无细观界面过渡区水泥基材料的设计及其性能

为提高混凝土的耐久性,延长其服役寿命,通过对混凝土细观结构的性能优化,设计制备出无细观界面过渡区水泥基材料(meso-defect interface transition zone-free cement-basedmaterial,MIF),用于重大工程结构的功能梯度混凝土保护层,并对其抗渗性能、力学性能、体积稳定性以及微细观结构进行了试验及机理探讨。结果表明:相比于普通的混凝土保护层材料,MIF混凝土渗透性极低,氯离子扩散系数减小1个数量级,而材料的使用寿命增长10倍以上。材料的力学性能及体积稳定性优良,完全满足工程需要且整体结构的体积变形匹配性良好,表面未见开裂。MIF混凝土微细观结构均匀、致密。

产气微生物掺量对水泥基材料界面过渡区性能的影响

界面过渡区是混凝土结构中的薄弱部分,对混凝土的性能有重要影响。选用酵母菌作为产气微生物,研究了产气微生物掺量对水泥-骨料界面过渡区性能的影响。结果表明:酵母菌的加入加速了Ca(OH)_(2)的消耗,促进了CaCO_(3)、C-S-H等水化产物的生成,细化了界面过渡区结构,优化了界面过渡区产物组成,降低了界面过渡区宽度,并增加了显微硬度;当微生物掺量为80%时,界面过渡区的优化效果最佳,与无微生物时相比,界面过渡区的宽度减少了14.3%~15.4%,显微硬度增加了15.2%~25.1%。

纳米材料对水泥基材料界面过渡区影响的研究进展

文章基于文献调研,系统总结和分析了国内外有关纳米颗粒材料的特性、分类及纳米改性水泥基材料界面过渡区演变机制、纳米材料对水泥基材料力学性能的改性机理。研究发现,纳米颗粒材料改性能缩小孔隙体积,减少界面过渡区的微裂纹。同时,纳米颗粒材料的加入可有效改善水泥硬化浆体-骨料界面过渡区微观形貌,提升界面过渡区显微硬度。另外,纳米颗粒材料可通过加速水化反应、填充孔隙等改善力学性能。目前,纳米颗粒材料对水泥基材料微观结构及性能的相关研究结论仍未完全达成一致,因此还需要进一步的深入研究。

考虑界面过渡区及集料因素的水泥基材料碳化模型

集料和界面过渡区对水泥基材料抗碳化性能有显著影响。基于Fick第二定律,提出一种考虑集料和界面过渡区影响的CO_(2)扩散模型,模型中首次引入界面过渡区的扩散系数并给出相应参数的计算方法,并基于质量守恒定律给出CO_(2)反应模型,利用该模型研究荷载作用下C30和C50混凝土中CO_(2)的浓度分布。结果表明,考虑集料和界面过渡区影响能更准确地计算CO_(2)在水泥基材料中的扩散系数及碳化深度值。通过与文献中的试验数据进行比较,进一步验证了理论模型的可靠性。模型将集料和界面过渡区作为评价混凝土耐久性的重要因素,为钢筋混凝土结构的设计和寿命预测提供依据。

水泥基复合材料界面过渡区体积分数的定量计算

为了计算水泥基复合材料的界面过渡区体积分数,采用最邻近表面分布函数和骨料比表面积2种方法,结合实际骨料的筛分曲线,给出了界面过渡区体积分数定量关系式.结果表明:单位体积水泥基复合材料中,当骨料的体积分数<0.5,界面厚度<50μm时,2种方法计算的误差约为10%;界面区厚度越小,2种方法计算的误差也越小.

聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥基复合材料单纤维拔出细观机理研究

目的 探索聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)高韧性、应变硬化宏观力学行为的细观机理,为其材料特性设计奠定理论基础。方法 基于黏聚力单元和非线性弹簧连接器,建立单PVA纤维/水泥基体的ABAQUS有限元模型,对单PVA纤维拔出水泥基体的全过程进行数值模拟分析。结果 PVA-ECC单纤维拉拔力-拉拔位移曲线可细分为线弹性阶段、连续脱黏阶段、整体滑移阶段、机械咬合硬化阶段和纤维磨损断裂阶段;纤维与水泥基体之间的传力机制包括剪滞切应力和机械咬合力;随着拉拔力的增加,机械咬合力逐渐成为主要传力机制。结论 水泥基体与纤维之间的机械咬合作用以及纤维表面的磨损是导致纤维断裂的根本原因,通过对纤维表面进行适当处理,可以降低水泥基体在机械咬合硬化阶段对纤维表面的磨损,使纤维断裂模式转变为纤维拔出模式,以更好地控制水泥基体的微裂纹失稳扩展,从而进一步提高PVA-ECC的韧性。

废弃橡胶改性水泥基材料研究进展

橡胶颗粒具有良好的吸能变形能力,将橡胶颗粒掺入水泥基中可以有效提高材料的韧性,同时能够增强水泥基的抗冻性、抗开裂、抗冲击等性能。但由于橡胶颗粒是一种憎水物质,导致橡胶与水泥浆液的界面粘结力较弱,水泥基材料的强度有所下降,因此对橡胶水泥基材料进行化学与物理改性研究。结果表明,改性橡胶通过两种方式来增强水泥基材料的性能:其一,改性剂通过溶解橡胶颗粒表面的杂质和在其表面形成一层薄膜来提高橡胶的亲水性;其二,改性剂与水化产物发生反应,形成有效的化学交联,使橡胶颗粒与水泥浆液形成紧密连接。同时研究发现,橡胶颗粒与纤维聚合物对水泥基材料的增强增韧有协同作用。

混凝土中水泥浆体与骨料界面过渡区的形成和改进综述

界面过渡区是水泥浆与骨料之间的薄层部分,具有孔隙率高、氢氧化钙晶体富集和定向排列等特点。其形成机理主要包括边壁效应、微区泌水效应、离子迁移和成核效应、单边生长效应、絮凝成团效应及脱水收缩效应。各种效应协同作用,导致界面过渡区成为混凝土最薄弱的环节。提高界面过渡区的粘结性能有利于改善混凝土的力学性能和耐久性。本文综述了常用的界面过渡区改进方法,即掺加矿物掺合料和纳米材料、改性骨料、生物矿化以及二氧化碳养护等,并比较了不同改进方法的优缺点,可为界面过渡区的形成机理和改进方法的研究及其在实际工程中的应用提供参考。

水泥基复合材料界面对材料宏观性能的影响

从力学性能、传输性能和收缩性能3个角度阐述了界面过渡区(ITZ)对混凝土宏观性能的影响.其中力学性能主要从强度、刚度以及断裂力学性能3个方面,传输性能主要从扩散性能与渗透性能2个方面进行考虑.探讨了在多因素交互作用下,有关界面研究方面存在的不足.

涂覆时间对聚合物水泥基钢筋涂层粘接性能的影响机理

为探明由涂层胶凝进程引发的界面过渡区(ITZ)物相经时演变对聚合物水泥基涂层与混凝土保护层间粘接性能的影响机理,制备丙乳与P·O 52.5水泥质量比1∶2的涂层,测试不同涂覆时间下钢筋的握裹力,分析了钢筋涂层与保护层ITZ组成物相的微观形貌及经时演化特征。研究表明:不超过3 h的涂覆时间有利于聚合物水泥基涂层与保护层ITZ中水化硅酸钙(CSH)凝胶的聚合,进而提高钢筋的粘接性能。

水泥-沥青复合材料界面微结构特征和力学性能研究方法综述

水泥-沥青复合材料(Asphalt-Cement Composite Material,ACCM)是由水泥与沥青复合制成的一种具有强承载能力和抗变形能力的新型复合材料,其在长期荷载与高温条件下具有优异的稳定性与耐久性,具有绿色、环保及经济效益高的优点,被广泛应用于公路、桥梁与铁路工程。前期大量研究表明:界面过渡区(Interface Transition Zone,ITZ)对复合材料的力学性能、耐久性能等起着十分重要的作用,水泥-沥青界面过渡区是复合材料损伤、断裂最先发生的区域。研究对水泥与沥青复合材料界面调控与宏观力学性能提升理论进行了系统性综述,总结了水泥基材料与沥青基材料ITZ形成机制与理论,对比探讨了ITZ微结构特征表征方法及评价指标,探究了ITZ宏-微观力学性能的研究思路、试验方法及适用范围,以期为水泥-沥青ITZ微结构特征、宏-微观力学性能的研究提供借鉴作用。

聚合物水泥浆液-煤体界面过渡区力学性能研究

提出了超前深孔注浆加固技术;利用VAE乳液对水泥基材料进行改性,通过轴拉试验及立方体抗压试验,研究了不同掺量VAE乳液对水泥基材料与煤体界面黏结强度及水泥基材料固结煤体的抗压强度的影响;结合微观电镜扫描,分析了VAE改性水泥基材料结石体与煤体界面过渡区的微观结构特征。研究结果表明:复合浆液水灰比随聚灰比的增大呈现出先降低后增长的趋势,VAE乳液提高了浆液与煤体界面黏结强度及浆液固结煤体试块的抗压强度;掺入VAE乳液,使水泥浆液的孔隙率降低,提高了强效应层结构的密实性;VAE乳液会扩散至普通水泥浆内部形成聚合物薄膜"纽带"结构,改善水泥基材料与煤体界面的组成结构,从而提高了水泥基材料与煤体黏结强度。

基于细观尺度的再生混凝土多相导热系数理论模型

为分析再生混凝土导热系数变化机理,进行了再生混凝土导热系数理论模型研究。在细观尺度上,将再生混凝土看作由新硬化砂浆、天然骨料、界面过渡区、孔隙相组成的四相复合材料。采用等效化方法,建立了界面过渡区导热系数模型并进行了验证,同时定义了等效界面过渡区(NITZ)影响系数η,η与再生混凝土导热系数有显著的线性关系。基于复合材料导热系数计算模型,利用η建立再生混凝土导热系数理论模型,计算结果与测试结果吻合较好,误差小于6%。在此基础上,根据该模型分析了各相组分导热系数、水灰比、骨料取代率、孔隙饱和度等因素对再生混凝土导热系数的影响,揭示了再生混凝土与普通混凝土传热差异,为再生混凝土传热机理的进一步研究提供了理论基础。

活性矿物掺合料对超高性能水泥基材料的影响

通过复掺粉煤灰和硅灰,制备一种抗压强度超过200 MPa的超高性能水泥基复合材料(UHPCC),采用扫描电镜、微区能谱分析、X射线衍射、汞压入法和差示扫描量热分析等现代测试手段,研究了活性矿物掺合料对UHPCC微观结构及性能的影响.实验结果表明,UHPCC水泥石主要以低mCa/mSi、结构致密的C-S-H凝胶和许多未水化颗粒组成;活性矿物掺合料的火山灰效应使水泥浆体与集料间界面过渡区得以改善;矿物掺合料的微集料效应使体系颗粒级配优化,致使基体内部结构致密,总孔隙率减小,孔尺寸得到细化,孔结构得以优化,材料性能得以提高.

截面分析法对界面过渡区厚度的放大作用

在采用截面法分析研究截面过渡区厚度时,由于截平面并不一定正好垂直于集料的表面,导致得到的表观界面过渡区厚度与实际界面过渡区厚度是不同的。以3种规则形状(球形、椭圆形截面以及矩形截面)的集料为例,从几何概率角度研究了截面分析法对界面过渡区厚度的放大问题。研究结果表明,截面分析法得到的表观界面过渡区厚度都大于实际的界面过渡区厚度,平均放大倍数与集料的粒形有关。对正方体性集料而言,平均表观界面过渡区的厚度是实际界面厚度的1.12倍;对球形集料而言,实际界面过渡区厚度被放大了π/2倍。

预测氯离子在水泥基复合材料中有效扩散系数

基于水泥基复合材料界面区水泥颗粒的分布特征,给出了界面区孔隙率分布函数和界面区的有效扩散系数;将水泥基复合材料视为骨料、基体、界面区以及其均匀化后的等效介质相四相复合球模型,采用n层球夹杂理论,逐尺度地预测了氯离子在水泥基复合材料中的有效扩散系数.结果表明:预测的氯离子扩散系数与实测结果基本吻合;n层球夹杂理论适合于预测氯离子在水泥基复合材料中的有效扩散系数,其中氯离子在水泥基复合材料中的扩散系数由基体扩散系数、界面过渡区扩散系数、骨料以及界面过渡区的体积分数确定.

水泥基材料的微观结构与离子传输性能

采用水泥基材料孔结构和界面过渡区逐渐优化的方法,设计了普通混凝土（Ordinary Concrete,简称OC）、高性能混凝土（High Performance Concrete,简称HPC）、低渗透混凝土（Low Permeability Concrete,简称LPC）、普通砂浆（Ordinary Mortar,简称OM）、无细观界面过渡区水泥基复合材料（Meso-interfacial transition zone-free cement-based materials,简称MIF）等5种水泥基材料,其抗离子渗透性能排列顺序为：LPC〉HPC〉OC,OM〉OC,MIF〉OM,MIF〉LPC,其孔隙率、最可几孔径、孔径≥50nm的孔含量的排列顺序均为：LPC〈HPC〈OC,OM〈OC，MIF〈OM，MIF〈LPC。OC、HPC和OM的界面过渡区厚度分别约为60～70μm、40μm和30～40μm，CH晶体较多且取向性明显，而LPC和MIF的界面过渡区厚度分别约为30μm和30μm以下，CH晶体较少且取向性差。孔隙率低、小孔多的水泥基材料的抗离子渗透性能高；改善界面过渡区能够有效减少界面过渡区相互贯通而形成的逾渗路径，降低其离子传输性能。

纳米压痕技术在水泥基材料中的应用进展

介绍了目前常用的几种纳米压痕仪并总结了纳米压痕技术的测试原理,同时介绍了水泥基材料的纳米压痕测试样品的制备过程及注意事项,详细地论述了纳米压痕仪在水泥基材料中的应用现状,分析了这种技术的优势及其存在的问题,展望了其发展趋势和应用前景,最后对该技术进一步发展方向提出了建议。

超低离子渗透性水泥基材料的组分及其结构与性能

采用加速扩散法测试超低离子渗透性水泥基材料(ULIPCM)的离子传输性能,采用显微硬度、压汞法(MIP)、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDXA)研究其微观结构,提出ULIPCM的界面过渡区结构模型。结果表明:ULIPCM的Cl-扩散系数≤0.8×10-13m2/s,6h导电量≤300C;与高性能混凝土(HPC)相比,ULIPCM的Cl-扩散系数下降1～2个数量级,6h导电量下降约40%,ULIPCM的Cl-渗透性能非常低;ULIPCM用作海洋工程结构混凝土保护层时,其厚度≥1.5cm。ULIPCM的集料与水泥石界面过渡区的微观结构和性能得到显著改善,有利于提高其抗渗性能,尤其是ULIPCM的集料与水泥石界面过渡区由传统混凝土的60～100μm细化为30μm以下,从而有效地阻断侵蚀性介质的渗入通道。

界面过渡区对混凝土性能的影响及其改善措施

本文从混凝土界面过渡区的微观结构和形成机理出发,较全面地分析了影响界面过渡区强度的诸因素和过渡区对混凝土力学性能的影响,并在此基础上提出了改善过渡区结构和性能的有效措施。