沥青混合料弯曲疲劳损伤强度的多尺度研究

目的为了验证多尺度数值试验模拟方法在预测沥青混合料半圆弯曲试验疲劳损伤过程中弯拉强度参数变化规律的有效性问题。方法基于多尺度算法思想和半圆弯曲试验,通过对沥青混合料试件进行细观结构分析,得到内部集料颗粒的几何特征分布规律;在此基础上,对沥青混合料划分5个微观区域尺度,并构建相应尺度下半圆弯曲试件的有限元(FEM)数值模型,结合多尺度迭代运算来预测各级沥青混合料计算在0%Nf,20%Nf,50%Nf,65%Nf,80%Nf(Nf为疲劳寿命)不同半圆弯拉疲劳损伤程度下的弯拉强度。将室内半圆弯曲试验获得不同粒径的沥青混合料的弯拉强度参数作为宏观验证试验,与通过多尺度算法数值模拟试验所得的弯拉强度进行对比分析研究。结果结果表明:在沥青混合料的疲劳损伤过程中,前期材料的抗弯拉强度衰减速率较为缓慢,当在中后期时,抗弯拉强度进入了急剧衰减阶段,多尺度数值模拟试验与室内试验得到的衰减规律相吻合,且弯拉强度相对误差的绝对值控制在8%以内。结论多尺度数值模拟用于预测疲劳过程中沥青混合料的抗弯拉强度参数是有效的,该算法可以为类似的实际工程提供一定的参考意义。

电石渣碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料性能及微结构

采用流化涡旋技术对工业固体废弃物改性,以改性电石渣为碱性激发剂,以改性矿渣/粉煤灰为硅铝质原料制成全固废碱激发胶凝材料,并采用压汞实验(MIP)、水化热测定、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等手段研究其水化机理与微观结构。研究结果表明:流化涡旋技术对工业固废具有优异的物理、化学改性效果,使固废原料具备更高的反应活性;以改性原料制成的碱激发材料具有更优的力学性能和孔径分布特征,其7 d和28 d抗压强度分别可达22.4 MPa和37.8 MPa;改性电石渣释放更多的Ca(OH)_(2),提供碱性环境和钙质组分;改性矿渣/粉煤灰提供硅铝质组分,生成以C-S-H、C-A-S-H凝胶和托贝莫来石为主的水化产物,水化产物与少量原料紧密结合形成稳定结构,使胶凝材料具有良好的力学性能。

布敦岩沥青/纳米气凝胶/抗老化剂复合改性沥青制备及性能评价

实验选用布顿岩沥青(Buton-rock asphalt,BRA)、纳米气凝胶(Nanoaerogel,NA)和抗老化剂(Anti-aging agent,AA)对基质沥青进行复合改性。通过三大指标试验,确定三种改性剂的适宜掺量。利用动态剪切和弯曲梁流变试验分析了沥青的流变性能,以抗老化性能评价指标对耐老化性能进行表征。借助傅里叶红外光谱(FTIR)对沥青的官能团变化进行了分析,利用扫描电镜(SEM)观测了沥青在不同老化方式后的微观结构。结果表明:BRA+NA+AA复合改性沥青改性剂最佳掺量为:2%NA、10%BRA、0.3%抗氧剂1010和0.4%UV-327。BRA+NA+AA复合改性沥青相对于基质沥青,残留针入度比和延度保留率分别提高了74%和213%,软化点增量和车辙因子老化指数分别降低了57%和40%。加入改性剂后,沥青的高温性能得到明显改善,改性方式以物理改性为主,且改性剂与基质沥青界面之间相容性良好。改性沥青和复合改性沥青流变性能和耐老化性能均优于基质沥青。其中BRA+NA+AA复合改性沥青的耐老化性能和高温抗车辙能力最为优异。

电石渣-脱硫石膏-钢渣改性粉煤灰地聚物协同增强机理

以电石渣、脱硫石膏和钢渣掺量为影响因素,改性粉煤灰地聚物7、28 d抗压强度为响应值,使用响应面法(RSM)研究各种固体废弃物的交互作用对改性粉煤灰地聚物强度的影响规律,并通过水化热、扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)分析其增强机理.结果表明:经RSM优化设计后的电石渣、脱硫石膏和钢渣的最佳掺量分别为6.34%、1.60%和29.47%,改性粉煤灰地聚物7、28 d抗压强度分别达到18.10、29.92 MPa;电石渣和钢渣通过增强体系碱性,加快Si和Al的溶解,促进水化硅铝酸钙(钠)的生成,提高改性粉煤灰地聚物各龄期的强度;脱硫石膏通过提高Ca^(2+)和SO_(4)^(2-)含量,生成钙矾石晶体,提高改性粉煤灰地聚物的早期强度;随着养护龄期的延长,改性粉煤灰地聚物中凝胶逐渐增多,可填充微小孔隙,使结构变得更加密实,因此强度得到提高.

电石渣—脱硫石膏复合激发充填材料性能及微观结构

针对传统充填材料高碳排放、高成本问题,以“绿色矿山”为理念,选用工业固废电石渣、脱硫石膏和矿渣为胶凝组分,以尾矿砂为骨料制备充填材料。利用X射线(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)等手段研究充填料水化产物及微观形貌,并开展工作性能、力学性能和重金属固化性能试验。结果表明:所开发的充填材料凝结时间和流动度均满足矿山充填工程要求,充填体7、28 d抗压强度可达4.6、7.9 MPa,充填体浸出液中Pb、Zn浓度低于规定限值。电石渣内的氢氧化钙提供碱性环境,脱硫石膏提供硫酸根离子,两者对矿渣内的硅铝质原料复合激发,生成以钙矾石和C-A-S-H凝胶为主的水化产物。大量针棒状结构的钙矾石晶体及网状结构的C-A-S-H凝胶相互穿插,并且与尾砂颗粒紧密结合,随着龄期延长,结构更加致密,使充填体具有良好的力学性能。

混杂纤维-尾矿砂ECC配合比优化及疲劳性能研究

采用不同种类的纤维和尾矿砂制备环保型混杂纤维-尾矿砂工程水泥基复合材料(MFT-ECC)。以流动度和力学性能为指标,通过正交试验优选了MFT-ECC中不同纤维的最优掺量;通过四点弯曲疲劳试验,对比了不同应力水平下各组ECC试件的疲劳性能;利用扫描电子显微镜观测MFT-ECC的微观结构。结果表明:当聚乙烯醇纤维、碳酸钙晶须、改性聚丙烯纤维的体积掺量分别为0.9%、0.8%、0.3%时,MFT-ECC的流动度和力学性能最优;掺量优选后的MFT-ECC的疲劳性能最好,其疲劳寿命随应力变化敏感性低,与基准组相比,不同应力水平下的强度折减系数分别提高了1.33%和6.56%;尾矿砂的加入使ECC内部产生填充效应和堆积效应,提高了材料的密实度。本研究为制备经济环保、性能优越的ECC材料提供了参考。

尾矿砂对混杂纤维水泥砂浆性能的影响研究

【目的】利用国产聚乙烯醇(polyvinylalcohol,PVA)纤维、改性聚丙烯(polypropylene,PP)纤维、碳酸钙晶须,以及用部分尾矿砂替代石英砂,制备尾矿砂-混杂纤维复合水泥砂浆,研究该砂浆的力学性能,探讨尾矿砂的最佳掺量。【方法】通过改变尾矿砂替代石英砂的掺量及级配,测试复合砂浆的流动度和力学性能,观察其微观形貌,进而确定尾矿砂的最佳掺配参数。【结果】尾矿砂掺量(尾矿砂占细集料总质量的百分比)为50%且级配为Ts-150时,复合砂浆的性能最优,此时其流动度与对照组相比下降了5.46%,7、28 d抗压强度分别提高了22.07%和16.86%;7、28 d抗折强度分别提高了31.36%和24.42%;7、28 d劈裂抗拉强度分别提高了17.63%和46.84%。电镜扫描结果显示,尾矿砂-混杂纤维复合水泥砂浆中水化产物与尾矿砂颗粒黏结状态良好。【结论】以尾矿砂替代石英砂作细集料制备混杂纤维水泥基材料具备可行性,具有十分可观的经济效益与环保效益。

废弃线路板非金属粉对碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料性能的影响

内掺0%~25%(质量分数)废弃线路板非金属粉末(waste circuit board non-metallic powder,NMP),制备了一种新型碱激发矿渣/粉煤灰胶凝材料,测试了其力学强度、水化放热、物相组成和孔径分布,分析了其微结构特征。试验结果表明:掺入NMP不只降低了胶凝材料的累计放热,并且稍微降低了胶凝材料的7和28 d抗压强度;当NMP掺量小于15%(质量分数)时,因玻璃纤维的存在,胶凝材料28 d抗折强度与NMP掺量成正比,最高增幅达55.5%;掺入NMP降低了胶凝材料中孔径为100~1000 nm的孔隙比例,增大了100 nm以下的微孔隙比例,且试件总孔隙率增加;NMP中的树脂颗粒与胶凝材料基体结合紧密并填充了纤维与基体之间的空隙,NMP的掺入不会影响原胶凝材料的水化产物类型。

脱硫石膏-粉煤灰活性掺合料设计及水化特性

针对电厂两大工业废渣——烟气脱硫石膏及粉煤灰,通过试验研发用于混凝土的活性复合矿物掺合料。以适当比例复合后的脱硫石膏及粉煤灰等量取代水泥掺入到水泥砂浆中,通过活性激发措施,以胶砂流动度、早期强度以及强度发展规律等作为控制指标探索脱硫石膏及粉煤灰的最优配比,同时通过微细观结构的SEM观测评价脱硫石膏-粉煤灰活性矿物掺合料在水泥基材料中的作用效应。结果表明,脱硫石膏及粉煤灰以1:2的比例复合等量取代水泥30%掺入水泥砂浆中,可获得较为优异的胶砂流动度、早期强度,而后期强度能赶上甚至超过基准水泥胶砂;SEM表明由于脱硫石膏及其它外加组分的活性激发效应,粉煤灰的活性得到有效激发,早期有明显的钙矾石生成。脱硫石膏-粉煤灰复合矿物掺合料的研发可大量消纳燃煤电厂的工业废渣,且在水泥基材料体系中具有优异的水化及低成本特性,具有显著的"绿色"效应,符合中国"可持续发展"的战略要求。

超疏水仿生水泥混凝土路面防覆冰技术及效能评价

通过微纳米路表构建与超疏水材料涂覆技术相结合,制备了超疏水仿生水泥混凝土路面模型试件;开展超疏水材料涂覆技术研究,分析总结其制备工艺;采用自行设计的"冰-路"附着强度测试装置进行防覆冰性能测试,同时开展接触角测量试验、路面表面能计算及耐久性试验,综合评价超疏水仿生水泥混凝土路面的疏水、防冰效能。结果表明:超疏水水泥混凝土试件表面冰的残留率为29.9%,是普通试件的1/3左右,间接反映了超疏水路面具有较好的疏冰性能;与普通试件的接触角0°相比,超疏水水泥混凝土试件的接触角为153.5°,达到超疏水状态;表面能计算表明超疏水材料的作用降低了路面表面能,仅为普通水泥路面的3.4%,进一步验证了超疏水水泥混凝土路面可显著降低"冰-路"附着强度;通过模拟轮胎与路面的摩擦作用,接触角依然在90°以上,表明超疏水路面耐久性良好。

盾构隧道功能梯度混凝土管片的研发及性能研究

武汉长江隧道工程所面临的高压富水环境要求衬砌结构管片具有高抗渗、长寿命的性能。引入功能梯度材料设计原理,对钢筋混凝土管片进行功能梯度设计与优化,实现管片外层高防水抗渗、结构层提供强度及内衬层耐火的多重功能。同时采用适当的界面处理技术,保证管片各功能层的性能均匀过渡,实现功能和结构一体化设计。对结构层混凝土、保护层材料性能分别进行测试,测试结果表明,保护层材料具有优良的抗渗性能,相比普通混凝土氯离子扩散系数降低一个数量级,寿命提高10倍以上,优于目前国际上已报道的最好水平(6×10-13m2/s);结构层、保护层混凝土力学性能优良,强度满足设计要求,保护层材料强度达C70以上,主体结构层达到C50;保护层材料与结构层材料体积稳定性良好;耐酸性气体腐蚀性能大大增强,90d中性化深度不足1mm;同时,管片内衬层通过刷涂防火抗爆材料有效提升了管片的内层耐火性能,耐火极限是未经处理试件的4.72倍;最后通过实际的生产及检测,进一步证明了功能梯度混凝土管片具有较好的服役性能。

硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝土力学性能及微观结构

以圆球型页岩陶粒为主要粗骨料，并用一级粉煤灰（FA（I））等体积取代30%普通砂，制备粉煤灰轻骨料混凝土.以超细粉煤灰（UFA）、硅灰（SF）分别等质量取代粉煤灰轻骨料混凝土10%-40%和5%-15%水泥，然后进行抗压强度试验、干湿循环试验、工业CT试验、压汞试验、动弹性模量试验，从混凝土抗蚀系数、孔隙率、动弹性模量等方面研究硫酸盐作用下粉煤灰轻骨料混凝土力学性能演变规律及微观结构变化情况.结果表明：在Na2SO4溶液浓度（质量分数）为0%-10%时干湿循环20次，混凝土抗压强度达到最高值，随后下降较快；在10% Na2SO4溶液中干湿循环50次，当UFA，SF取代率分别为20%,10%时，粉煤灰轻骨料混凝土抗蚀系数均达到最高值；掺UFA，SF粉煤灰轻骨料混凝土50-100nm孔所占体积分数明显增多，掺20%UFA和掺10%SF粉煤灰轻骨料混凝土〈100nm孔体积分数分别为普通混凝土的139，146倍；适量掺加UFA或SF能优化轻骨料砂浆界面过渡区微观结构，增强轻骨料砂浆界面黏结性能，延缓硫酸盐对粉煤灰轻骨料混凝土结构基体的进一步侵蚀.

超疏水仿生水泥路面防覆冰设计及模型试验

借鉴荷叶表面微构造特征,基于超疏水仿生理念,通过微纳米路表构建与超疏水涂层设计相结合,对传统水泥路面表层进行防覆冰、易除冰复合设计;分析超疏水材料的作用机理以及在路面应用的可行性,制备由主体结构混凝土层和超疏水-防覆冰层组成的路面板结构模型。对比超疏水路面和普通水泥路面表层的水滴接触角大小,分析其路面疏水性能;利用自主设计的"摆锤式附着强度"测试装置以及劈裂实验法测试试件"冰-路"附着强度。结果表明:对比普通水泥路面,超疏水-防覆冰路面表现出优良的超疏水性能,冰与路面的附着力大大降低,试验中残留附着冰的质量以及冰与路面的劈裂强度分别是普通水泥路面的36.80%和27.36%。

高强轻骨料混凝土拌合物性能及影响因素试验研究

采用粉煤灰等量取代水泥以及轻质砂代替普通砂,制备了高强轻骨料混凝土。通过试验研究了轻骨料吸水特性,颗粒类型和粒径,砂的细度模数,粉煤灰等级等因素对混凝土拌合物性能的影响,并且利用工业CT分析了骨料内部孔隙。结果表明,页岩陶粒充分预湿以后,轻骨料混凝土具有良好的流动性且经时损失小;圆球型陶粒混凝土相比于碎石型陶粒混凝土的拌合物性能更好,同时,粒径偏大的陶粒容易出现上浮现象。掺入超细粉煤灰的轻骨料混凝土拌合物性能有较大改善,掺入Ⅰ级粉煤灰试样的工作性相差不大,掺入Ⅱ级粉煤灰的试样的工作性有所降低;从拌合物性能优化的角度考虑,细度模数为2.4～2.8的砂较适合作为轻骨料混凝土用砂,且用轻质砂代替普通砂可使轻骨料混凝土容重大幅度降低。

粉煤灰高强轻骨料混凝土早期自收缩及抗裂性试验研究

掺入不同细度的粉煤灰等量取代水泥10%～30%,制备了粉煤灰高强轻骨料混凝土,采用自行设计试验和椭圆环法试验分别研究了早期自收缩变形和抗裂性能,并与基准样进行了对比分析。结果表明:随粉煤灰的掺入,混凝土早期自收缩得到抑制,且随粉煤灰掺量的增加,自收缩随之减小,粉煤灰细度越高,减缩效果越明显;而在低水胶比条件下,水胶比越低,自收缩增大越显著;另外,骨料的预湿状态对自收缩影响较大,未预湿轻骨料显著增加了早期自收缩变形。椭圆环抗裂性试验表明,粉煤灰的掺入显著改善了轻骨料混凝土抗裂性能,且粉煤灰细度越高,早期抗裂性能增强越显著。因此,在实际工程中,粉煤灰的掺入可作为减小高强轻骨料混凝土早期自收缩和提高抗裂性能的技术手段。

矿粉气泡混合轻质土组成设计及性能试验研究

通过正交试验提出了用于路基换填的矿粉气泡混合轻质土配合比设计参数,并研究了当水胶比在0.5~0.6范围内时胶凝材料用量、矿粉掺量、水胶比对其抗压强度的影响规律,进一步通过系统试验对其干缩和抗冻性进行了研究。结果表明:矿粉气泡混合轻质土的初步配合比为:水泥∶矿粉∶发泡剂∶水=1∶0.54∶0.03∶0.85;对气泡混合轻质土抗压强度影响的顺序大小为:胶凝材料用量>矿粉掺量>水胶比;随水胶比增大,其各龄期干缩率先增大后减少再增大,水胶比0.55的干缩率最小,而其冻融循环后的抗压强度损失率先增大后减小,水胶比0.6的抗压强度损失率最小;随矿粉掺量增加,其各龄期干缩率先减小后增大,矿粉掺量35%的干缩率最小,而其冻融循环后的抗压强度损失率逐渐增大,矿粉掺量15%的抗压强度损失率最小。

超疏水-防覆冰技术在公路路面中的研究应用进展

超疏水材料作为一种新型智能仿生材料,因优良的疏水、疏冰性能,在电力、航天等领域防冰除冰中得到了广泛应用,但在公路交通领域尚处于探索起步阶段。介绍了近年来国内外路面除冰技术存在的不足,分析了超疏水主动除冰技术在路面应用中的优势;概述了超疏水材料浸润性的基本理论;从促进液滴滚落、影响水滴结晶进程、降低冰附着力等方面,论证了超疏水材料在路面除冰应用中的可行性;从改变材料化学组成与粗糙度两个方面,分析了影响"冰-路"附着力的主要因素;在此基础上,介绍了超疏水材料制备与超疏水公路路面处治技术,综述了国内外冰与路面材料之间附着力的几种检测方法,主要包括:落杆撞击试验、水平剪切试验、重力式砝码剪切试验。在总结前人研究成果的基础上,本研究自行设计了摆锤试验以及劈裂试验,进一步验证了超疏水-防覆冰技术能有效降低"冰-路"附着力;并归纳了目前公路路面超疏水-防覆冰技术存在的问题,提出了未来研究发展的方向。

碳化作用下轻骨料混凝土干缩变形及影响规律

采用碳化试验和干燥收缩试验相结合,研究了轻骨料混凝土在碳化作用下的干缩变形发展规律及其影响因素。结果表明,加速碳化作用下,轻骨料混凝土的干缩变形显著增长,而随着矿物掺合料的掺入,干缩率得到一定程度的抑制,其中掺超细粉煤灰轻骨料混凝土碳化干缩率最小;骨料预湿完全条件下轻骨料混凝土水胶比越大,碳化干缩变形越大;轻骨料混凝土在高浓度CO2加速碳化作用下干缩变形显著高于自然碳化混凝土;而在相对湿度50%条件下碳化时,其干缩率要大于其它湿度条件下的试样;另外,轻骨料预湿后混凝土碳化干缩率要低于未预湿轻骨料混凝土。因此,在实际工程中,选择合适的矿物掺合料、水胶比、养护条件以及骨料的预湿工艺对轻骨料混凝土的减缩防裂具有较好的效果。

水泥-粉煤灰-脱硫石膏干混抹面砂浆制备及变形性能

以粉煤灰(FA)及脱硫石膏(FGD)取代部分水泥,制备了水泥-粉煤灰-脱硫石膏干混抹面砂浆,并对胶凝材料体系进行了试验优选。在材料制备基础上,对优选砂浆进行了力学性能、和易性及体积变形性能测试。结果表明,优选的三组干混砂浆力学性能分别满足M7.5、M10的强度要求;新拌砂浆的流动性、保水性满足规范要求,其中粉煤灰掺量越大,流动性越好;硬化砂浆表现出较好的"收缩补偿"效应,且脱硫石膏掺量越大,减缩效应越明显,28d干缩率最大仅为110×10-6;圆环法加速开裂试验表明,优选出的砂浆具有较低的开裂敏感性,水泥掺量不超过15%时,砂浆28d均未见肉眼可见裂纹。综合试验结果,推荐干混砂浆配比为:水泥:粉煤灰:脱硫石膏:砂=0.15:0.60:0.25:3。

钢筋保护层混凝土细观界面过渡区优化及耐久性

针对传统混凝土结构及构件钢筋保护层混凝土寿命较低，耐久性不良的现状，通过对普通混凝土细观层次上（50～100μm）的浆-骨界面过渡区进行优化或改善，以耐久性设计为主要目标，设计制备出内部细观界面大幅度优化的高致密保护层混凝土（High—dense concrete cover，简称HDC），并针对其抗渗性、抗钢筋锈蚀、抗酸性气体腐蚀以及抗冻性等耐久性能展开系统的试验研究。结果表明，所制备的HDC抗渗性优良，评价结果为渗透性“非常低”；HDC抗钢筋锈蚀性能相比普通混凝土保护层得到大幅度增强；在CO2、SO2加速侵蚀条件下，HDC90d中性化深度不足1mm；而HDC冻融后外观形貌、质量损失以及相对动弹性模量等表征抗冻性能的关键指标均明显优于普通混凝土。同时SEM微观试验结果表明，HDC浆-骨界面过渡区尺寸得到有效降低，增加了混凝土微结构密实度。说明HDC特殊的制备技术及其材料本征特性能有效提升了材料的综合性能，从而延长结构的服役寿命。