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混凝土架构模型研究

曹明莉  
【摘要】: 混凝土材料的使用和研究已有近二百年的历史,随着科研技术的进步,人们总在不断地试图揭示混凝土材料的组分-结构-性能的相关性,其间涌现了大量可贵的研究成果。 一方面,混凝土是一种多层次不均质结构的复合材料,它的非均质、非线性、和各向异性的性质,使得混凝土的强度和变形状态十分复杂,进而也导致了对混凝土结构模型研究的困难。诸多的混凝土结构模型研究取得不同成果的同时,往往忽略了混凝土中骨料间不同的空间排布导致不同应力分布这一重要事实。 另一方面,混凝土设计理论仍停滞在以水灰比理论为核心的水泥石结构模型。对混凝土材料使用和研究的指导作用存在着历史和学术上局限性。 水泥石结构模型混凝土配合比设计,采用单位用水量W、水灰比W/C和砂率S_p作为基本参数,仅以水灰比保证混凝土强度,用水量及砂率的确定只是以拌合物的工作性为目标,从而没有体现混凝土各组分之间的相互作用及对其强度等性能的贡献。根本原因在于:水灰比理论并没有将水泥石与集料之间建立起必然内在联系。随着高强、高性能混凝土的发展,高强度等级的混凝土更加依赖其中粗骨料的骨架强度。传统的水泥石理论已不再适应混凝土的新发展。 为此,根据吴中伟院士的大中心质学说思想和结晶学晶体密垛理论,本论文提出混凝土架构模型。认为:混凝土是由粗集料架构、砂浆和界面过渡区组合而成,混凝土的强度来自于三者的贡献。其中粗集料架构是指粗集料的空间搭配型态,相当于人体的“骨架”,它取决于粗集料与水泥、细集料二者的相对量,可以架浆比N参数表征。混凝土中水泥石与细集料构成的砂浆则相当于连接骨骼的“肌肉”,在架构模型中起龛固胶结粗集料架构作用,而其中细集料则类似肌肉中的“纤维”。混凝土性态之所以千差万别,根本原因就在于除了粗集料形成的架构外主要是混凝土中砂浆对水泥标准胶砂的偏离。 论文的主要工作和成果包括: 1深入分析现有混凝土强度及结构理论的基础上,提出混凝土水泥石三圆模型,并客观指出基于水灰比参数的混凝土水泥石C模型,以及传统混凝土设计理论的局限。基于混凝土水泥石C模型提出了混凝土水泥石J模型。该模型以集浆比J概念,综合考虑集灰比和水灰比对混凝土强度的影响,首次将骨料对混凝土强度的贡献量化,真实地体现了混凝土强度由其中水泥石和骨料共同提供的物理本质。建立的基于集浆比J的水泥石理论数学模型fcu=A_jfce[1/J-B_j],确立以单位用水量W、集浆比J为基本参数的双参数混凝土设计方法。该部分工作补充和完善了混凝土强度及设计理论。 2对于混凝土中砂浆的研究,采用DIP图像处理技术,研究其中砂的粒形特征,建立了砂浆偏离函数及砂浆流动性与用水量函数关系,量化了砂的颗粒级配及粒形特征对砂浆性能的影响。为架构模型设计中参数的确定提供依据。相关结论包括:砂灰比函数:(?)偏离函数:(?)砂浆流动性与用水量函数关系:(?) 3鉴于混凝土架构模型理论中,粗骨料具有的独特地位和作用,本研究对其架构特性进行了较为深入全面的研究。 (1)对真实状态下混凝土内部骨料配位结构的空间配位形式的测定统计及相关计算表明结果:在振捣状态下混凝土试件内部,大多数骨料配位数集中在6~8范围内;并提出了三种架构模型基元;混凝土架构模型单元及其组合的强度测试实验结果验证了混凝土中骨料球分布不同会对混凝土强度造成影响。 (2)应用DIP技术,确定粗骨料的粒形参数扁平比和球度为研究对象,进而明确粗骨料粒形特征的的表征,使对粗骨料粒形的研究变得更为便利。通过研究粗骨料的堆垛特性,建立了粗骨料粒形参数与堆积空隙率(亦即填充密实度)函数关系、粒形参数与架构配位数的关系。使得混凝土中粗骨料的研究从定性转化成定量。 4架浆比参数作为架构模型的主要参数,突破了水灰比参数的局限,充分体现了骨料(粗骨料)的架构作用;由复合原理推得的架浆比强度公式(?)贴切反映了架构模型中各结构层对强度的贡献。 5以架浆比N(或N_c)、砂灰比偏离D_j(或砂浆比S_w)、单位用水量W为基本参数的混凝土架构设计方法的数学模型,明确了架构混凝土设计中各参数的确定方法,以及相应的设计流程。各参数的确定为: (1)架浆比N:(?) (2)偏离函数D_j:(?) (3)单位用水量W:(?) 6采用混凝土架构模型设计方法,配制架构混凝土,并考察其力学及耐久性能。 (1)对比架构混凝土与传统混凝土的试验结果,表明:单方水泥用量可降低25kg,而其抗压强度仅比传统混凝土降低0.2%,并完全满足设计要求。这说明,相对于传统混凝土,架构混凝土具有更好的经济性。 (2)架构混凝土的抗冻耐久性实验结果的因素分析表明: ①在一定范围内(1.12-1.34),架浆比越小,混凝土抗冻性越好。 ②在架构混凝土中掺加粉煤灰和硅灰等掺合料,能够有效提高混凝土的抗冻耐久性,并且掺加硅灰的效果要优于粉煤灰。 混凝土架构模型是继水泥石模型理论提出的新的混凝土结构模型研究方法,由于该模型是在能够体现混凝土宏观结构本质的物理模型基础上建立的数学模型,因而能更充分地反映混凝土中各材料组分对混凝土整体性能的真实的贡献。本论文的研究工作,仅仅是为混凝土研究提供一条新思路,尚期待更加深入全面的研究工作,以完善混凝土架构模型理论体系。


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