶0.09∶0.562∶0.039∶0.0195∶0.0195时,干粉料的紧密堆积效果最好。正交分析表明,灌浆料流动性、12h抗压强度的影响顺序分别为减水剂掺量(w_(PCE))>水胶比(W/B)>硅灰掺量(w_(FS))>钢纤维掺量(w_(ST))、w_(ST)>w_(FS)>W/B>w_(PCE)。结合正交优化与经济性平衡结果,验证最优配比下灌浆料初始流动度、30min后流动度分别为300mm、265mm,12h强度、3d强度28d强度分别达60.0MPa、74.7MPa、101.4MPa,3h竖向膨胀率、24h与3h竖向膨胀率之差分别为0.0613%、0.025%,完全满足JG/T 408-2019规范要求。灌浆料水化12h就产生大量CSH与钙矾石,微观结构紧密,同步支撑其昼夜早强与微膨胀性能。

组成及骨料特性对UHPC基体流动性和抗压强度的影响

本工作通过调整砂胶比和拟合改进的Andreasen-Andersen颗粒堆积模型,计算得到了UHPC基体中各固体组分的比例。基于新拌超高性能混凝土(UHPC)基体的湿堆积密度和流动性确定了高效减水剂的最优掺量。研究分析了不同配合比设计参数(砂胶比和胶凝材料组分)、骨料特性(颗粒球形度和圆度)对UHPC基体的流动性和抗压强度的影响。结果表明:当砂胶比从0.8增加为1.2时,掺河砂的UHPC基体的湿堆积密度、流动性和7 d抗压强度逐渐降低;对比调整砂胶比和改变胶凝材料组分的掺量,UHPC基体的流动性和湿堆积密度变化趋势主要受砂胶比影响;当高效减水剂掺量为0.5%~2.0%时,UHPC基体的PFT、湿堆积密度和流动性先缓慢升高后迅速下降;骨料形状对UHPC基体的湿堆积密度、流动性和28 d抗压强度的影响较大;在UHPC基体实现紧密堆积后,影响UHPC基体的抗压强度的主要因素为骨料形貌,而胶凝材料组分掺量的影响较小;当骨料最大粒径相同时,增加骨料的球形度和圆度显著增加了UHPC基体的流动性,但降低了UHPC基体的抗压强度。

耐碱玻璃纤维混凝土的配合比设计

为解决耐碱玻璃纤维防腐蚀问题,基于最紧密堆积理论,提出了混凝土配合比设计的新方法:在保证粗、细集料处于最紧密堆积的状态下,减少混凝土中的水泥用量.粉煤灰作为细集料早期填充混凝土的空隙,后期发挥胶凝材料的作用,其掺量可达30%以上,并且同时可以保证混凝土的早期强度不降低.耐碱玻璃纤维应用在这种富含活性混合材料的混凝土中既可以提高混凝土的抗拉强度又能够保证纤维不被腐蚀.

硅微粉对水泥浆体流变性能的影响

运用水化热测定仪、流变仪、以及Dinger-Funk紧密堆积等方法,研究了硅微粉掺入水泥中对复合浆体的流变性能的影响,比较了不同硅微粉掺量对复合浆体的早期水化放热、紧密堆积程度、屈服应力和塑性粘度的作用。结果显示:硅微粉取代水泥后,降低浆体水化热放热量,提高了体系紧密堆积程度;Bingham流体仍适用于硅微粉-水泥复合浆体,取代5%、10%、15%水泥的复合浆体,屈服应力和塑性粘度在0、60 min时都小于纯水泥浆体,并且取代10%水泥的复合浆体,其屈服应力和塑性粘度在0、60 min时都最小,流变性能最好。