风沙冲蚀与碳化耦合作用下风积沙粉体混凝土耐久性能

该研究以风积沙粉体为水泥替代材料的风积沙粉体混凝土为研究对象,设计风沙冲蚀-碳化、碳化-风沙冲蚀2种工况,探讨其在风沙冲蚀、碳化环境下的劣化机理及耐久性能。结果表明,风沙冲蚀时,90o冲蚀角作用时以撞击作用为主,产生冲蚀坑洞,45°冲蚀角作用时以削切作用为主,产生冲蚀沟壑,且风沙冲蚀破坏混凝土表面水泥石结构,可使碳化深度增加3倍以上;碳化作用时,普通混凝土碳化时是由于氢氧化钙和水化硅酸钙发生脱钙反应,风积沙粉体混凝土则是由于氢氧化钙、水化硅酸钙和钙矾石发生脱钙反应,且由于碳化产物自身的膨胀作用使混凝土变的疏松,使风沙冲蚀后质量损失增加1.6倍以上;风积沙粉体混凝土内部孔径在20 nm以下的无害孔的比例多于普通混凝土21.37个百分点,200 nm以上多害孔少于普通混凝土13.93个百分点,其劣化显著性低于普通混凝土;相对于单一工况,风沙冲蚀、碳化耦合作用下劣化显著性更高,且风沙冲蚀-碳化耦合作用劣化显著性低于碳化-风沙冲蚀耦合作用,风沙冲蚀-碳化耦合作用后的10~15 mm范围内出现碳化区域、碳化产物发生变化(生成硫酸钙)及非碳化区域的混合区,且风沙冲蚀-碳化耦合作用后风积沙粉体混凝土孔隙度下降0.47%,20 nm以下的无害孔的比例高出普通混凝土25.15%。

改性橡胶混凝土在复合盐冻融循环-风沙冲蚀作用下损伤研究

使用15%(质量分数)NaOH溶液对橡胶颗粒浸泡改性处理,研究普通混凝土、未改性橡胶混凝土和改性橡胶混凝土力学性能变化,采用模拟风沙环境侵蚀实验系统对复合盐冻融循环后的混凝土试件进行冲蚀试验,探究改性橡胶混凝土在复合盐冻融循环-风沙冲蚀作用下的损伤机理。结果表明:15%(质量分数)NaOH溶液改性橡胶混凝土较未改性橡胶混凝土强度提高,弹性模量进一步降低,韧性有所提高;改性橡胶混凝土在抗风沙冲蚀性能方面仍表现出脆性材料特性;80目(0.18 mm)橡胶混凝土抗复合盐冻融循环性能最优,10目(2.00 mm)橡胶混凝土抗风沙冲蚀性能最佳,NaOH溶液对不同粒径橡胶混凝土不同性能的改性作用也不同;改性橡胶混凝土对抗复合盐冻融循环性能和抗冲蚀性能均有一定的改善作用,通过微观形貌分析其主要原因为改性橡胶颗粒与混凝土基体粘结作用更强,弹性变形更大。

盐冻环境下橡胶混凝土路面受风沙冲蚀性能研究

为了研究橡胶混凝土路面在盐冻和风沙侵蚀双重因素作用下的耐久性,根据内蒙古西部地区盐渍土和风沙环境特征,配制了复合盐溶液,对橡胶砂浆进行冻融循环作用,并利用模拟风沙环境侵蚀试验系统对盐冻后的橡胶砂浆进行风沙冲蚀试验,应用扫描电子显微镜(SEM)观测橡胶砂浆在盐冻条件下经风沙冲蚀前后的微观形貌。结果表明:当冻融次数大于15次时,橡胶砂浆的质量损失率小于水泥砂浆;随冻融次数的增加,水泥砂浆和橡胶砂浆低角度冲蚀时的冲蚀率先降低后增大,高角度冲蚀时的冲蚀率逐渐增大;相同冻融循环次数后,四种材料的抗风沙冲蚀性能为:80目橡胶砂浆<40目橡胶砂浆<水泥砂浆<10目橡胶砂浆。

涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型

目的建立涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型,重构冲蚀损伤表面形貌,为涂层风沙冲蚀损伤表面形貌研究提供基础。方法进行了聚氨酯防腐面漆涂层风沙冲蚀损伤试验,建立了多粒径粒子冲击模型,利用赫兹接触理论求解冲击损伤面积及其分布概率,分析表面损伤的演化规律得到损伤面积增长迭代关系式,结合分形分布理论求解损伤表面分形维数,分析不同参数对理论模型的影响。利用理论模型重构损伤表面形貌、预测表面分形维数并与试验结果进行对比分析。结果冲蚀试验中,随冲蚀时间、角度的增加,随机均匀分布的损伤区域逐渐叠加联通,分形维数也随之增大;表面分形维数存在最大值,斜角度下单粒子冲击损伤区域为彗星形。理论模型中,主导粒子粒径越大,分形维数初期增长速度越慢;冲击损伤面积越大,分形维数初期增长速度越快;损伤尺度系数越大,分形维数最大值越大;冲蚀前损伤面积越大,初始分形维数越大。对比理论模型与试验结果,重构损伤表面形貌损伤演化规律与试验结果相似,表面形貌余弦相似性及分形维数相关性系数均大于0.9。结论通过分析固体粒子冲蚀现象特点和试验结果,发现风沙冲蚀是非线性的反馈的动力学系统,涂层冲蚀表面形貌具有迭代的损伤演化过程。基于此建立涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型,可利用风沙流参数有效预测不同冲蚀时间下损伤表面分形维数、重构损伤表面形貌。理论模型预测结果与试验结果具有较高的相似性,可以为涂层风沙冲蚀损伤表面形貌研究提供基础。

紫外老化作用下钢结构涂层受风沙冲蚀性能研究

针对内蒙古地区钢结构建筑及构筑物长期受区域特殊环境(高原强紫外环境和风沙环境)影响这一现状,根据内蒙古中西部地区区域自然环境特征,利用人工加速紫外老化试验箱和模拟风沙环境侵蚀实验系统,对钢结构聚氨酯涂层进行紫外老化试验和老化后风沙冲蚀试验,应用纳米压痕仪及漆膜弹性测试仪分析紫外线辐射对钢结构涂层基本力学性能的影响,同时结合傅里叶变换红外光谱FT-IR和扫描电子显微镜SEM分析钢结构涂层在紫外辐照下的老化行为,对紫外老化作用下钢结构涂层受风沙冲蚀性能进行研究。结果表明:未老化钢结构聚氨酯涂层硬度为16.41 MPa,柔韧性为0.5 mm,紫外老化导致钢结构涂层硬度及柔韧性明显降低,紫外老化3 a后钢结构涂层硬度降低为原来的55.63%;紫外老化作用使钢结构聚氨酯涂层化学键发生断裂,其中C—O和C—N键断裂,最终生成氨基自由基,释放出CO_(2),且涂层出现了明显的裂纹、起皮、皲裂,并出现了老化残渣和白色结晶物质,涂层的粗糙度增加;钢结构涂层受紫外老化作用后,冲蚀率增加,耐冲蚀性能明显降低,低角度冲蚀时,钢结构涂层破坏的主要原因是水平方向的微切削作用,高角度冲蚀时,钢结构涂层破坏的主要原因是垂直方向的挤压变形作用;紫外老化作用使钢结构涂层最大冲蚀率角度由38°变为30°~35°,紫外老化作用导致钢结构涂层最大冲蚀率角度减小。

冻融循环-紫外辐照复合侵蚀下钢化玻璃表面受风沙冲蚀损伤的力学机理

目的研究冻融循环-紫外辐照复合因素侵蚀作用对钢化玻璃抗冲蚀性能的影响,并探究钢化玻璃表面冲蚀损伤的力学机理。方法根据内蒙古中西部地区风沙环境特征,对冻融循环-紫外辐照复合因素侵蚀作用下的钢化玻璃进行风沙冲蚀试验,并结合接触力学、断裂力学、摩擦学理论,在单颗粒冲蚀普通环境钢化玻璃的情况下,分析钢化玻璃冲蚀损伤的一般力学机理,应用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)分析二维、三维损伤形貌,并与理论分析进行对比。结果钢化玻璃冲蚀率随着冻融循环次数及紫外辐照等效时间的增加而增加。冲蚀速度由14 m/s增加到30 m/s时,钢化玻璃冲蚀率从0.010 mg/g增加到0.768 mg/g。冲蚀角度由15°增加到90°时,钢化玻璃冲蚀率从0.004 mg/g增加到0.453 mg/g。结论冻融循环-紫外辐照复合侵蚀作用会使钢化玻璃的抗冲蚀性能减弱。冲蚀速度的增大会使冲蚀颗粒在钢化玻璃表面产生更大的冲击接触力,使压痕深度和径向裂纹增大,从而使钢化玻璃在颗粒反复冲击下的剥落材料体积增大,故冲蚀率随冲蚀速度的增大而增大,高冲蚀速度下钢化玻璃表面压痕深度及径向裂纹长度的增长率更快,故钢化玻璃冲蚀率在高冲蚀速度下增长更快。钢化玻璃冲蚀率随着冲蚀角度的增大而增大,钢化玻璃在中高角度下的冲蚀机理为微观切削原理,冲蚀范围较广,冲蚀深度较浅,极高角度下的冲蚀机理为压痕断裂,冲蚀范围较为集中,冲蚀深度较大。

风沙冲蚀环境中Al-Zn-Si基涂层耐蚀性研究

采用高铝Al-Zn-Si合金粉末在Q235钢试样上制备了低温固化水性无铬合金涂层。采用扫描电镜和X射线衍射仪分析了风沙冲蚀后涂层表面的微观形貌、破损处腐蚀产物的形貌和相组成。通过全浸试验和电化学测试研究了风沙冲蚀后涂层的耐腐蚀性能。结果表明:Al-Zn-Si合金涂层冲蚀失重量随供砂量的增加而增大,并且随着冲蚀角度和风速的增大先升高后降低,有明显的峰值;风沙冲蚀后涂层的自腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流密度(Icorr)均低于基体,表明涂层依然具有阴极保护作用。此外,腐蚀产物对冲蚀缺陷的自修复作用和腐蚀产物层的屏蔽作用降低了涂层的腐蚀速率,使风沙冲蚀后涂层仍然具有良好的耐腐蚀性能。

田口方法下混凝土受盐冻循环和风沙侵蚀研究

在盐冻循环基础上,利用模拟风沙环境侵蚀试验系统对混凝土进行了冲蚀试验研究.试验因子选取盐冻循环次数(0,5,10,25,35,45次),冲蚀速度(35,40,45m/s),冲蚀角度(15°,54°,90°)和沙流量(60,110,160g/min),并采用L18(61×33)田口方法设计试验,以减少全因子下的试验数量;同时应用扫描电镜观测混凝土受盐冻循环后的微观形貌,分析产生最大冲蚀率的原因及冲蚀机理.试验结果表明,当盐冻循环25次,冲蚀速度45m/s,冲蚀角度90°和沙流量60g/min时,混凝土冲蚀率最大;方差分析(ANOVA)结果表明,冲蚀角度对混凝土冲蚀磨损影响最大,其贡献率为72.48%.

考虑静荷载与环境耦合作用的钢结构涂层劣化实验研究

为研究钢结构涂层在静荷载与大温差、风沙侵蚀作用下的劣化性能,设计了钢结构涂层的静荷载加载系统;以钢桥常见的普通型和长效型体系为对象,通过静力加载与温差控制、气流挟沙喷射法开展实验研究。采用拉开法测试了静荷载与大温差耦合作用下涂层的劣化情况,并对涂层的附着、内聚破坏模式进行定量化测试;结合拉开法及厚度测试结果,得到了涂层抗力的动态劣化过程;采用气流挟沙喷射法研究了静荷载与大温差作用下涂层的耐冲蚀性能,综合实验结果,得到涂层在静荷载与环境耦合作用下工作性能的退化过程。研究结果表明:静荷载与环境耦合作用使面漆抗力衰减至防护功能破坏后,大温差导致涂层材料向脆性转变,静荷载加速涂层的劣化,风沙冲蚀作用造成涂层从体系剥离;耦合作用下体系的抗力快速衰减,涂层逐次退出工作,涂装体系完全丧失抗力,最终从基材上剥离。对于实验涂装体系,经历30 d静荷载与大温差作用后,涂层附着力最大降低8.97%,厚度、冲蚀量、临界冲蚀角最大分别增加25.3%、46.15%、17.4%。

温湿交变和风沙作用下钢化玻璃的损伤形貌分析

目前对温湿交变后玻璃的风沙冲蚀磨损行为研究未见报道。通过高低温交变试验箱和模拟风沙环境侵蚀试验系统模拟内蒙古地区的严酷气候环境,采用L18(6^1×3^3)田口方法对试验进行设计,利用直观分析和方差分析研究温湿交变次数、冲蚀角度、冲蚀速度和沙流量对钢化玻璃冲蚀性能的影响程度及贡献率。结果表明:冲蚀角度是影响冲蚀率的最主要因素,其次是沙流量和冲蚀速度,温湿交变次数对冲蚀率的影响最小。方差分析表明冲蚀角度对材料的冲蚀磨损贡献率高度显著,高达89.48%。结合扫描电镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)观测的冲蚀形貌,分析了温湿交变前后引起冲蚀差异的原因及机理。