一种基于绕晶失效模式的混凝土断裂分析模型

基于普通强度混凝土发生I-型开裂后的形态学特征,充分考虑其材料组成的非均质性及细观尺度绕晶失效模式,建立了用于混凝土断裂破坏行为及其宏观力学性能研究的三维细观断裂理论分析模型。模型采用细观力学基本理论框架,假设混凝土材料由骨料、砂浆和界面构成。为简化理论推导,采用弹性球体代表骨料,采用典型双线性弹性本构模型表征砂浆和界面的力学行为。建立的理论分析模型能够描述普通强度混凝土在唯一裂缝面假定下的断裂面形态学特征,并定量给出宏观尺度断裂参数。该文工作可为后续建立基于穿晶失效模式的混凝土断裂分析模型提供研究框架,为最终建立基于性能的混凝土材料配合比设计理论奠定基础。

聚乙烯醇纤维掺量对高延性地聚合物混凝土早期抗裂和收缩性能影响

研究了聚乙烯醇(PVA)纤维掺量对高延性地聚合物混凝土早期塑性收缩开裂、干燥收缩和自生收缩的影响.结果表明,与地聚合物混凝土相比,掺PVA纤维的高延性地聚合物混凝土抗开裂性能和抗收缩性能显著提高,PVA纤维体积掺量为2%的地聚合物混凝土抗开裂和抗收缩性能最好.基于试验结果,建立了收缩预测模型,该模型能够一定程度反映地聚合物混凝土早期收缩特征.

化学外加剂对粉煤灰湿法细化活化的影响

将粉煤灰(FA)作为矿物掺合料使用,是降低胶凝材料碳排放的重要手段之一,但其早期活性低是学者们普遍关注的问题。本研究提出在湿磨过程中引入化学功能组分来提升FA细化活化效率的技术思路;通过激光粒度仪(PSD)、pH仪、全谱直读等离子体发射光谱仪(ICP)、XRD、SEM和TG-DTG等测试手段评价了FA的物化性能及活性指数,揭示了液相研磨机械力和化学溶蚀协同作用机理。结果表明:引入TIPA、TEA、NaOH、Na_(2)SO_(4)及电石渣(CS)化学功能组分优化了湿磨的液相环境介质,可显著提升湿磨效率;当FA的中值粒径降低至2μm时,TIPA+CS作用效果最为显著,研磨时间由原来的120 min缩短至40 min,缩短67%。从活性指数的角度来看,1 d龄期时,Na_(2)SO_(4)作用效果最为显著,湿磨FA的活性指数达到60.1%;3 d、7 d、28 d龄期时,TIPA+CS作用效果较好,湿磨FA的活性指数分别可达到81.3%、89.1%、97%。在液相研磨机械力作用过程中,液相环境介质可溶蚀粉煤灰表面,促进表面[AlO_(4)]和[SiO_(4)]的解聚,加速离子溶出,形成钙矾石、C-S-H凝胶等水化产物,显著提升FA的湿磨细化活化效率。

掺轻质砂超高性能混凝土的轴拉力学性能

为研究轻质砂对不同试件尺寸下超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)拉伸应变强化性能的影响,采用轻质砂对原黄砂进行等体积替代,完成9组不同轻质砂体积率(0~35%)和不同试件厚度(30~100 mm)的单轴拉伸试验,并同步进行声发射实时探伤测试。结果表明:轻质砂体积率对UHPC弹性极限点对应应力和对应应变的影响较小,但轻质砂体积率由0增加到35%时,UHPC的极限抗拉强度和极限拉应变分别由10.6 MPa和2.35×10^(-3)提高到了19.4 MPa和4.3×10^(-3);轻质砂体积率大于15%时,UHPC的应变强化程度得到显著提升,试件内部产生的损伤点数更多且分布更均匀,展现出良好的裂缝控制能力;在相同轻质砂体积率下,UHPC的应变强化程度随试件厚度的增加而降低,且试件内部的损伤点趋于集中,表现出明显的尺寸效应。

加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响

为探究加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响,开展16根RC梁(质量损失率0%~8.7%)在不同加载速率(0.5~300 mm/min)下的粘结性能测试,据此提出考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式,并开展锈蚀钢筋混凝土梁粘结力学行为的数值模拟,分析高加载速率(30~30000 mm/min,应变率10^(-4)~10^(-1)s^(-1))下锈蚀梁的粘结滑移力学行为。研究表明:(1)加载速率对锈蚀钢筋混凝土梁式试件的粘结应力-滑移曲线形状以及粘结强度与残余粘结强度的比值影响不大;(2)随着加载速率的增加,锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度和残余粘结强度显著增加,粘结区应力峰值显著增加并逐渐向加载端靠近;(3)本工作提出的考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式在0.5~30000 mm/min的加载速率范围内有很好的适用性。

硅灰及矿渣粉对大掺量粉煤灰砂浆力学性能的影响及机理研究

以硅灰和矿渣粉(GGBS)为辅助胶凝材料,使用聚羧酸高性能减水剂,分别研究了硅灰和GGBS对大掺量粉煤灰砂浆抗压强度的影响。通过压汞测试(MIP)、扫描电子显微镜(SEM)以及X射线衍射(XRD)等方法对制备试件的孔结构、微观产物、物相组成进行分析,得到了硅灰和GGBS影响大掺量粉煤灰砂浆强度的机理。结果表明:单掺硅灰的大掺量粉煤灰砂浆的抗压强度随着硅灰含量增加先增大后减小,单掺GGBS的规律与硅灰类似;复掺硅灰和矿渣时,砂浆的强度较其他同龄期组均有一定的提高,二者表现出良好的协同作用;无论是单掺还是复掺,硅灰和GGBS都对大掺量粉煤灰砂浆强度有良好的提升作用。砂浆试件总孔隙率和大孔占比与抗压强度总体呈负相关,强度越高的砂浆试件微观结构越致密,但相比于总孔隙率,毛细孔和大孔占比表现出与抗压强度更好的相关性。当硅灰和GGBS质量分数分别为8%和6%时,砂浆28 d强度最大,为88.05 MPa。

高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的动态压缩力学行为

为研究高温下玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土(BFRGC)的动态压缩力学行为,本文制备了纤维体积掺量为0%、0.1%、0.2%、0.3%的BFRGC试件,并对其进行了不同温度(20、200、400、600、800℃)下的动态冲击试验。结果表明:BFRGC试件静态抗压强度、动态抗压强度和比能量吸收具有明显的温度强化效应和高温损伤效应,峰值应变表现出显著的温度塑化效应。BFRGC试件的静态抗压强度、动态抗压强度的温度阀值为400℃。随着温度的升高,BFRGC试件的静态抗压强度、动态抗压强度和比能量吸收均先增大后减小,峰值应变不断增大。掺加适量的玄武岩纤维可以提高常温及高温下地质聚合物混凝土的静态抗压强度和动态力学性能,且其最佳掺量为0.1%。

基于正交试验和超声波波速的水库底泥透水混凝土性能研究

水库中的黏土、砂、有机物和无机矿物等结合并沉淀形成了水库底泥,水库底泥通常以不规则非均质体的黏土胶状物存在,呈流塑状态,具有良好的可塑性,颗粒之间较为松散。水库底泥的堆积会使水库的蓄水和防洪能力减弱,进而缩小水库容量,缩短水库寿命,影响航运交通等。另外水库底泥的长久堆积,其所含有的有机物还可能会对周边环境造成污染,水环境安全指数降低,进而对人类生存构成潜在的威胁,因此迫切需要对水库底泥进行资源化利用。为提高水库底泥在建筑材料领域的附加值利用率,将水库底泥作辅助胶凝材料制备透水混凝土。通过正交试验对水库底泥透水混凝土进行配合比设计优化研究,分析矿渣粉、水库底泥和增强剂对水库底泥透水混凝土干密度、总孔隙率、有效孔隙率、透水系数、超声波波速和28 d抗压强度等性能指标的影响,研究超声波波速与孔隙率、透水系数和28 d抗压强度之间的关系,探究试件的质量和超声波波速随冻融循环次数的演化规律。结果表明,随着水库底泥的掺入,水库底泥透水混凝土的干密度、抗压强度和超声波波速不断下降,孔隙率和透水系数不断增大;矿渣粉掺入使得试件的干密度、抗压强度和超声波波速先增大后减小,孔隙率和透水系数先减小后增大;增强剂对试件的性能指标影响不明显。3种因素对水库底泥透水混凝土的干密度、总孔隙率、有效空隙率、透水系数、超声波波速和28 d抗压强度影响排序为水库底泥掺量>矿渣粉掺量>增强剂掺量;超声波波速与孔隙率、透水系数和28 d抗压强度的曲线拟合相关性良好;随着冻融循环次数增加,试件质量损失率逐渐增大、超声波波速逐渐下降,矿渣粉和增强剂可以改善试件的冻融耐久性。研究成果将推进水库底泥在制备建筑材料中的开发与应用,有望为水库底泥透水混凝土的进一步应用提供参考。

高温后冷却方式对玄武岩纤维混凝土力学性能的影响

高温处理后混凝土力学性能是工程建设中评价混凝土结构安全性能的重要指标之一。对不同玄武岩纤维(BF)掺量混凝土的力学性能进行了测试,将最优掺量的玄武岩纤维混凝土(BFRC)与普通混凝土(OC)进行高温处理(200、400、600、800℃),研究不同冷却方式(自然冷却和喷水冷却)对高温后BFRC性能劣化的影响,分析BFRC在不同温度和冷却方式下的力学性能变化规律。结果表明,当BF掺量为0.05%(体积分数)时,BFRC抗压强度、劈裂抗拉强度达到最大值,分别为50.2、3.5 MPa,较OC分别提高了14.87%、34.62%。BF的掺入能够有效增加混凝土的韧性以及抵抗开裂变形的能力。随着温度增加,BFRC试件的弹性模量减小但始终大于OC试件。同一冷却方式下OC的峰值应变均大于BFRC,不同冷却方式下的延性指数较常温均有所提高。

聚酯纤维泡沫混凝土力学性能及孔结构研究

纤维的掺加可有效地改善泡沫混凝土抗压强度低、脆性特征显著的缺陷,增强其工程适用性。本工作针对聚酯纤维对泡沫混凝土力学性能的改善开展试验研究,选定密度等级为700 kg/m3的泡沫混凝土,考虑不同纤维体积掺量(0.1%、0.2%、0.3%和0.4%)对其抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度以及延性的影响。结果表明:纤维掺量为0.1%时,材料表现出较优的抗压和劈裂抗拉性能,28 d强度分别增加了86.4%和91.3%;纤维掺量为0.2%时,材料表现出较优的抗折性能,28 d抗折强度提升了39.1%。试样破坏形态和应力-应变曲线表明,聚酯纤维可有效地提升泡沫混凝土的延性。最后,运用图像分析处理法分别获得了五组试件的孔结构参数,从细观孔结构的角度讨论了聚酯纤维对泡沫混凝土抗压强度的影响机理。

石墨类导电混凝土电阻率及导电机理分析

将石墨类导电相材料代替细骨料制备功能型导电混凝土,可利用通电发热使得混凝土基体升温以达到融雪化冰的目的。电阻率是衡量混凝土导电性能的主要指标,易受到混凝土含水率和外界环境温度等因素的影响。采用石墨、石墨原矿以及石墨尾矿作为导电相制备导电混凝土,研究了3种石墨类导电相混凝土力学性能、不同温度、含水率下石墨类混凝土电阻率演化规律以及微观性能,并分析了石墨类混凝土的导电机理。结果表明,导电相掺量、温度及含水率的增加都使混凝土的电阻率降低,其中导电相的掺入对电阻率降低最为显著。此外,SEM和EDS测试结果发现不同掺量条件下,混凝土基体中碳元素含量明显增加,验证了石墨类材料的加入可促进混凝土的导电性能,但会造成混凝土基体内部出现孔洞和微裂缝,对石墨类混凝土强度产生不利的影响。

地聚物混凝土干燥收缩性能及活性氧化镁补偿收缩研究

制备粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土,并进行地聚物混凝土28 d抗压强度和干燥收缩测试,探究分析活性氧化镁含量、水玻璃模数、碱当量和矿渣含量对其抗压强度和干燥收缩的影响机理。结果表明:随着活性氧化镁掺量增大,地聚物混凝土28 d抗压强度下降,干燥收缩变形显著减小;与0%(质量分数,下同)活性氧化镁混凝土相比,掺量为3%、6%和9%时混凝土28 d抗压强度分别下降8.0%、8.2%和18.2%,干燥收缩分别减小21.5%、26.4%和38.2%,此外,当活性氧化镁掺量为3%和6%时,不仅有效补偿了干燥收缩,且抗压强度损失较小;随着水玻璃模数升高,地聚物混凝土28 d抗压强度和干燥收缩变形增大;随着碱当量升高,地聚物混凝土28 d抗压强度下降、干燥收缩变形增大;随着矿渣含量增加,地聚物混凝土28 d抗压强度增大、干燥收缩变形减小。综合考虑抗压强度及收缩的要求,建议实际应用中选择高活性、大掺量氧化镁,掺量宜控制在3%~6%。

氯盐环境下UHPC-NC界面黏结性能试验研究

氯盐环境作为一种较为常见的化学侵蚀环境,研究其对超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)和普通混凝土(normal concrete,NC)界面耐久性能的影响对于UHPC加固混凝土结构和UHPC-NC组合结构的工程应用均具有重大的现实意义.基于此,通过在常规环境以及氯盐环境下的推出试验,获得了干湿循环次数(0次、25次、50次)、氯盐浸泡天数(0 d、50 d、100 d)及界面处理方式(钢丝刷刷毛、高压水射流冲毛、表面缓凝处理)对UHPC-NC界面黏结强度、界面黏结刚度及界面黏结滑移曲线的影响.结果表明:在100 d试验周期内,干湿循环及氯盐浸泡作用造成的界面黏结强度损失率不超过20%;氯盐环境作用时长的增加会导致界面黏结刚度的降低;随着界面粗糙度的增加,UHPC-NC试件的界面黏结强度以及界面黏结刚度均会增加;界面粗糙度的提高有助于界面抗氯盐侵蚀能力的提升.受到界面处理方法的影响,UHPC-NC试件经历干湿循环及氯盐浸泡后,荷载滑移曲线呈现2种不同的形式,分别对应光滑界面(钢丝刷刷毛界面)和其他界面(高压水射流冲毛界面和缓凝剂处理界面).各组试件的黏结滑移曲线在荷载到达峰值前趋于一致;荷载到达峰值后,前者存在荷载骤降段及持荷段,后者则随着滑移量的增加荷载不断降低.根据UHPC-NC黏结滑移曲线特征,提出了黏结滑移建议模型.

混凝土暴露试验的稳定时长与试验分析方法

混凝土自然暴露试验通常用于研究混凝土的氯离子扩散系数,但需要选择合适的分析方法,并确定稳定暴露时长。为此,首先系统研究混凝土的氯离子瞬时扩散和平均扩散理论,明确扩散方程中不同参数的时变特性,揭示了瞬时扩散解析解在分析混凝土中氯离子扩散过程和浓度分布时与平均扩散解析解等价。然后,引入随机数模拟混凝土取样误差,利用蒙特卡洛法分析氯盐环境下混凝土暴露时长、取样误差以及不同回归分析方法对扩散系数计算结果的影响,研究表明瞬时扩散解用于混凝土自然暴露试验分析时容易受到参数迭代初值的影响,导致初始扩散系数计算结果不稳定,而平均扩散解可以避免该问题,因而平均扩散解更适合于混凝土自然暴露试验数据的回归分析。在此基础上,研究确定了不同取样误差下的混凝土稳定暴露时长。最后,通过工程实例分析验证了回归分析方法以及稳定暴露时长在氯盐环境下混凝土自然暴露试验数据分析中的合理性和必要性。

BFRP筋回收轮胎钢纤维混凝土黏结性能分析

对玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋在回收轮胎钢纤维(RTSF)混凝土中的黏结性能进行了试验和分析研究.对不同RTSF体积掺量、BFRP筋直径和嵌入长度的试件进行了拉拔试验,研究其对黏结破坏模式、黏结滑移响应和黏结强度的影响,并提出了BFRP筋RTSF混凝土的黏结滑移理论模型.结果表明:BFRP筋RTSF混凝土黏结破坏类型包括拔出破坏、劈裂破坏以及拔出且劈裂破坏;BFRP筋直径对黏结破坏模式无显著影响,而RTSF体积掺量、BFRP筋直径和嵌入长度均对黏结强度有较大影响,且RTSF体积掺量与极限黏结强度呈正相关,BFRP筋直径和嵌入长度对其影响与之相反;当RTSF体积掺量从0增大至1.5%时,其极限黏结强度最大可提高约23.87%.与已有模型相比,所提出的黏结滑移理论模型对BFRP筋RTSF混凝土的黏结滑移曲线具有更高的拟合精度.

高强页岩轻骨料混凝土制备及微观结构研究

基于最紧密堆积理论和最小需水量法进行高强页岩轻骨料混凝土配合比设计与制备,研究了水胶比对抗压及劈裂抗拉强度影响,并借助SEM/EDS进行微观测试分析。结果表明:当粗细骨料体积分数比为5.5:4.5时,粗细骨料达到最紧密堆积状态;当硅灰、粉煤灰和水泥质量比为0.8:3.2:6时,需水量最少,粉体材料密实度最佳;依据优化配比所配混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均随龄期增加而增加;随着水胶比增加,抗压强度和劈裂抗拉强度呈先增后减的趋势,且当水胶比为0.24时达到最大,分别为70.9、5.83MPa;硅灰和粉煤灰特有的形态效应和火山灰效应有效改善了浆体与骨料间界面的密实程度,微观结果显示浆体与骨料界面区域结构致密,陶粒区域为富Si、Al相,浆体一侧为富Ca相。

氧化石墨烯对天然水硬性石灰水化及力学性能的影响

石质文物是一类重要的文化遗产,然而裂隙会导致其产生失稳、渗水、风化等病害,因此,开发一种合适的灌浆材料用于石质文物裂隙修复具有重要意义。本文将氧化石墨烯(GO)掺入天然水硬性石灰(NHL2)制备灌浆材料,采用SEM、TG、XRD和FT-IR等测试研究了GO掺量对NHL2水化进程及水化产物的影响,通过力学性能测试和模拟灌浆试验评价了该材料用于石质文物灌浆加固的可行性。结果表明:添加GO可加速NHL2的水化进程,促进规整致密的花状聚集态水化产物的形成;当GO掺量为0.05%(质量分数)时,试样的水化产物含量最多,力学性能最好,28 d抗压强度和抗折强度分别达2.83和1.63 MPa,相比空白试样分别提高了19.91%和23.40%。此外,灌浆材料与砂岩之间具有优异的黏结强度,两者界面结合紧密,兼容性良好。本研究为石质文物的裂隙灌浆加固提供了参考。

基于温度--应力试验的混凝土温度应力仿真

为分析早龄期混凝土的温度变形和温度应力,使用ABAQUS有限元分析软件,考虑混凝土的热膨胀系数和弹性模量随等效龄期的变化规律,通过现有的堆石坝面板混凝土温度—应力试验测试数据建立温度—应力试验试件有限元分析模型,开展混凝土温度变形对应的温度场和应力场的数值仿真研究。研究结果表明:使用等效龄期,考虑早龄期混凝土热膨胀系数、弹性模量的时变性,可以提高温度应力场仿真模拟的精度,为实际工程提供更安全的设计依据。

钢渣复合矿粉对不同养护条件下混凝土性能的影响

为了探讨利用钢渣和矿渣制备复合掺合料的可行性,按质量比3∶7将钢渣与矿渣进行共同粉磨,制备复合矿粉,研究了复合矿粉对不同养护制度下混凝土的工作性和力学性能的影响,并对水化产物进行了表征。结果表明,复合矿粉使混凝土1 h的坍落度损失下降了6.9%,表现出了较好的保坍效果;在20℃标准养护和60℃蒸汽养护下,掺复合矿粉混凝土的立方抗压和轴向抗压强度与对照组相比均有所提高,但掺复合矿粉混凝土的劈裂抗拉强度均略低于对照组。微观分析发现,复合矿粉的掺入,使得生成的水化硅酸钙氧硅比降低,聚合度增加;水泥石总孔隙率由26.34%下降到23.99%;促进生成更多的水化产物。研究表明,在矿粉中掺入适量的钢渣粉制备复合矿粉具有较高的可行性,是同时实现钢渣和矿渣资源化利用的有效途径。

再生细骨料和砖粉双掺对3D打印混凝土性能的影响

为减少3D打印混凝土中天然骨料及胶凝材料的用量,本文采用再生混凝土细骨料替代部分天然细骨料,砖粉替代部分水泥,首先开展单掺再生细骨料(取代率为0、25%、50%、75%和100%)、单掺砖粉(取代率为0、5%、10%、15%、20%和30%)和两者双掺的现浇混凝土的流动性和抗压强度试验,以获得再生细骨料和砖粉的适宜取代率;然后探究50%再生细骨料和10%砖粉双掺及配合比调整方式(附加水、提高减水剂用量)对3D打印混凝土拌合物性能及硬化后力学性能的影响。试验结果表明,当再生细骨料的掺量不超过50%时,现浇混凝土抗压强度降低幅度在10%以内;随着砖粉掺量从0增加到30%,现浇混凝土抗压强度总体呈现先增后减、再稍有增加的趋势,当砖粉掺量为10%时,混凝土抗压强度最高;相比于单掺50%再生细骨料的混凝土,50%再生细骨料和10%砖粉双掺时混凝土强度有所增加,而流动性基本不变。对于3D打印混凝土,同时掺入50%再生细骨料和10%砖粉,并采用添加附加水的方式保持3D打印混凝土初始扩展度不变,会使得混凝土的可建造性提高,但坍落度、开放时间、抗压和劈裂抗拉强度降低,强度各向异性加剧;而提高减水剂用量不仅能显著提升3D打印混凝土的流动性能、开放时间和抗压强度,还能降低打印试件的强度各向异性。