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《东南大学》 2005年
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矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理

郑克仁  
【摘要】: 作为矿物掺合料的粉煤灰、矿渣等工业副产品在混凝土材料中的应用除了减少能源、资源消耗及生产成本外,还减轻粉煤灰、矿渣的排放对环境带来的负荷,这不仅有利于水泥混凝土工业的可持续发展,而且还能够改善和调节混凝土材料从制备到使用过程中的各项物理、力学性能,尤其能够显著改善混凝土材料的耐久性能。因此,粉煤灰、矿渣在混凝土材料中得到了广泛应用。使用矿物掺合料的混凝土不可避免地应用于各种承受重复性荷载作用的结构中,如承受交通荷载作用的机场道面、公路的路面及桥梁的路面结构,承受波浪荷载的海洋、海岸结构等。因而,研究矿物掺合料对混凝土材料疲劳性能的影响具有重要的理论价值和实践意义。为此,本文研究了磨细矿渣、粉煤灰在不同掺量情况下对混凝土疲劳性能的影响规律;在分析混凝土疲劳损伤机理的基础上,建立数学模型描述混凝土基体和界面过渡区对疲劳性能的影响;通过分析矿渣、粉煤灰对混凝土材料组成、结构的影响,研究了组成、结构参数与疲劳性能之间的定量关系及矿物掺合料对疲劳性能的影响机理;提出了以改善混凝土材料疲劳性能为目的的矿物掺合料的使用原则,并就大掺量矿物掺合料条件下配合比关键参数-水胶比的设计进行了研究。 矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响测试了6配合比混凝土的抗弯疲劳性能(三分点加载,试件尺寸100mm×100mm×400mm),其中基准混凝土的砂率为38%,水泥用量为480kg/m3,水灰比0.35。在此基础上,固定砂率与水胶比,粉煤灰按30%,50%的质量分数,矿渣按30%,50%,80%的质量分数等量取代水泥。疲劳试验参数为:应力水平S取0.90、0.85、0.80、0.75、0.70、0.65共6级,荷载循环特征系数R=0.1,加载频率在应力水平S0.75时为2~3Hz,S≤0.75时为10Hz。 试验结果表明:疲劳寿命随矿物掺合料掺量的变化趋势与应力水平S有关。当S≤0.80时,疲劳寿命N随矿物掺合料掺量的增加而增加;当S0.80时,疲劳寿命随矿物掺合料掺量的增加而下降。根据疲劳方程计算得到各配合比混凝土疲劳寿命N=2×106时的抗弯疲劳强度折减系数在0.624~0.691之间。而且疲劳强度折减系数具有随矿物掺合料掺量的增加而提高的趋势,大掺量矿物掺合料混凝土的疲劳强度折减系数显著增大。矿物掺合料掺量较低时,应力水平S与疲劳寿命的对数值lgN基本上呈现良好线性关系。但当矿渣掺量达到80%,粉煤灰掺量达到50%时,在S=0.85与S=0.80之间的线段斜率明显不同,使整个连线出现了一个平缓的台阶。在同一级应力水平下,疲劳寿命近似服从两参数威布尔分布,建立了基于两参数威布尔分布的概率疲劳方程,95%保证概率下各配合比混凝土的抗弯疲劳强度折减系数在0.518~0.648之间。不同矿物掺合料掺量混凝土的S-N方程及S-P-N方程为相关的工程设计提供了依据。 矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响机理根据低周高幅、高周低幅疲劳荷载作用下混凝土材料疲劳破坏机制及损伤发展过程的不同,相应地将lgN≤3所对应的低周疲劳区域定义为基体开裂控制区(matrix cracking dominant region);lgN≥4所对应的高周疲劳区定义为界面开裂控制区(bond cracking dominant region);而3lgN4所在区间,水泥基材料的疲劳损伤由基体开裂占主导地位向界面过渡区内裂缝发展占主导地位过渡,将其定义为过渡区(transition region)。为定量描述基体、界面与疲劳性能之间的关系,引入了基体和界面过渡区对材料疲劳性能的影响因子f1、f2,提出了描述与基体、界面区过渡区结构有关的基体性质及界面过渡区性质对疲劳性能影响的指数M和I,并推导了数学模型描述f1、f2随lgN的变化趋势,分析了S-N曲线产生两种类型的非线性现象的原因及条件。在单对数线性疲劳方程的基础上建立了考虑基体和界面性质影响的疲劳方程,即S = A-{I - 1- (lgN)+M-1[1--(lgN)]}lgN,其中- ( x )=1[1+e-k( x-xc)]。 为研究材料组成、结构与疲劳损伤规律之间的内在联系,本文采用选择性溶剂溶解法测定了矿物掺合料的反应程度,采用DSC-TG测试了矿物掺合料掺量不同的浆体中非蒸发水及Ca(OH)2数量,应用MIP技术得到了不同矿物掺合料掺量浆体的孔隙率和孔径分布,采用SEM观察了混凝土中界面过渡区的结构并应用EDXA的线扫描功能研究了Ca和Si在基体和界面中的分布,应用纳米压痕技术(nano-indentation)测试了不同矿物掺合料掺量混凝土中真实界面过渡区的弹性模量和纳米压痕硬度的分布。对试验结果的分析表明:矿物掺合料对体系非蒸发水量的影响取决于其对非蒸发水量的正、负效应的叠加,矿物掺合料对体系中非蒸发水量的影响导致孔隙率的变化,进而引起基体结构、性质的变化,对材料的疲劳性能产生影响;基于浆体孔隙率是初始充水空间被水化产物填充的结果以及非蒸发水量与水化产物数量之间的关系,定义了Cf=(P0-P)/Wn为填充系数,根据孔隙率测试的结果可知,Cf和矿物掺合料的种类有关,对于同一种矿物掺合料,Cf基本为常数;基体性质特征参数M随浆体孔隙率P的增加而减少,基体性质特征参数M和孔隙率P的这种关系是高应力水平下混凝土材料疲劳寿命随材料强度的提高而增长的原因。矿物掺合料的应用改善了界面过渡区的结构,减少了基体与界面过渡区在组成、结构及微尺度力学性能上的差异;由于矿物掺合料的反应需要消耗Ca(OH)2,体系中Ca(OH)2数量随矿物掺合料掺量的增加而减少;界面过渡区的结构、性质在很大程度上取决于Ca(OH)2的数量、尺寸及分布,大掺量矿物掺合料情况下,显著地降低了CH在界面过渡区的富集程度,界面性质特征参数I随体系中Ca(OH)2数量的减少而非线性增大,二者之间的关系符合良好的指数函数关系,对于掺矿渣和粉煤灰的混凝土,分别有I = 14 .28+3.58exp(-0.428CH)、I =14. 29+2.14exp(-0.476CH);大掺量应用矿物掺合料的情况下,基体与界面过渡区在组成,结构上的差异显著降低,从而使二者在力学性能(纳米压痕硬度、弹性模量)上趋于一致,相对提高了界面过渡区抵抗荷载作用、抑制损伤发展的能力,使大掺量矿物掺合料混凝土材料高周疲劳性能得到显著改善。 基于改善疲劳性能的矿物掺合料应用根据基体、界面过渡区性质与疲劳性能之间的关系,提出增强基体、强化界面以改善混凝土疲劳性能的技术途径。根据矿物掺合料对混凝土组成、结构产生影响进而影响其疲劳性能的作用机理,提出了大掺量、低水胶比的矿物掺合料使用原则,使混凝土材料的低、高周疲劳性能得到全面改善。提出以基体性质特征参数M和界面性质特征参数I为目标参数,基于M和I与材料组成之间的关系提出了大掺量条件下配合比关键参数-矿物掺合料掺量及水胶比的确定方法。在水胶比的具体设计方法中提出了以下定量关系:非蒸发水量与矿物掺合料反应程度及其掺量之间的关系W n =λ1αc(1 -fma)+λ2αmafma,浆体孔隙率与体系非蒸发水量的关系P=P0-CfWn,而矿物掺合料反应程度与掺合料之间的关系可以根据水泥化学知识确定水化产物的化学计量式,在此基础上根据氧化物平衡的原则加以确定。以矿渣为例,计算了80%掺量的浆体具有与水灰比为0.35的纯水泥浆体相同孔隙率应采用的水胶比。通过与实测矿渣反应程度的比较发现,利用化学计量学计算矿物掺合料理论反应程度时C-S-H的Ca/Si比是影响计算结果的重要参数。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TU528

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【引证文献】
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10 张立华,胡曙光,丁庆军;多组分水泥基材料微观结构的研究[J];武汉理工大学学报;2002年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 曹鹏飞;秦鸿根;孙伟;;矿物掺合料对混凝土中钢筋去钝化阈值的影响[A];第十届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C];2007年
2 李世华;管宗甫;王云浩;陈湘湘;;矿物掺合料单掺和二元复掺对混凝土抗渗性的影响[A];中国硅酸盐学会水泥分会第三届学术年会暨第十二届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C];2011年
3 俞海勇;徐强;王琼;;高性能混凝土中多元胶凝材料复合效应的研究[A];新型建筑材料技术与发展——中国硅酸盐学会2003年学术年会新型建筑材料论文集[C];2003年
4 杨德斌;局俊龙;汪宏涛;刘润刚;聂承华;;外加剂与矿物掺合料对混凝土抗硫酸盐侵蚀的有效性研究[A];HPC2002第四届全国高性能混凝土学术研讨会论文集[C];2002年
5 周双喜;陈益民;;矿物掺合料对水泥浆体毛细孔壁亲水性的影响[A];第十届全国水泥和混凝土化学及应用技术会议论文摘要集[C];2007年
6 李滢;杨静;;复合矿物掺合料颗粒级配对水泥砂浆性能影响的研究[A];HPC2002第四届全国高性能混凝土学术研讨会论文集[C];2002年
7 文梓芸;杨医博;;化学外加剂和矿物掺合料对水泥砂浆干缩与开裂影响的研究[A];钢筋混凝土结构裂缝控制论文集[C];2004年
8 李积平;;在海洋工程中大力推广应用高性能混凝土[A];沿海地区混凝土结构耐久性及其设计方法科技论坛与全国第六届混凝土耐久性学术交流会论文集[C];2004年
9 杨医博;梁松;莫海鸿;陈尤雯;;对“矿物掺合料应用技术规范”(征求意见稿)的探讨[A];全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集[C];2006年
10 游宝坤;陈旭峰;董同刚;;关于矿物掺合料掺量与HPC耐久性关系的研讨[A];全国高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会论文集[C];2006年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 广东省水泥技术情报网提供;化学外加剂和矿物掺合料对砂浆干缩与开裂影响的研究[N];广东建设报;2002年
2 阎坤于树一;财政体制如何影响增长方式转变[N];中国财经报;2007年
3 实习记者 赵环宇;预拌混凝土设计生产能力近半[N];中国财经报;2009年
4 李建国;原子氢对AZ91D镁合金微电偶腐蚀演化过程的影响机理 获2006年国家自然科学基金研究计划项目—青年科学基金项目[N];科技日报;2007年
5 郭廷杰;高强度钢应力比对疲劳性能影响[N];世界金属导报;2009年
6 ;干混砂浆的原料组成及优越性[N];中华建筑报;2009年
7 韩宗坡;大气所干旱区陆气相互作用研究启动[N];中国气象报;2008年
8 刘玉成;桥梁“体检”有了新装备[N];中国交通报;2007年
9 李欣瑶;中科院寒旱所启动我国冰冻圈研究[N];甘肃日报;2007年
10 夏军;实现维修加固旧有桥梁交通不中断[N];科技日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郑克仁;矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理[D];东南大学;2005年
2 徐旭东;张力节点的承载力和疲劳性能研究[D];浙江大学;2005年
3 蔡建群;管理者—员工心理契约对员工行为影响机理研究[D];复旦大学;2008年
4 田野;复掺矿物掺合料混凝土性能及抗裂机理、微观特性研究[D];浙江大学;2007年
5 邓宏卫;轻质高强粉煤灰陶粒的制备及其混凝土性能[D];哈尔滨工业大学;2009年
6 王弘;40Cr、50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨[D];西南交通大学;2004年
7 孟宪宏;混凝土疲劳剩余强度试验及理论研究[D];大连理工大学;2006年
8 肖清华;隧道掘进爆破设计智能系统研究[D];西南交通大学;2007年
9 杨孚标;复合材料修复含中心裂纹铝合金板的静态与疲劳特性研究[D];国防科学技术大学;2006年
10 田耀刚;高强混凝土阻尼功能设计及其性能研究[D];武汉理工大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 章坚洋;混合配筋部分预应力砼梁正截面疲劳性能研究[D];大连理工大学;2006年
2 郑小燕;既有连续钢桁梁桥剩余寿命评估[D];长安大学;2005年
3 陈曦;一种新型奥氏体不锈钢疲劳性能的研究[D];江苏大学;2007年
4 李闯;不同影响因素下沥青混合料疲劳性能试验研究[D];大连理工大学;2009年
5 邹小波;高速铁路预应力混凝土箱梁的疲劳性能试验研究[D];重庆大学;2010年
6 陶传琦;焊接转向架典型焊接结构疲劳性能与焊接工艺研究[D];中南大学;2010年
7 王付胜;反式-1,4-聚异戊二烯在动态橡胶制品中的应用性研究[D];青岛科技大学;2005年
8 熊云龙;纯净超低碳马氏体不锈钢材料的疲劳性能研究[D];机械科学研究院;2005年
9 鹿建阁;钢管混凝土拱桥吊杆的破损行为分析[D];天津大学;2005年
10 冯翃翎;C/C复合材料疲劳性能的研究[D];西北工业大学;2006年
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