天然火山灰在水泥基材料中的应用基础

天然火山灰材料分布广,具有一定活性,但其物理化学性质差异大,导致其在混凝土中应用的宏观性能存在差异。本文从火山灰分类、火山灰活性表征、活性激发、水化动力学、水化产物等方面综述了火山灰-水泥复合胶凝材料体系的特点。将火山灰按化学组成进行划分,可分为硅质、铁质和铝质火山灰,其中硅质火山灰可进一步细分为铝硅质和铁硅质火山灰,综合评价了各种火山灰活性评价方法的优缺点,针对活性较低的火山灰,分析了机械、化学活性激发方法的原理和优缺点。最后,结合水泥水化动力学模型分析了复合胶凝材料体系的水化过程,并分析了复合胶凝材料体系的水化产物及孔隙结构特点。

B/CFRP筋海水海砂活性粉末混凝土梁抗弯性能研究

为研究B/CFRP-SSRPC结构的抗弯性能,以配筋率及梁截面高度为研究因素,对5根B/CFRP-SSRPC梁开展四点弯曲试验研究,探究研究因素对B/CFRP-SSRPC梁极限承载力、跨中挠度及破坏模式等的影响规律.试验结果表明:增大配筋率仅对试验梁开裂后抗弯性能有明显提升,增大梁截面高度对试验梁开裂前及开裂后抗弯性能均有提升,且对试验梁开裂前抗弯性能的提升更明显;所有试验梁均为脆性破坏,破坏模式与配筋率密切相关;现行中国、美国两国FRP筋普通混凝土结构设计规范均低估了B/CFRP-SSRPC梁的抗弯承载力及抗剪承载力,计算误差分别受试验梁的破坏模式及剪跨比影响.

超高性能海水海砂混凝土单轴受压应力-应变关系

为研究超高性能海水海砂混凝土(Ultra-High Performance Seawater Sea-sand Concrete,UHPSSC)轴压应力-应变关系,探究钢纤维体积掺量对UHPSSC轴压力学性能和轴压应力-应变全曲线的影响,使用Instron 1346万能材料试验机测得UHPSSC应力-应变全曲线,借助Pycharm曲线拟合程序与已有混凝土应力-应变全曲线模型进行拟合与修正.结果表明:钢纤维掺量越高,轴压作用下UHPSSC的破坏程度越小,抗压强度和峰值应变也随之增加;已有模型拟合的UHPSSC应力-应变全曲线上升段与试验曲线比较相近,下降段后期差距较大;通过修正下降段形状参数,得到了更适用于描述UHPSSC应力-应变全曲线的修正模型,并验证该修正模型的适用范围.

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。

纤维增韧水性环氧乳化沥青混合料性能研究

为提升水性环氧乳化沥青混合料的韧性,采用3种不同类型的纤维材料,分别为木质素纤维、聚酯纤维和玄武岩纤维,并探究它们在不同掺量(0.2%,0.4%,0.6%)下对水性环氧乳化沥青混合料路用性能的影响规律,对9组纤维改性后的水性环氧乳化沥青混合料进行了马歇尔稳定度试验、单轴压缩蠕变试验、低温劈裂试验、冻融劈裂试验、动态模量试验和间接拉伸疲劳试验,得到了马歇尔稳定度、蠕变变形量、破坏拉伸应变、冻融劈裂抗拉强度比、动态模量和疲劳寿命等评价指标结果,并与空白样的各项性能进行了对比分析。研究结果显示:纤维的掺加增加了混合料的最佳乳液含量,并显著增强了集料间的黏结力,从而有效改善了混合料的抗水损害能力。同时,纤维改性对水性环氧乳化沥青混合料的韧性和扩张力也有显著影响,经过纤维增韧处理的混合料在低温劈裂试验中的破坏拉伸应变最大可提升33.6%。基于纤维在提升水性环氧乳化沥青混合料性能方面的效果进行排序,玄武岩纤维表现最佳,其次为聚酯纤维,而木质素纤维排在第3。综合考虑路用性能和经济性,木质素纤维、聚酯纤维、玄武岩纤维的推荐掺量分别为0.2%,0.2%,0.4%。值得注意的是,高掺量的纤维可能导致其在混合料中分散性差,形成力学薄弱点,因此在选择纤维掺量时应对其予以谨慎考虑。

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。

基于海水海砂混凝土真实孔溶液浸泡环境下BFRP筋拉伸性能的退化

为探究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋在海水海砂混凝土环境中的长期力学性能,本工作研究了BFRP筋拉伸性能在海水海砂混凝土真实孔溶液浸泡环境下的演化规律。通过孔溶液压取和离子浓度分析,分别配制了普通海水净浆孔溶液(NA)和低碱度海水净浆孔溶液(LA)的浸泡溶液,同时在加速老化试验中与ACI 440.3R规范建议浸泡溶液(ACI)的测试结果进行了对比。试验所用筋材基体包括环氧树脂基(B/E筋)和乙烯基酯树脂基(B/V筋)两种。在不同温度和浸泡时间加速老化后,通过拉伸试验评估了BFRP筋的拉伸性能变化规律,并采用微观结构表征分析了劣化机理。试验结果表明,相较于降低氯离子浓度,采用降低孔溶液碱度的方法可以更有效地缓解BFRP筋长期力学性能的劣化,同时温度升高对B/V筋力学性能退化的影响比对B/E筋的影响更显著。BFRP筋在腐蚀过程中抗拉强度的劣化程度高于弹性模量,其中B/E筋在三种环境中腐蚀前后的弹性模量差别不大。乙烯基树脂的抗腐蚀能力优于环氧树脂,但其与玄武岩纤维界面性能较弱,导致B/V筋在模拟海水海砂混凝土孔溶液中的耐久性弱于B/E筋。

钢纤维形状和养护制度对超高性能混凝土强度及韧性的影响

热养护和掺加异形钢纤维是提高超高性能混凝土(UHPC)强度并改善韧性的有效技术手段。研究了养护制度(标准养护28 d、90℃蒸汽养护2 d、90℃热水养护2 d)和钢纤维形状(平直形、波纹形、端钩形)对UHPC立方体抗压强度、单轴抗压强度、抗折性能的影响,采用ASTM C1018、JSCE-SF4、修正的Post-Crack Energy Ratio(PCER)三种韧性表征方法对UHPC弯曲韧性进行评价,并借助三维光学扫描仪定量表征了掺加不同形状钢纤维的UHPC断裂面粗糙度。结果表明,相较于28 d标准养护,2 d热水养护和2 d蒸汽养护均能在一定程度上提高UHPC力学性能,且对UHPC抗折性能的提升较为显著。与掺平直形钢纤维的UHPC相比,掺端钩形钢纤维的UHPC的抗折强度和PCER韧性指标分别提升46.26%~58.82%和32.77%~39.81%,断裂面粗糙度提高41.67%;粗糙度参数与弯曲韧性具有良好的指数关系,可用于UHPC韧性的表征。此外,单轴抗压强度与立方体抗压强度存在线性关系,相关系数为0.83~0.93。采用ASTM C1018和PCER方法计算出的韧性结果与采用4 mm挠度处荷载-位移曲线包围的面积和抗折性能指标结果基本一致,提出的PCER方法引入初始弯曲韧度比来表征UHPC达到峰值挠度前的弯曲韧性,使得计算结果更为准确。

水性环氧乳化沥青超薄磨耗层层间黏结性能

为探究超薄磨耗层复合结构的层间黏结性能,采用先乳化后改性的方法制备水性环氧乳化沥青作为黏结层材料,以AC-13级配混合料模拟原始路面;选择AC-10,SMA-10,UWM-10这3种超薄磨耗层,通过直接剪切试验确定了各类型复合试件的荷载-位移拟合曲线,得到了剪切强度、峰值位移、剪切刚度和层间黏结能等性能指标,研究洒布量、试验温度、黏结剂类型、超薄磨耗层级配等因素对层间黏结性能的影响规律。结果表明:超薄磨耗层AC-10,SMA-10,UWM-10铺装的黏结剂推荐洒布量分别为0.9,1.2,0.9 kg/m^(2),加入水性环氧树脂对最佳洒布量的影响不大;环境温度对复合试件的层间力学性能有显著影响,随着温度升高,复合试件的剪切强度、剪切刚度、层间黏结能均减少,降幅达65%~90%;水性环氧乳化沥青的黏结性能显著优于空白样,改性黏结层的平均剪切强度、剪切刚度、层间黏结能分别为空白样的2.5,2.1,2.4倍,而在较高温度下,这些指标分别为空白样的3.3,2.5,3.5倍,水性环氧树脂的加入显著提升了黏结层的高温稳定性,使得热塑性乳化沥青向热固性方向发展;在3种超薄磨耗层中,SMA-10和UWM-10表现出更优异的黏结性能,而AC-10在路面温度达到35℃后的黏结性能会急剧衰退。

高温后玄武岩和玻璃纤维增强复合材料筋的力学性能

采用MTS万能试验机对不同温度处理后的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋的拉伸和剪切性能进行测试,研究了高温对BFRP筋和GFRP筋力学性能和破坏模式的影响.利用Weibull模型对不同温度处理后BFRP筋和GFRP筋的拉伸强度进行统计分析,采用热重分析仪定量化阐明BFRP筋和GFRP筋的热分解机制.结果表明:高温会导致BFRP筋和GFRP筋发生明显的颜色和形貌变化;BFRP筋和GFRP筋的拉伸强度、极限应变、韧性和剪切强度均随着温度的升高而呈先上升后下降的趋势,而弹性模量变化不明显.与相同温度处理后的GFRP筋相比,BFRP筋的拉伸性能较差,剪切性能较好;BFRP筋和GFRP筋的热分解特性解释了其高温后力学性能的退化机理.

老化SBS改性沥青的结构修复与性能评价

为恢复老化SBS改性沥青良好的使用性能,该研究使用菜籽油生物沥青(COA)与聚亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI)分别进行沥青组分调节,并修复SBS分子结构。通过对比不同再生组分对短期老化SBS改性沥青物理流变性能及分子量分布的影响,验证上述的双重再生机理。同时,根据未老化基质沥青与SBS改性沥青流变性能在双重再生剂作用下的变化规律,排除再生剂自身对相位角平台区的影响。在综合考虑双重再生SBS改性沥青的物理与流变性能情况下,分别确定COA与PAPI的最佳掺量。试验结果表明:双重再生剂不仅可以调节沥青组分,还能修复SBS分子结构,进而恢复老化SBS改性沥青物理与流变性能。双重再生剂的最佳配比为12%COA+1.25%PAPI;荧光显微镜测试结果进一步验证了PAPI具有重建SBS网络结构的作用。

应用SHPB试验对超高性能重混凝土动态性能的研究

为研究超高性能重混凝土的动态性能,对钢砂等体积替代石英砂比例为0%,20%,40%,60%和100%,以及磁铁矿砂替代比例为80%的超高性能重混凝土进行分离式霍普金森(SHPB)压杆试验。试验研究超高性能混凝土的破坏形态、应力-应变关系曲线、动态抗压强度、应变率敏感性等受重骨料替代率变化的影响,及钢纤维对超高性能重混凝土的动态性能的影响。试验结果表明:各配合比应力-应变关系曲线呈同一趋势;随着钢砂掺量的提升,动态峰值应力先增大后减小,当替代率为80%时达到最高;钢砂的掺入,可以使UHPC在高应变率下保持较高的应变率敏感性;钢纤维的掺入使试件的破坏形态由碎渣状变为块状;在满足工作性能的前提下,钢纤维的掺量越高,抗冲击性能越好。

基于不规则骨料堆积结构的混凝土水渗透性的研究

为了揭示骨料形状对混凝土水渗透性的影响,基于超椭球颗粒构建了不规则骨料的几何模型,对伸长率、平整度、圆度、球形度等形状参数进行了量化表征。通过离散元方法实现了骨料动态堆积模拟,考虑了颗粒之间的相互作用力,建立了混凝土材料的三相介观模型。采用基于格子玻尔兹曼模型的部分反弹算法研究了混凝土的水分传输行为,在验证模型正确性的基础上,探究了骨料含量和形状对混凝土水渗透性的影响。研究表明:混凝土的水分渗透系数随骨料体积分数增大呈现先降低后增加的变化趋势。当骨料体积分数大于50%时,界面过渡区相互交叠形成连通路径是导致混凝土水分渗透系数增加的主要原因。骨料形状的变化会改变传输路径和界面过渡区的体积分数,从而影响水渗透性。与平整度相比,伸长率对水分渗透系数的影响更为明显。随着圆度的不断增加,球形度先增大后减小,水分渗透系数则呈现相反的变化趋势。当圆度为1时,水分渗透系数达到最小值。

核磁共振、热分析和扫描电镜用于沥青材料表征的研究进展

沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的混合物,由于其组成的复杂性,对沥青材料的研究很多是基于物理、流变等相关性能指标的测定,其微观组成和结构的表征研究很长时间以来进展较为缓慢。随着现代材料测试技术的发展,新的测试手段,例如傅立叶红外光谱(FTIR)、原子力显微镜(AFM)、凝胶渗透色谱(GPC)、扫描电镜(SEM)、热分析、核磁共振(NMR),已被越来越多的研究者用来表征沥青微观组成和结构。其中,核磁共振通过区分不同原子的归属及划分,能检测出沥青中发生的分子异构化、脱氢及内部交联等反应;热分析可以测定变化焓、玻璃态转化温度等指标参数,对沥青温度稳定性进行评价;扫描电镜和环境扫描电镜(ESEM)能对沥青与改性剂的相容性、表面微观形貌、断口形态及纤维结构变化等进行表征。在介绍3种仪器原理的基础上,对三者在沥青材料表征中的国内外最新应用情况进行了总结,并对其应用前景进行了展望。材料现代测试技术在沥青材料中的推广应用,对于多角度、多层次理解沥青材料的组成、结构与性能的关系,为沥青改性、沥青老化等方面的研究提供了新途径。

多尺度纳米材料对沥青流变和老化性能的影响

采用布氏旋转黏度、动态剪切流变和弯曲梁流变试验,同时结合红外光谱试验对比研究了多尺度纳米材料对不同老化状态下4种沥青——SK-70和Alfa-70基质沥青、SBR和SBS改性沥青(SBRMA, SBSMA)流变性能的影响.结果表明:4种沥青经多尺度纳米材料改性后,布氏旋转黏度、复数模量及车辙因子均得到不同程度的提高;长期热氧和光氧老化后的疲劳因子降低,即抗疲劳性能得到改善,且对SBRMA的改善最明显.相比未改性沥青,多尺度纳米材料改性后4种沥青在各种老化方式下的复数模量老化指数均降低,而且SBSMA和SBRMA这2种聚合物改性沥青老化前后的丁二烯指数差值也降低,即4种沥青的耐热氧和耐光氧老化性能同时得到有效改善,且对SBRMA的改善效果最好.多尺度纳米材料提高了2种基质沥青的低温连续等级温度,但同时在一定程度上降低了2种聚合物改性沥青的低温连续等级温度.

高韧性水泥基复合材料拉伸和弯曲性能的相关性

高韧性水泥基复合(HTCC)材料的拉伸应力-应变关系能够反映其力学性能,而简单的线性模型无法不能准确地分析其力学性能。为更准确地分析HTCC材料的力学性能,提出可以体现其应变硬化和软化行为的四线型拉伸本构。基于该本构模型,推导出矩形截面构件的弯矩-曲率响应的理论解。利用弯矩面积法计算出三点弯曲和四点弯曲试验构件的跨中挠度,得到HTCC材料拉伸和弯曲性能之间的关系。利用该模型对HTCC材料的弯曲性能进行模拟,并对比文献中的数据验证该模型的准确性。通过参数分析,研究HTCC材料拉伸本构参数的变化对其弯曲性能的影响。该模型能够准确预测HTCC材料的拉伸本构参数或弯曲力学性能,为HTCC材料在矩形截面构件设计中的应用提供技术支撑。

层状双金属氢氧化物在水泥混凝土中的形成、作用机制及应用

碳化、硫酸盐侵蚀以及氯离子诱导腐蚀等三种常见混凝土耐久性问题的本质是外界离子进入混凝土与水泥石或钢筋发生不利的物理化学反应。层状双金属氢氧化物(LDHs)具有独特的层状结构和阴离子吸附功能,可作为混凝土内部有害离子的吸附剂,从而改善混凝土的耐久性。目前,尽管LDHs在水泥混凝土中的应用还处于早期探索阶段,但其相关作用机理研究已经开展得较丰富。本文综述了水泥混凝土(包括复合硅酸盐水泥和碱激发材料体系)中类水滑石产物(MgAl-LDHs)和AFm相(CaAl-LDHs)的形成机制,阐述了LDHs与混凝土中离子的作用机制,评估了MgAl-LDHs和CaAl-LDHs对水泥混凝土强度发展和耐久性能的影响,并指出开发LDHs作为混凝土矿物外加剂的广阔应用前景。

地质聚合物基废水处理吸附材料研究进展

地质聚合物是活性铝硅酸盐矿物在碱激发作用下形成的一类无机胶凝材料,除可替代传统硅酸盐水泥用作建筑材料外,作为吸附材料用于废水处理也显示出广阔前景。由于原材料种类和制备工艺的不同,地质聚合物基吸附材料对有害物质的去除能力差异显著。介绍了地质聚合物基吸附材料凝胶法、水热法和焙烧法三种制备方法,综述了不同物理形态的地质聚合物基吸附材料及其微观结构和吸附能力之间的关系,阐述了吸附条件(pH值、吸附时间、温度和初始离子浓度)对地质聚合物吸附能力的影响,总结了吸附动力学、热力学和吸附等温线模型方面的研究进展,提出了地质聚合物基吸附材料未来的研究方向。

低水胶比水泥基材料后续水化的研究进展

低水胶比水泥基材料的孔隙率低,力学性能、耐久性能和抗冲击性能优异。然而,低水胶比水泥基材料中的自由水含量低且可供水化产物沉淀的空间有限,限制了水泥颗粒的水化反应,导致其内部存在大量未反应的胶凝材料。本文阐述了水泥的后续水化过程及机理,综述了后续水化对低水胶比水泥基材料微观结构、体积稳定性和强度等方面影响的研究进展。最后对目前低水胶比水泥基材料后续水化研究中存在的一些问题进行了总结和展望,旨在为低水胶比水泥基材料的长期稳定性研究和应用提供理论依据。