水泥-蔗渣灰-陶瓷粉三元胶凝材料体系早期水化研究

为探究工业固废蔗渣灰、陶瓷粉作为辅助胶凝材料在水泥基材料中的适用性,本文通过单纯型重心设计方法对水泥-蔗渣灰-陶瓷粉三元胶凝体系进行混料设计,并通过凝结时间、水化热与氢核磁共振探究其早期水化性能.研究表明:蔗渣灰与陶瓷粉均会延长水泥浆体的凝结时间,陶瓷粉的延缓幅度更大;水泥浆体水化放热峰会随着蔗渣灰掺量的增加而后移,随陶瓷粉掺量的增加而略微向前移,且蔗渣灰与陶瓷粉的掺入都会使浆体水化放热降低,72h水化程度也会降低;蔗渣灰与陶瓷粉的掺入会增加氢核磁共振信号强度,其中水泥-蔗渣灰组合的信号强度更高.水泥-蔗渣灰-陶瓷粉有较好的协同作用,三元体系可以制备凝结时间符合规范要求、水化热较低的胶凝材料,试验成果为工业固废的绿色应用以及低热混凝土的制备提供参考.

超高性能混凝土劈拉损伤破坏的声光联合表征

为研究超高性能混凝土(UHPC)的劈拉破坏特征,采用3种不同的加载速率(0.1、0.01、0.001 mm/s)进行劈拉加载,在加载过程中采用数字图像相关(DIC)方法非接触观测裂缝演化,同时结合声发射(AE)技术对UHPC的破坏全过程进行动态监测,并基于DIC应变云图、AE参量分析试件的破坏特征。结果表明,钢纤维的掺入改善了混凝土的脆性,UHPC峰后荷载-位移曲线下降更平缓,没有出现急剧下降的情况;加载速率越高,UHPC测出劈拉强度越高,符合混凝土速率效应规律,加载速率由0.001 mm/s提升到0.01 mm/s和由0.01 mm/s提升到0.1 mm/s,劈拉峰值荷载分别提高了27.9%和28.5%。采用DIC法进行UHPC劈拉试验的变形测量可获得连续的变形数据,能完整地捕捉裂缝的开展过程,证明DIC能很好地反映试件表面裂缝开展演化过程。基于RA-AF值分析可以快捷、有效地判断混凝土中裂缝的开展类型。根据分析结果,UHPC劈拉试验的裂缝类型绝大多数为拉伸裂缝,且随着加载速率的提高,拉伸裂缝占总裂缝的比例提高。

花岗岩废石料替代混凝土组分优先性试验

花岗岩废石料替代混凝土组分可以降低工程成本,减少天然资源消耗;确定替代的优先级,可更大程度实现对花岗岩废石料的再利用。为探究废石料等质量替代混凝土原材料的优先级,利用废石料分别替代水泥、粗细集料制备C25、C30、C40等3种强度混凝土,采用扫描电镜与压汞试验结合抗压强度试验结果分析废石料替代混凝土原材料后对混凝土强度、密实性的影响,确定替代的优先顺序。结果表明:C25、C30、C40等3种强度花岗岩废石料混凝土外观形貌优于同强度基准组,颗粒级配更为合理;3种混凝土中的无害孔、少害孔、有害孔和多害孔体积分布总体优于基准组,孔隙率分别为13.51%、11.52%、9.14%,与基准组相比都有显著降低。废石料的加入有效细化了裂缝与孔隙,提高了混凝土的强度和密实性,由此确定了替代混凝土组分的优先级,可为花岗岩废石料混凝土最优配合比设计提供参考。

沙漠砂混凝土力学性能试验研究

研究了不同沙漠砂单掺、沙漠砂-矿渣粉复掺以及沙漠砂-矿渣粉-钢纤维三掺量对沙漠砂混凝土(Desert Sand Concrete, DSC)抗压强度、劈裂抗拉强度的影响,结果表明,随着沙漠砂掺量的增加,混凝土的抗压强度先增加后减小,当掺量为20%时达到最佳状态;矿渣粉掺量20%时显著提高了混凝土的强度;钢纤维掺量在0.8%时对抗压强度和劈裂抗拉强度的提升效果最为显著。沙漠砂、矿渣粉钢纤维的加入能够改善混凝土的孔隙结构,钢纤维的桥接作用有效阻止裂缝扩展,对增强材料韧性最为显著。

建筑工程混凝土裂缝分析与纤维混凝土应用评述

建筑工程的快速发展导致混凝土的抗裂控制成为复杂而持久的挑战。利用不同纤维的优势属性补偿素混凝土的性能缺陷,提高混凝土的抗裂性能,是目前一种经济有效的手段。文章首先对建筑工程混凝土裂缝的类型及成因进行了深入分析,在此基础上详细阐述了不同纤维增强混凝土的特点,对其增强效果进行了对比分析,最后给出了纤维混凝土的发展建议,希望能为纤维增强混凝土的发展与应用提供借鉴。

植被混凝土不同磷石膏掺量对狗牙根根系特性及抗拔力学性能的影响

为研究植被混凝土磷石膏含量对基材理化性质、植物根系性征及整株抗拔力的影响,进行了不同磷石膏掺量(0%、3%、4.5%、6%、9%)以及不同生长期(90、120、150d)条件下,基材相关理化指标的测定、狗牙根根系监测和原位整株拉拔试验.结果表明:磷石膏对基材容重、pH值和土壤磷含量具有显著影响;狗牙根根系网状结构显著增强了抗拔力,整株抗拔力随根系性状的改善而增大,3%掺量下抗拔力120d时高出0%掺量30.25%;适量磷石膏掺入显著促进了根系生长,3%掺量下根系总根长、根体积和根系生物量增加显著,此种情况下狗牙根根系固土效果最好.

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。

掺硫铝酸钙类膨胀剂白水泥净浆干燥收缩与水分损失关联

为精确解析干燥条件下掺硫铝酸钙类膨胀剂水泥基材料的收缩行为,深入揭示低相对湿度条件下硫铝酸钙类膨胀剂补偿收缩效果下降的机制,利用低场磁共振弛豫技术,结合X射线衍射、质量与长度测试,在不同相对湿度下对掺与不掺硫铝酸钙类膨胀剂白水泥净浆的干燥收缩历程进行10个月的长期监测,从含水量及水分状态角度,定量描述白水泥净浆干燥失水和收缩的演变规律,阐明硫铝酸钙类膨胀剂导致干燥收缩落差增大的作用机制。结果表明:在相对湿度为75%、43%、11%的环境中干燥,白水泥净浆失水量和干燥收缩均持续增大直至稳定,3类环境中各试件干燥收缩与相对失水量间的关系基本保持一致;随干燥时间延长,单位失水量导致的干燥收缩先降低后升高,干燥进程中净浆内部各级孔隙失水规律不同,且各湿度条件下的干燥收缩机制存在差异;掺入硫铝酸钙类膨胀剂后,C-S-H凝胶纳米孔结构会发生一定粗化,干燥时易损失更多可蒸发水,且膨胀剂水化生成的钙矾石还会损失2~5个结晶水,二者共同导致净浆水分损失与干燥收缩增大;在低湿度环境中应用硫铝酸钙类膨胀剂时,需注意这两个因素导致收缩落差增大的影响。

低温下玄武岩纤维混凝土劈拉强度尺寸效应试验

为研究极端低温作用下结构尺寸和纤维体积分数对玄武岩纤维混凝土劈拉强度的定量影响规律和作用机制,设计了4种尺寸(边长分别为70、100、150和200 mm)、4种纤维体积分数(分数范围0%~0.5%)的玄武岩纤维混凝土立方体试块在常温和低温下(温度范围20~-90℃)进行了静态劈拉破坏试验。试验结果表明:不同类型混凝土的劈拉强度均随温度降低而线性增大(最大增幅接近130%),呈现出显著的低温增强效应;玄武岩纤维的掺入能略微强化混凝土劈拉强度的低温增强效应。不同纤维体积分数玄武岩纤维混凝土的劈拉强度均呈现出一定的纤维增强效应,并且随体积分数增加而增强;极端低温作用下玄武岩纤维的主导破坏模式由拔出破坏转变为拉断破坏,导致纤维增强效应随温度下降而变强。劈拉强度的尺寸效应随温度下降而更明显,但玄武岩纤维的掺入能减弱尺寸效应(最大削弱程度达25.8%)。本文研究能为玄武岩纤维混凝土材料在极端低温环境下的大规模工程结构应用提供有效参考。

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。

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。

基于综合性能试验的混凝土早期开裂行为研究

为提高混凝土的早期抗裂性能,突破单因素改善其早期稳定性,进行了多因素补偿混凝土各性能缺陷方面的研究.基于调控混凝土配合比开展了胶凝材料水化热、混凝土早期收缩试验和大板加速开裂试验.通过相关收缩机理分析了不同混凝土拌和物的开裂行为;运用双参数Weibull分布分析试验结果,得出了混凝土大板裂缝经时开裂规律.试验结果表明:采用高效稳定型聚羧酸减水剂可以增加浆体的和易性,结合66.7%矿物掺合料(粉煤灰和矿渣粉与水泥质量比)、较好级配碎石和0.29的水胶比有利于延长混凝土的初裂时间和控制裂缝宽度,即提高混凝土的早期抗裂性能.同时,该调控手段也可以降低浆体的水化热,提高混凝土的抗压强度.此外,混凝土裂缝宽度的经时变化规律很好地服从双参数Weibull分布.

冻融环境下玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴压缩特性

为了研究密度、纤维掺量及冻融循环对玄武岩纤维增强泡沫混凝土单轴压缩特性的影响,借助X-CT技术以及Avizo软件对试件的孔隙构造进行了研究,对不同冻融环境下的多种密度等级(800和1000kg/m3)及纤维体积掺量(0%、0.15%、0.30%、0.45%)的玄武岩纤维增强泡沫混凝土进行了单轴压缩试验,分析了不同影响因素下玄武岩纤维增强泡沫混凝土的单轴压缩特性,对各因素与抗压强度的关系进行了灰关联度分析,并使用机器学习算法模型对抗压强度进行预测.结果表明:掺入玄武岩纤维能有效提高泡沫混凝土抵抗冻融的能力,体积掺入0.15%、0.30%、0.45%的试件冻融80次后强度损失率分别为75.2%、46.2%、37.8%.密度等级与抗压强度关联度最大,灰关联度为0.799;其次是纤维掺量,关联系数为0.723;灰狼算法优化下的长短期记忆网络模型对玄武岩纤维增强泡沫混凝土抗压强度的预测性能良好.

减水剂改性固废基蒸压加气混凝土的制备与性能研究

以花岗岩石粉、黄河特细砂为硅质材料,以电石渣为钙质材料,以聚羧酸减水剂为改性剂,制备固废基蒸压加气混凝土(AAC)。研究了聚羧酸减水剂掺量对AAC料浆流动性、发气过程、抗压强度、干密度、孔隙率和孔径分布的影响。结果表明,减水剂掺量由0.15%增大到0.30%,料浆初始流动度、发气速率、发气量和孔隙率逐渐增大,制品抗压强度和干密度逐渐降低。减水剂掺量为0.25时,料浆初始流动性270 mm,发气量208 mL,孔隙率82.54%,抗压强度2.9 MPa,干密度509 kg/m^(3),AAC综合性能最优。减水剂掺量大于0.2%时,2 mm以上的大孔基本消失,孔隙率和孔壁无害孔含量对AAC抗压强度影响更明显。

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。

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。

盐冻耦合环境下再生砖粉ECC的耐久性研究

利用再生砖粉取代工程水泥基复合材料(ECC)中的石英砂,制备再生砖粉ECC,采用混凝土快速冻融试验,研究了氯盐、硫酸盐及复合盐(氯盐+硫酸盐)溶液侵蚀作用下再生砖粉ECC的质量损失率和相对动弹性模量变化规律,建立了ECC在盐冻侵蚀环境下的损伤模型,并对其耐久性进行评价。结果表明:冻融循环300次后,再生砖粉ECC在清水、氯盐、硫酸盐及复合盐四种介质中的质量损失率分别为2.884%、4.984%、1.955%和6.891%,相对动弹性模量分别下降了6.468%、16.300%、24.303%和39.861%;再生砖粉ECC在单一盐冻情况下的抗冻等级大于F300,在复合盐冻情况下的抗冻等级大于F250,具有良好的抗盐冻性能;建立的冻融损伤模型可较好地反映ECC在不同冻融介质下的损伤度Dn与冻融循环次数的关系,可以为严寒地区的结构耐久性设计提供有效参考。

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。

低温作用下钢纤维地聚合物混凝土力学性能研究

为研究低温作用下钢纤维地聚合物混凝土(SFGPC)力学性能的变化规律,利用自制低温环境试验装置研究不同温度(-30、-20、-10、0、20℃)、不同钢纤维体积掺量(0%、0.5%、1.0%、1.5%)对地聚合物混凝土破坏特征及抗压、抗折强度的响应规律,并借助扫描电子显微镜(SEM)对SFGPC进行微观结构分析,同时应用响应面法(RSM)构建SFGPC力学性能关系模型,提供一种可行的抗压、抗折强度预测方法。结果表明:-30℃下,当钢纤维掺量为1.5%时,SFGPC抗压、抗折强度分别为59.8、6.6 MPa,与-30℃下钢纤维掺量为0%时相比分别提升75%、65%,与20℃下钢纤维掺量为1.5%时相比分别提升41%、144%;随着钢纤维掺量增加,SFGPC内部黏结性与吸附能力增强,力学性能提高;利用RSM得到SFGPC抗压、抗折强度的预测模型,预测值与试验值的相对误差分别小于5.7%、8.0%。

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。