细聚丙烯纤维混凝土介观离散力学模型及其Ⅰ型断裂强度负效应机理

细聚丙烯(PP,直径小于100μm)纤维混凝土Ⅰ型断裂强度随纤维含量增加呈现先增后减的变化规律,其机理尚不明晰。而且由于纤维数量过多,现有数值方法无法精细刻画细纤维混凝土力学行为。对此通过考虑细PP纤维亲水性提升基体局部水灰比的强度正效应和纤维桥接力强度贡献低于砂浆的强度负效应,并引入纤维直径等效系数(rf),实现介观尺度细聚丙烯纤维混凝土(PFRC)力学行为模拟。研究表明:纤维直径等效系数(rf)建议小于10;当纤维微量添加时,细PP纤维提升基体局部水灰比,使基体强度上升,此时正效应高于负效应;随着纤维含量增加,由于纤维桥接力贡献无法补偿相应面积基体强度,负效应持续增长,PFRC宏观Ⅰ型断裂强度下降。

再生粗骨料混凝土应力-应变关系

再生粗骨料混凝土应力-应变关系是实现其材料到结构力学分析的桥梁纽带,成为再生粗骨料混凝土结构基础理论的基石。介绍了作者团队多年来在再生粗骨料混凝土应力-应变关系方面取得的研究进展:采用模型化再生粗骨料方法,研究了复杂界面过渡区对再生粗骨料混凝土破坏行为的影响,揭示了再生粗骨料混凝土细观损伤本质与演化机理;从静力作用到动力作用,系统地开展了不同工况下再生粗骨料混凝土应力-应变行为试验研究,探明了载荷条件对再生粗骨料混凝土应力与变形的影响规律并建立了相适应的力学与数学模型;进一步考虑再生粗骨料性能时空变异性,发现了再生粗骨料混凝土力学响应的概率分布特征,提出了再生粗骨料混凝土随机损伤本构关系;基于获得的本构模型,完成了再生粗骨料混凝土构件时变可靠度分析和结构动力非线性分析,为再生粗骨料混凝土在实际工程中的安全应用提供了理论支撑;提炼了相关研究结论并对未来研究工作进行了展望。

高海拔地区低温成型磷酸镁水泥砂浆力学与抗冻性能

磷酸镁水泥(MPC)砂浆因其低温下卓越的强度发展潜力和免于蓄热保湿养护的特性,特别适用于高寒地区破损混凝土结构的修补工作。研究采用现场试验的办法,以成型温度、镁磷质量比、养护制度为变量,跟踪不同龄期下不同条件的磷酸镁水泥砂浆的抗折与抗压强度,厘清了高海拔地区低温成型磷酸镁水泥砂浆力学性能的发展规律。研究又以成型海拔、成型温度、镁磷质量比为变量,以气泡结构和水饱和度为中间指标,以单面盐冻中质量剥蚀和快速冻融循环中相对质量及相对动弹性模量的变化为直接指标,剖析了高海拔地区低温成型磷酸镁水泥砂浆抗冻性能的影响因素。研究结果表明,自然养护相较恒定低温养护对早期强度发展有利,但对后期强度发展有不良影响。低温环境下成型有利于自然养护的磷酸镁水泥砂浆的后期强度。成型海拔、成型温度和镁磷质量比与砂浆的含气量呈负相关,与砂浆的气泡间距系数和水饱和度呈正相关。试验条件下,这三个变量的值越小,砂浆的抗冻性越好。-10℃成型,镁磷质量比为4对砂浆强度最有利;而-10℃成型,镁磷质量比为3对砂浆抗冻性最有利。这些研究成果为高寒地区磷酸镁水泥砂浆的工程应用提供了技术建议与理论支持。

PE纤维与细橡胶颗粒对泡沫混凝土弯曲韧性的影响

研究了聚乙烯(PE)纤维及其与细橡胶颗粒复掺对泡沫混凝土弯曲破坏模式、峰值强度、能量吸收特性和弯曲韧性的影响,并结合孔结构分析和微观形貌观察探究了其作用机理.结果表明:PE纤维使泡沫混凝土出现多缝开裂模式,显著提升了其峰值强度、能量吸收能力和弯曲韧性;复掺细橡胶颗粒可以进一步提升泡沫混凝土试件的比能量吸收和弯曲韧性;掺入PE纤维可以降低泡沫混凝土的平均孔径;复掺细橡胶颗粒导致泡沫混凝土试件的平均孔径增大,联通孔增多,对其峰值强度有不利影响;PE纤维及细橡胶颗粒提升泡沫混凝土弯曲韧性的主要原因在于其削弱了裂纹尖端的应力集中,同时增强了能量耗散作用.

粉煤灰改性固体废弃物胶固粉的制备及性能研究

以电石渣和粉煤灰这两类固体废弃物为主要原料,制备了不同粉煤灰掺量的固体废弃物胶固粉。研究了粉煤灰掺杂比例对胶固粉水化进程、微观形貌、破坏形态和力学性能等方面的影响。结果表明,掺入适量粉煤灰后加速消耗了水泥熟料,提高了胶固粉的水化反应速率,在28 d龄期下,当粉煤灰的掺量为30%(质量分数)时,胶固粉中孔隙数量最少,结构密实度最高。胶固粉在受力过程中破坏形态相似,裂纹自上而下均为条形裂纹,且上部出现了坍塌现象。随着粉煤灰掺量的增大,胶固粉的凝结时间逐渐增大,流动度和化学结合水量持续降低,抗压强度和最大应力先增大后降低变化。在28 d龄期下,当粉煤灰的掺量为30%(质量分数)时,胶固粉的抗压强度最大为14.85 MPa,在相同应变下的应力最高为15.70 MPa。分析可知,粉煤灰的最佳掺量为30%(质量分数)。

冻融环境下再生混凝土毛细吸水特性研究

本文采用ASTM C1585-13水工混凝土毛细吸水标准试验方法,研究了冻融循环和再生混凝土粗骨料取代率(0%、20%、40%和60%)对再生混凝土(RAC)毛细吸水性能的影响,建立了冻融环境下RAC初期毛细吸水率的预测模型,并结合非饱和毛细理论,建立了RAC在不同冻融循环次数下相对含水量分布预测模型。结果表明:冻融环境相同时,RAC的累计吸水量和初期毛细吸水率随再生粗骨料取代率的增加而变大;再生粗骨料取代率相同时,RAC累计吸水量和初期毛细吸水率随冻融循环次数的增加而变大;从经济角度来看,40%掺量的RAC抗冻性能较优。经验证,通过回归分析建立的冻融损伤下RAC初期毛细吸水率预测模型,计算精度较高,可用于预测RAC的毛细吸水性能,为RAC的抗冻耐久性评价提供理论依据。

配合比参数对C30高性能混凝土抗碳化性能影响算法分析

基于配合比参数,对C30高性能混凝土抗碳化性能的影响进行了探讨,得出了随着矿粉用量的增加,21 d抗压强度随之提高;随着粉煤灰掺量的降低,21 d抗压强度随之提高;C30混凝土126 d的碳化深度明显小于21 d的碳化深度,C30各组试件的21 d的平均碳化深度为7.57 mm;126 d平均碳化深度为6.51 mm。随着矿物粉用量的增大,粉煤灰用量的减小,混凝土的抗碳化能力增强。以C30-07矿粉与水泥混合料的比例为38%时,C30水泥混合料的最佳混合比例为C30-07矿粉与水泥混合料的最佳混合比例。在龄期从21 d提高到126 d时,随粉煤灰掺量比例的下降,C30混凝土试件碳化深度下降值随之减小,从1.31 mm降低为0.91 mm。利用试验数据,对混凝土的碳化过程进行了预测,结果发现,影响粉煤灰混凝土的碳化的因素比较复杂,将各模型使用应和工程相结合,对混凝土的碳化深度更好预测。利用Matlab对水泥砂浆的碳化厚度进行了线性回归分析,得到了水泥砂浆21 d后碳化厚度的计算方法。

附加用水量对再生砂混凝土工作性和力学性能的影响

再生砂掺量和附加用水量对新拌和硬化再生砂混凝土的性能有重要影响。本工作制备了再生砂掺量(γRFA)为30%、50%、70%、100%(质量分数,下同),附加用水量补偿系数(kwa)为0.6、0.75、0.9、1.0的16组再生砂混凝土,测试了这些再生砂混凝土的工作性(坍落度、扩展度与扩展时间)与力学性能(抗压、劈拉强度与弹性模量),分析了kwa和γRFA对再生砂混凝土性能的影响规律,获得了kwa的合理取值范围。结果表明,随着kwa的降低,再生砂混凝土的工作性下降,力学性能增大;γRFA对混凝土力学性能的影响与附加用水量有关,在中低附加用水量(kwa=0.6、0.75)条件下,随着γRFA的增加,再生砂混凝土的部分力学性能指标增大且其值高于天然砂混凝土,而在高附加用水量(kwa=0.9、1.0)下,再生砂混凝土的力学性能随着γRFA的增加呈线性降低。γRFA低于50%对再生砂混凝土力学性能的影响较小,kwa值在0.75~0.9范围变化对再生砂混凝土工作性能与力学性能的影响均相对较小。

SFCC现场导热系数与温度场实测及预测方法研究

为确定钢纤维页岩陶粒混凝土(SFCC)现场实际的导热系数,与桥面板施工同步制作了不同钢纤维体积分数的SFCC试件,采用热板法进行测定,校核并扩展了导热系数预测公式,并且对高温沥青摊铺时SFCC桥面板的温度场进行了实测和数值模拟.结果表明:环境湿度为67%时,SFCC的实测导热系数为0.915~1.409 W/(m·K),增加钢纤维体积分数可提高SFCC导热系数;考虑湿度和钢纤维影响后的扩展Maxwell公式预测值与实测值吻合良好;高温沥青摊铺时桥面板SFCC混凝土内的温度梯度可达20.5℃,超过规范日温差,采用数值模拟可有效计算桥面板温度场.

低压养护下低热水泥混凝土的性能研究

研究了不同养护(低压养护、标准养护)条件下掺不同品种水泥(普通硅酸盐水泥OPC、低热水泥LHPC)混凝土的性能,分析了LHPC混凝土的孔结构对其性能的影响。结果表明:相同养护条件下,LHPC混凝土的后期抗压强度高于OPC混凝土;低压养护条件下,LHPC的放热量远低于OPC,LHPC可以持续进行水化,对低压环境的适应性更好,LHPC混凝土的孔结构更加致密,LHPC混凝土的耐久性能更好;混凝土的耐久性能与孔结构呈线性关系,且耐久性能随着孔结构的劣化而降低。

短切玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响

为了提高混凝土的力学性能,研究短切玄武岩纤维对混凝土力学性能的影响规律。把不同体积掺量(0.25%、0.5%、0.75%、1.0%、1.25%)、不同长度(6 mm、12 mm)的短切玄武岩纤维掺入以C40混凝土为主的不同基体强度等级的混凝土中,进行立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度试验,分析短切玄武岩纤维对混凝土力学性能产生的影响,并拟合出C40混凝土抗弯强度与短切玄武岩纤维体积掺量的数量关系。结果表明:同一掺量下,12 mm短切玄武岩纤维比6 mm短切玄武岩纤维提升混凝土力学性能效果更佳;C40混凝土在12 mm短切玄武岩纤维掺量为1%时,其立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、拉压比和抗弯强度对比未掺入玄武岩纤维的混凝土分别提高7.11%、30.00%、21.34%和24.89%,此时混凝土力学性能提升效果最佳。

改性磷石膏作水泥缓凝剂的研究

为将磷石膏应用于水泥缓凝剂,采用水洗等方式对磷石膏进行预处理。确定水洗磷石膏的最优用水量和水洗时间。对比研究天然石膏、原状磷石膏和改性磷石膏对硅酸盐水泥凝结时间和强度的影响。通过水化热、XRD和SEM分析改性磷石膏对硅酸盐水泥水化特性的影响机理。结果表明,磷石膏在液固比为4和水洗时间为25 min条件下水洗效果最佳;生石灰单掺以及生石灰和膨润土复掺对磷石膏中可溶性磷和可溶性氟表现出较好的固化效果;水洗改性后磷石膏可有效缩短水泥的凝结时间,提高早期强度,其中生石灰与膨润土按2∶1复掺水洗改性后磷石膏用于硅酸盐水泥,水泥初、终凝时间比使用原状磷石膏时缩短了50%和31%;改性磷石膏制备的水泥早期水化速率正常,水泥固结体结构致密,缺陷较少,早期强度高。

石墨尾矿综合利用现状

我国石墨资源储量和出口量都居于世界首位,但石墨在开采过程中伴随产生大量的石墨尾矿,石墨尾矿的存量和增量巨大,石墨尾矿的处理成为亟待解决的问题。综合环境、成本及社会影响等因素,大量回收石墨尾矿进行综合利用不但有利于企业的良性可持续发展,而且符合环保可持续发展及低碳战略的需求。本文主要介绍了石墨尾矿回收再利用研究及资源化应用现状,并对石墨尾矿未来的产业利用及应用前景进行了展望。

基于正交试验的再生透水混凝土路用性能研究

通过正交试验研究了粉煤灰、矿渣微粉、硅灰等矿物掺合料以及再生骨料替代率对再生透水混凝土抗压强度、有效孔隙率、透水系数、耐磨性的影响。结果表明:再生骨料替代率对再生透水混凝土28 d抗压强度和透水系数影响最显著,随再生骨料替代率的增加,28 d抗压强度逐渐降低,透水系数显著增大;粉煤灰掺量对磨坑长度的影响最显著,随粉煤灰掺量的增加,再生骨料透水混凝土的耐磨性显著提高。基于功效系数法,综合性能最优配比为:粉煤灰、矿渣微粉、硅灰掺量分别为15%、5%、8%,再生骨料替代率为30%,制得的再生透水混凝土28 d抗压强度为25.9 MPa,透水系数为2.04 mm/s,磨坑长度为31.7 mm。

纤维尺寸效应对深井井壁衬砌支护层力学特性的影响

为探究纤维尺寸效应对深井井壁钢纤维混凝土力学特性及应变演化的影响,设计三种不同钢纤维尺寸和掺量的混凝土配方,通过测试试样的力学特性后得知,随着钢纤维尺寸、掺量的增加,试样单轴抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及弹性模量提升。借用数字图像相关技术对试验过程监测发现,钢纤维的加入使得试样破坏时表面裂纹数量、长度远大于素混凝土试样,随着钢纤维尺寸的增加,试样破坏时试样表面裂纹宽度有所下降,混凝土试样的轴向变形降低。当试样到达峰值荷载时,素混凝土迅速失稳破坏,而钢纤维混凝土试样在到达峰值荷载时仍然存在一定残余强度。运用随机森林模型对钢纤维混凝土测试强度进行训练、测试与预测,结果表明训练、测试、预测样本精度较高,R 2>0.8,均方根误差值较小,改进随机森林模型对钢纤维混凝土强度的预测较精确,利用此预测模型,可大幅度降低优化钢纤维混凝土配方所需要的人力与物力成本,结果可为现场混凝土配方强度预测提供参考。

玄武岩纤维棒聚合物混凝土的弯曲韧性

研究了玄武岩纤维棒(BFB)的纤维增强指数I_(R)对玄武岩纤维棒聚合物混凝土(BFB-PC)韧性指标T_((2(n-1)))(n)的影响,通过分形理论探究了T_((2(n-1)))(n)与裂缝形貌的关系,并建立了弯曲韧性计算模型.结果表明:当IR=90.0时,BFB对BFB-PC的增韧效果最优,此时BFB-PC的弯曲韧性比未掺BFB时提升了8.39倍;BFB的增韧阈值为IR=37.5和IR=90.0;当IR相同时,与未掺聚合物的混凝土相比,聚灰比为0.06的BFB-PC T_((2(n-1)))(n)更高;IR越大裂缝形貌越复杂,T(2(n-1))(n)与裂缝分形维数呈二次函数关系;本文提出的弯曲韧性计算模型准确描述了BFB对PC梁的增韧作用,其试验值与理论值的相对误差小于15.00%.

灌浆料流变性能的时变特性与屈服应力演化模型

为研究灌浆料流变性能的时变特性,厘清流变性能随时间变化的机理,通过流变试验研究灌浆料的流变模型和流变参数随时间的变化规律。结合灌浆料的冷冻扫描电镜微观结构随时间的变化过程和流体力学理论,研究屈服应力的时变机理,并建立考虑絮凝效应、水化反应和骨料颗粒-水泥浆体相互作用三者共同影响的新屈服应力演化模型。结果表明:灌浆料的流变模型符合Herschel-Bulkley模型,屈服应力随时间增加而增加。水化产物在网状絮凝结构上不断堆积,网状絮凝结构逐渐变大,这不仅增强了水泥浆体的抗剪切能力,也导致浆体表现更高的黏度,使得骨料颗粒-水泥浆体的相互作用力增大。因此,灌浆料的屈服应力增大。提出的新屈服应力演化模型能更好地描述含骨料颗粒水泥基材料的屈服应力随时间的变化规律。研究结果可为灌浆料的流动扩散研究和深入理解水泥基材料流变性能的时变性提供理论基础。

煤矸石粉混凝土冻融损伤模型与劣化机制

为促进寒区煤矸石在混凝土中的利用,通过快速冻融实验,研究了冻融循环作用下,不同取代率的机械-微波活化的煤矸石粉混凝土(Coal gangue powder concrete,CGPC)冻融损伤规律,依据波速损失对损伤层厚度进行修正,建立了基于修正后损伤层厚度的冻融损伤方程,并对冻融作用下CGPC的孔结构参数、微观形貌和水化产物进行了测试分析。结果表明:10%和20%掺量的活化煤矸石粉(Activated coal gangue powder,ACGP)能提高混凝土力学性能和抗冻性能,掺量达到30%后的抗冻性能提高效果显著减弱,力学性能有所降低;冻融300次20%和0%掺量组抗压强度分别下降了16.4%和26.5%,质量损失率分别为1.77%、4.03%,相对动弹性模量分别为68.940%、91.321%,损伤层厚度分别达到了11.9 mm和17.4 mm;基于波速差异修正后的损伤层厚度能更准确地表征CGPC损伤程度;ACGP的微粒填充作用以及二次水化作用提升了CGPC的强度和抗冻性能。

温度和湿度对P-CNT自感知混凝土压敏性的影响

为研究温度与湿度对自感知混凝土(SSC)感知性能的影响,通过低温等离子体改性处理技术对碳纳米管(CNT)进行官能团嫁接,使其在水性体系下获得较好的分散性,并将改性后的CNT(P-CNT)加入混凝土中制备P-CNT/SSC传感器,通过改变含水率与温度条件研究P-CNT/SSC传感器的极化效应与循环加载下的自感知性能。试验结果表明:过高或过低的含水率均不利于SSC的感知性能,其中变化最为明显的是饱水状态下的P-CNT/SSC传感器,其应力敏感系数下降89.8%,并且压敏曲线极不稳定;在变温试验中,P-CNT/SSC传感器的电阻率与温度之间呈现负相关性,高温和低温下的应力敏感系数相较于常温组试件,分别下降了约35.66%和44.53%,并且压敏曲线整体出现了上移或下滑的趋势;P-CNT/SSC传感器在工程应用中的最佳测试环境为常温、自然含水率。

RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化计算模型研究

为了方便活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)等效矩形应力图系数与塑性损伤因子的计算与取值,对RPC应力-应变曲线系数与塑性损伤因子的计算模型进行了理论研究。通过对现有的计算方法进行无量纲化转化,推导了决定计算模型的四个原函数条件;对一个实际的应力-应变关系进行了计算,将得到的结果进行了分析;并对受弯矩形梁非极限状态下截面内力和力矩的推定计算进行了演示。针对应力-应变关系式含有非整次有理分式的情况提出了曲线拟合方法;研究了拟合次数、拟合区间和拟合函数类型对拟合精度与稳定性的影响。比较了4种典型的RPC本构模型在同种材料下的应力-应变曲线系数与损伤因子取值模型曲线,结果显示:拟合曲线得到的取值模型与其他原始曲线得到的取值模型在曲线上具有较高的相似度,证明了曲线拟合方法的准确可靠性;最后给出了一种RPC受压应力-应变曲线系数与塑性损伤因子无量纲化取值模型。