粗骨料形态特征表征参数及其与混凝土性能关系的研究进展

粗骨料在混凝土中起骨架作用,是制备混凝土的重要原材料。粗骨料的形态特征直接影响混凝土中骨料间的堆积状态、排列方式、接触形式以及粗骨料与水泥砂浆的粘结性能,从而对混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能造成显著影响。近年来,随着天然砂石资源逐渐稀缺,再生粗骨料和珊瑚粗骨料等绿色环保骨料逐渐用于混凝土中,但不同种类粗骨料之间的形态特征往往差异较大。因此建立粗骨料的形态特征表征体系以及明确其与混凝土性能之间的关系,有助于实现粗骨料的高品质利用以及混凝土配合比的优化及性能提升。本文基于粗骨料的形状、棱角和表面质地等形态特征,系统总结了粗骨料形态特征的表征参数及参数测量方法,对目前所采用的粗骨料形态特征的数值分析、重构方法及其适用范围进行了分析,最后讨论了粗骨料形态特征参数与混凝土性能之间的定量关系,并基于以上分析,提出了需要进一步研究的内容。

陶粒对SC-SCC黏结界面劈裂破坏特性的影响

基于劈裂试验,研究了陶粒对蒸养混凝土(SC)-自密实混凝土(SCC)黏结界面力学特性的影响.结果表明:陶粒能提高SC-SCC黏结界面的劈裂抗拉强度,增加黏结界面的张开位移值,提升黏结界面的延性;黏结界面应力-应变曲线可分为线性发展阶段、塑性发展阶段和失效破坏阶段;双参数Weibull分布模型可较好地模拟黏结界面应力-应变曲线的上升段,当黏结界面的陶粒引入量低于4 kg/m2时,黏结界面损伤变量的演化进程被有效减缓.

基于能量转化原理的地铁板式轨道自密实混凝土本构行为

为了掌握地铁板式轨道充填层自密实混凝土(self-compacting concrete,SCC)在车辆荷载作用下的本构行为,通过对SCC进行单轴抗压试验,研究了不同应变率、橡胶掺量和尺寸对力学性能和能量演化规律的影响,建立了SCC的本构模型。结果表明:峰值应力的应变率敏感系数绝对值最大,弹性模量次之,峰值应变最小;橡胶延缓了能量的早期增长,而在峰值应力之后,橡胶则阻碍了弹性应变能的耗散,延长了总应变能和耗散能的快速增长;应变率越大,总应变能和耗散能增长越快,弹性应变能在峰值应力前的积累速率越快,峰值应力后的释放速率越快;建立的本构模型可以用于描述SCC在不同应变率条件下的应力-应变关系。

蒸养条件下机制砂混凝土的力学性能及干缩性能

为推动机制砂在预制混凝土构件中的应用,实现机制砂在建筑行业的更广阔应用,进而有效减缓天然砂资源短缺的问题,通过混凝土抗压强度、动弹性模量和干燥收缩试验等宏观性能测试和扫描电镜测试、压汞测试及显微硬度测试等微观测试方法,探讨养护条件和砂型对混凝土力学性能及干缩性能的影响规律及相应机理。试验结果表明:无论采用河砂还是机制砂,蒸养混凝土相较标养混凝土具有更高的早期力学性能和更低的干燥收缩,但高温导致水化产物分布不均,阻碍了后续的水化反应,使其后期力学性能出现不同程度的劣化。结合微观测试结果可知,孔径粗化、界面过渡区间隙增大和水化产物结构疏松是造成蒸养混凝土后期性能劣化的主要原因,但采用机制砂替代河砂能有效减弱蒸养热伤损效应产生的劣化影响。此外,蒸养机制砂混凝土相较蒸养河砂混凝土具有更高的力学性能和更优的微观结构,具体表现为:蒸养机制砂混凝土孔结构更加细化,界面过渡区间隙更小,同时基体显微硬度均值更高,整体密实度更高。但小于50 nm毛细孔增加将导致蒸养机制砂混凝土干缩变形增大。基于GL 2000收缩模型,通过引入考虑机制砂的影响因子,建立了蒸养机制砂混凝土干燥收缩预测模型,可较准确且有效地进行蒸养机制砂混凝土的干燥收缩预测。

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。

污泥焚烧灰对砂浆强度与干缩的影响及机理

为促进市政污水污泥废弃物在水泥基材料中的资源化高值利用,助力水泥基材料可持续发展,选用长沙市当地典型污水污泥废弃物制备污泥焚烧灰(SSA),通过砂浆强度及干燥收缩试验,结合X射线衍射、氮气吸附和扫描电镜测试方法,探讨不同污泥焚烧灰掺量及其与粉煤灰、矿渣粉复掺对砂浆强度与干缩性能影响规律及相应机理。试验结果表明,适量污泥焚烧灰可以较好地提高砂浆强度及强度增长速率,与水泥颗粒粒径相似的污泥焚烧灰等质量取代20%水泥,其90 d龄期的强度效应因子可达1.2;污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉可发挥良好的协同效应,有利于提高砂浆强度,污泥焚烧灰与粉煤灰、矿渣粉三掺试件各龄期强度接近同掺量粉煤灰与矿渣粉双掺试件的结果;污泥焚烧灰对砂浆试件干缩变形有较好的抑制作用。结合水泥-污泥焚烧灰样品水化产物和微观结构分析结果可知,污泥焚烧灰在砂浆中可发挥显著的火山灰效应,促进水泥水化,增加体系中单硫型水化硫铝酸钙晶体相,并减少50 nm以上的毛细孔,从而改善水泥基材料的性能及微结构。

持续荷载作用下砂浆裂缝的自修复性能及其评价指标

以高吸水树脂为自修复剂,以表面裂缝愈合率(γ)和强度恢复率(η)为砂浆裂缝自修复性能的评价指标,对比研究了预裂龄期为7 d和28 d时,不同持续荷载作用对砂浆裂缝自修复性能的影响。结果表明:相较预裂龄期为28 d的砂浆组,预裂龄期为7 d的砂浆组自修复效果较好;持续压荷载下,砂浆裂缝的自修复效果较好,其η比不受荷载作用的试件分别增大3.2%(7 d预裂龄期)和9.3%(28 d预裂龄期);持续弯曲荷载和持续扭荷载作用不利于砂浆的自修复,其中持续弯曲荷载的不利影响较为显著,持续弯曲荷载作用下,其η比不受荷载作用的试件分别低43.5%(7 d预裂龄期)和47.3%(28 d预裂龄期)。微观测试表明,砂浆裂缝中的自修复产物主要是碳酸钙,且主要集中在裂缝开口位置附近,因此采用γ作为自修复评价指标有可能高估自修复效果。

疲劳荷载对蒸养混凝土电阻率的影响研究

地铁工程中,预制混凝土构件主要承受弯曲疲劳荷载,导致混凝土产生疲劳损伤,进而影响混凝土的绝缘性能(电阻率)。通过电阻率的变化也可以表征疲劳荷载作用下混凝土的损伤程度。为研究弯曲疲劳荷载对蒸养混凝土电阻率的影响,测试不同加载频率、荷载幅值与饱水度下混凝土电阻率的变化,同时结合超声波测试技术探究电阻率与疲劳损伤变量之间的关系,分析疲劳荷载对混凝土毛细吸水作用下电阻率的影响。试验结果表明,对混凝土疲劳加载36万次后,不同工况下混凝土的电阻率降低30%左右,且混凝土的电阻率在疲劳加载过程中均呈现出先快速下降而后缓慢下降的两阶段变化趋势;当疲劳加载频率较高时(15 Hz),高饱水度混凝土的电阻率较其余工况短时间内迅速下降,这可能是高加载频率与高饱水度共同作用下,形成的较大孔隙水压力加速了微裂纹的形成及扩展;基于麦克斯韦两相电导理论推导建立混凝土电阻率与疲劳损伤变量之间的关系模型,该模型与试验数据拟合效果较好,表明电阻率法可用于混凝土疲劳损伤的定量评估。此外,疲劳荷载作用后,混凝土的毛细吸水质量与相对电阻率(混凝土毛细吸水后与毛细吸水试验前的电阻率之比)降低幅度均有明显增加。

橡胶自密实混凝土填充层结构的减振性能

基于阻尼耗能理念提出了一种新型减振措施——橡胶自密实混凝土填充层结构,研究了橡胶自密实混凝土的动态力学性能及其阻尼提升机理,采用环境振动预测模型分析了橡胶自密实混凝土填充层结构的减振性能.结果表明:橡胶降低了自密实混凝土的动态弹性模量和动态剪切模量,导致其泊松比增大,阻尼比随着橡胶掺量的增大线性增加;橡胶加大了基体对应力波能量的消耗,提高了自密实混凝土的阻尼性能;橡胶自密实混凝土填充层结构在1~200 Hz频段内的加速度级均小于普通自密实混凝土填充层结构,其中20 Hz以下的低频振动降低了3~5 dB左右.

板式轨道充填层自密实混凝土阻尼性能研究

阻尼性能对土木工程结构的动力行为有重要影响,目前尚未见针对地铁板式轨道填充层自密实混凝土(self-compacting concrete,SCC)阻尼性能的研究。采用MTS疲劳试验机,研究了不同应力幅值、橡胶掺量和尺寸对SCC滞回耗能和损耗因子的影响规律及变化机理,并对SCC的滞回耗能进行数值模拟。结果表明:SCC的滞回耗能随应力幅值的增加先慢后快的增大,这与其损伤演变和动弹性模量退化密切相关,内部缺陷的能量耗散是SCC的主要阻尼机制;滞回耗能与应力幅值呈幂函数关系,其中SCC的幂指数值最小,表明SCC的非线性程度最低;橡胶显著增大了SCC的阻尼性能,在相同的应力幅值下,SCC的滞回耗能随着橡胶掺量的增加和尺寸的降低而增大;Kelvin模型可用来模拟SCC在循环荷载下的滞回耗能,计算值与试验结果吻合良好。

火山灰质粉对砂浆性能与微结构的影响

为加强我国区域火山灰资源利用,为工程建设提供优质建筑原材料,选取泸定桥、泸霍两地典型火山灰弃岩资源磨制成火山灰材料,研究不同种类和粒径的火山灰质材料基本特性。采用火山灰等质量取代水泥制备火山灰-水泥砂浆,分析火山灰对水泥砂浆力学性能与微观结构的影响及机理。结果表明,随着火山灰粒径(d50)的降低,砂浆各个龄期的抗压强度和火山灰活性指数升高,但浆体的流动性降低。掺入火山灰会导致浆体的孔隙率增大和孔结构粗化。当火山灰粒径相似时,泸定桥组砂浆的28d活性指数小于泸霍组。此外,蒸汽养护可以促进各组砂浆的抗压强度和活性增长。

低真空条件对混凝土中介质迁移性能的影响

为探索低真空条件对混凝土中介质迁移性能的影响规律,保障低真空管道等严酷环境下混凝土结构服役性能,首先,通过模拟低真空环境条件,研究了经低真空条件处理的混凝土气体渗透性、毛细吸水性和氯离子渗透性能;其次,分析了粉煤灰、硅灰、消泡剂和吸水树脂(SAP)等外加剂对低真空条件下混凝土中气体、离子、水介质迁移性能的影响规律;最后,基于灰色关联理论,探讨了各因素与混凝土中介质迁移性能的关联度。研究结果表明:低真空条件对混凝土气体渗透性和毛细吸水性产生显著不利影响,复合掺入粉煤灰、硅灰及消泡剂可较好地降低混凝土气体渗透性和毛细吸水性,并且提高混凝土抗氯离子渗透性能,但复合掺入SAP对混凝土抗渗性改善作用较低;低真空条件处理会显著增加混凝土的水分蒸发量,扩大孔结构,从而导致其抗介质迁移性能比标准养护的差。复合掺入粉煤灰、硅灰及消泡剂可制得适用于低真空条件的高抗介质迁移性能的混凝土。

直接电养护水泥浆体温升的影响因素及机理

直接电养护(DEC)是一种潜在的绿色、高效能混凝土加速养护方法。通过试验研究DEC电压、试件尺寸和水灰比等因素对水泥浆体温升的影响规律,并运用电学和水泥化学知识,从电场欧姆热效应和水泥水化热效应2方面阐释水泥基材料温升的发生机制。研究结果表明:DEC水泥浆体的峰值温度随着DEC电压的升高而增加,并随着试件长度的增加而降低。并且DEC电压越高,长度对试件温升的影响越显著。而试件到达峰值温度所需时间的变化规律与峰值温度负相关。水灰比对DEC水泥浆体温度变化的影响与DEC电压的大小有关,当电压较高时,欧姆热占主导,适当提高浆体的水灰比有利于获得更高的温升;而电压较低时,水化热占主导,采用较低水灰比可使得浆体的温升更高。此外水灰比越低,水泥浆体到达峰值温度的时间则越短。DEC水泥浆体的温升取决于欧姆热和水泥的水化放热,结合DEC产生的单位水泥质量电功率和基于Arrhenius方程推导的等效龄期函数计算得到的水泥的水化放热分析,发现两者共同作用的总放热功率与温度变化率规律相一致。研究成果可为DEC水泥浆体温度演变规律的有效预测和混凝土预制构件DEC制度的合理实施提供重要参考。

直接电养护对混凝土力学性能的影响

为研究直接电养护(DEC)对混凝土力学性能的影响,采用交流电场,进行了不同养护电压对纯水泥混凝土和粉煤灰混凝土抗压强度、内部温度以及内部电流的影响试验研究。结果表明:各组混凝土的早期抗压强度基本随养护电压的增大而增加,而后期抗压强度则基本相反;20 V电压下DEC纯水泥混凝土和粉煤灰混凝土内部峰值温度分别达到69.4℃、60.3℃,1 d抗压强度显著提升,相较于标养组分别提高了22.8%、37.0%;掺入粉煤灰提升了混凝土的电阻率,需要更高的电压才能达到等同纯水泥混凝土的养护温度;各组混凝土的内部电流大体呈先增加后降低的趋势,并随养护电压的增大而增加,说明DEC对早期混凝土的加热效率高于后期。

粉质黏土与中砂互层中地铁车站洞桩法施工地层变形规律

依托西安地铁8号线小白杨车站工程,针对粉质黏土与中砂互层地质条件,总结了导洞数量及施工顺序对地表沉降的影响规律,分析了洞桩法车站暗挖施工全过程的地表沉降规律。研究结果表明:粉质黏土与中砂互层中洞桩法导洞施工阶段地表沉降主要受导洞数量影响,不同导洞数量下导洞开挖顺序相同时地表沉降规律一致;三导洞方案各种施工顺序下地表沉降普遍较小,三导洞方案对地表沉降的控制效果明显优于四导洞方案和六导洞方案;洞桩法施工会对地层多次扰动,地表沉降在施工过程中表现出明显阶段性,导洞开挖及扣拱施作是引发地表沉降的主要阶段,主体扩挖易引发地层隆起。经对比分析,粉质黏土与中砂互层中地铁车站洞桩法施工建议采用三导洞先中后边开挖方案。

不同养护温度下蒸养混凝土的冲击性能

为掌握蒸养混凝土的冲击性能及养护温度对其影响规律,以高速铁路典型预制构件用C60蒸养混凝土为研究对象,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验方法,对比研究了不同养护温度下蒸养混凝土在不同应变率下的破坏形态、应力-应变关系以及应变率效应,提出了表征蒸养混凝土破碎程度的评价指标——颗粒细度模数,分析了养护温度对蒸养混凝土冲击性能的影响规律.结果表明:随着应变率的增加,各养护温度下的蒸养混凝土峰值应力均增大,峰值应变则降低,颗粒细度模数减小,破碎程度明显增加;随着养护温度的升高,各应变率下蒸养混凝土的峰值应力降低,表现出更强的应变率效应;所建立的考虑应变率的蒸养混凝土本构模型拟合结果与试验结果吻合良好;较高养护温度导致混凝土内部缺陷增多,从而使得其冲击性能与常温养护混凝土有所差异.

水泥乳化沥青砂浆研究进展

水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)系由水泥、乳化沥青、砂、水和适量添加剂等组分组成,并由水泥水化产物与沥青共同作为胶凝基体将砂子骨料胶结而形成的一种粘弹性有机-无机复合材料,是我国高速铁路板式无砟轨道结构的关键材料之一,起着支撑、调整、缓冲和协调等作用。本文综述了CA砂浆的典型组成与配比,综合分析了其工作性能、力学性能、耐久性能、变形性能的特点及其主要影响因素,阐述了其微结构形成与演变特征,并探讨和展望了CA砂浆未来亟需研究的重点方向,为我国高速铁路板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层的运营维护以及新型有机-无机复合粘弹性材料的研发提供支持。

水泥乳化沥青砂浆的徐变模型

为研究水泥乳化沥青(CA)砂浆的徐变模型,测试了中国铁路轨道结构系统(CRTS)Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆在不同应力水平下的徐变曲线,并对比分析了几种经典徐变模型对CA砂浆徐变的适用性.结果表明:Burgers模型最适合表征CA砂浆的徐变特点,并考虑CA砂浆中沥青相的特性,建立了修正Burgers模型;模型参数与应力水平均呈线性关系;基于模型计算结果,在25℃、相对湿度65%及0.1MPa静荷载作用下,50mm厚的Ⅰ、Ⅱ型CA砂浆充填层在100a服役期内的徐变分别为0.0325和0.0035mm.

板式轨道充填层自密实混凝土的动态力学特性

为掌握高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道充填层自密实混凝土(SCC)在高速列车等动载作用下的力学特性,采用Ф75mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验方法,研究充填层SCC在10~100 s^(-1)条件下的动态力学性能,并基于应变等价性假说和统计损伤理论建立充填层SCC动态本构模型。研究结果表明:随着应变率增加,SCC的破碎程度增大;SCC的峰值强度、峰值应变和比能量吸收均随应变率的增大而增大,表现出明显的应变率敏感性,且其应变率敏感性大于普通混凝土;建立的动态本构模型可用来描述SCC在相应应变率下的应力应变关系。

轨道交通行业工程类人才培养探索与实践

轨道交通行业的快速发展使铁道工程专业人才需求迅速增长,目前国内高校培养的铁道工程专业人才稀少,为解决这种供需矛盾,文章结合工程教育评估(认证)、轨道交通行业发展现状、专业特色和国际项目人才需求,通过制定铁道工程专业培养目标,规划课程模块,设置课程群,落实实践环节、创新创业、国际项目特色课程以及专业实验室建设,全面创建铁道工程专业培养方案和课程体系。