氧化石墨烯对再生混凝土界面过渡区的影响

利用纳米压痕仪和扫描电镜等设备研究了氧化石墨烯再生混凝土界面过渡区的微观力学性能和微观结构特征。结果表明:加入氧化石墨烯再生混凝土新砂浆和骨料（XJ-G）界面过渡区弹性模量平均增加18.54％,通过纳米压痕理论计算的高密度水化硅酸钙（HD C-S-H）相体积平均增加17.8％,孔隙体积平均降低9.1％;加入氧化石墨烯再生混凝土新旧砂浆 （XJ-JJ）界面过渡区弹性模量平均增加16.25％,HD C-S-H相体积平均增加16.25％,孔隙体积平均降低6.4％;利用扫描电镜观测了加入氧化石墨烯再生混凝土微观结构,其晶体呈片状,晶体排布更趋于无序化,削弱了氢氧化钙（CH）晶体的取向性,微观结构更加密实;根据弹性模量变化定义了界面过渡区的宽度,氧化石墨烯能使XJ-G界面过渡区宽度减少25％,XJ-JJ界面过渡区宽度减少37.5％;氧化石墨烯使界面过渡区弹性模量分布更加稳定,其弹性模量均值基本趋于一致;由再生混凝土微观力学性能与宏观力学性能的联系,得到氧化石墨烯可以增强和改善再生混凝土新旧界面过渡区的力学性能和微观结构,进而提高和改善再生混凝土的宏观力学性能。     

再生混凝土细微观结构和破坏机理研究

再生骨料相当于天然骨料表面附着了一层老砂浆,老砂浆力学性能相对天然骨料较差,造成了再生混凝土内界面过渡区的数量、分布和性能的不同,从而影响了再生混凝土的力学性能.首先通过试验方法研究了再生混凝土中老砂浆的含量和分布;利用扫描电镜考察了新老界面过渡区形貌的异同,分析了老砂浆对界面过渡区的影响;采用有限元软件ANSYS对再生混凝土细观结构的受力特征和破坏机理进行了初步分析.最后利用不同强度等级的废旧混凝土加工成再生粗骨料,制备成再生混凝土,测试其抗压强度和劈裂抗拉强度,验证了再生混凝土受力的破坏机理.     

冻融循环作用下GO-RC界面过渡区的微观力学性能

为了研究冻融循环作用下氧化石墨烯(GO)对再生混凝土(RC)界面过渡区的影响,采用纳米压痕技术对骨料-新砂浆和新砂浆-旧砂浆2个界面过渡区的微观力学性能进行了研究.结果表明:经历100次冻融循环作用后,氧化石墨烯再生混凝土(GO-RC)和普通再生混凝土(ORC)的力学性能均有不同程度下降;GO在水化过程中的凝结核效应,提高了再生混凝土在各界面过渡区内高密度水化产物的数量,高密度水化硅酸钙的体积分数较ORC提高了7.02%～14.10%;界面过渡区内弹性模量提高了14.79%～17.74%,硬度提高了42.11%～60.80%.GO可以改善再生混凝土的微观结构,提高其抗冻性能.     

骨料粒径对混凝土界面过渡区弹性模量与黏结强度影响预测

由于弹性模量和强度是混凝土力学性能重要指标,而界面过渡区又是混凝土材料组成中的重要一相,因此对界面过渡区的弹性模量和黏结强度的研究十分必要。基于随机骨料模型,根据混凝土试件的真实配合比,计算出各骨料粒径区间的面积含量,对骨料颗粒进行随机投放,分别建立了骨料最大粒径20、40、60、80 mm的凸多边形随机骨料细观模型,以砂浆和混凝土的弹性模量和抗压强度实测值为依据,采用反演法确定界面过渡区的力学参数。数值分析的结果表明:骨料粒径对界面过渡区黏结强度有很大影响,随着骨料粒径的增大,其黏结强度逐渐减小;界面弹性模量随着骨料粒径增加变化很小。     

ITZ形成机制及其对混凝土力学性能与传输性能的影响

界面过渡区被认为是混凝土的薄弱环节,对混凝土的性能有较大的影响。针对界面过渡区结构和性能特点,综合国内外的研究成果,根据混凝土的成型和水化硬化过程,探讨了界面过渡区的形成机制。从混凝土的强度、弹性模量以及断裂力学性能等3个方面,综述了界面过渡区对混凝土力学性能的影响,并论述了其对混凝土传输性能的影响。通过加入辅助性胶凝材料改善界面过渡区的孔结构和分布,同时选取适宜的骨料、W/C等可以改善ITZ与基体之间的性能差异,减少ITZ对混凝土力学性能的不利影响。     

基于真实细观模型的再生混凝土破坏数值研究

在细观层次上视再生混凝土为非均匀六相复合材料,综合数字图像处理技术、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成方法,提出了再生混凝土的细观有限元分析方法.根据再生混凝土各相材料的力学特性,利用自动动态增量非线性分析软件对单轴拉伸、单轴压缩作用下再生混凝土试件的细观损伤过程及宏观力学性能进行了模拟分析.在验证了所建立再生混凝土真实细观模型合理性的基础上,通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和新老硬化砂浆的力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响.结果表明:真实骨料细观模型能更真实地模拟再生混凝土在荷载作用下的损伤破坏过程,其模拟结果与试验结果吻合较好;天然骨料力学特性对再生混凝土的破坏过程和破损路径有较大影响,天然骨料弹性模量越大,应力集中现象越明显;再生混凝土强度随新砂浆强度增大而增大,老砂浆力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响弱于新砂浆;再生混凝土的界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象.     

温度循环作用后能源结构混凝土各相微观分析

混凝土材料广泛应用于各类能源结构工程的建设中。然而,在温度循环作用下,能源结构混凝土极易产生裂缝并导致结构整体的力学性能退化。由于骨料与砂浆的界面过渡区是混凝土中较为薄弱的部分,因此本文通过温度循环试验研究水泥净浆和砂浆的力学性能,并通过扫描电镜试验观测砂浆、净浆和界面过渡区的微观结构,从微观结构及相组成变化了解温度循环对混凝土物理、力学特性的影响。采用图像处理的方法,定量统计了不同次数温度循环作用后混凝土各相微观结构的孔隙率。研究表明:温度循环对水泥净浆的宏观力学性能影响较大,而对水泥砂浆影响相对较小;随着温度循环次数的增多,混凝土砂浆与粗骨料界面区会生成疏松状碳酸钙晶体颗粒物,材料内部损伤逐渐累积,并向砂浆内部扩展,最终导致混凝土性能退化。     

基于DIC技术的混凝土热力损伤破坏分析

混凝土的热力损伤行为会严重危及能源工程结构的运维安全。为此,本文开展了两类不同骨料体积分数的模型化混凝土单轴受压试验,并基于DIC技术对试验过程中混凝土裂缝进行跟踪,从细观力学角度分析在不同次数亚高温循环下试件的裂缝扩展情况,探究了亚高温循环作用后界面过渡区形变对混凝土力学性能的影响。研究表明,粗骨料体积分数大的模型化混凝土试件的强度和弹性模量相对较小,且在亚高温循环中体积膨胀较为明显,砂浆层因此出现较大拉应力使试件在未加载时出现裂缝。未经过高温循环的试件裂缝首先出现于砂浆层,经过亚高温循环的试件裂缝首先出现于界面过渡区。亚高温循环作用会加速界面过渡区未水化颗粒的水化以及部分水化产物的碳化,导致粗骨料和砂浆之间的粘结性能降低,界面过渡区孔隙率增大、更易产生裂缝;且随着循环次数增加,模型化混凝土试件破坏程度加剧。     

废混凝土骨料和废砖骨料再生混凝土的模型化研究

为了更加清晰方便地观察并研究再生混凝土裂缝开展规律,利用模型混凝土的概念,将普通混凝土、废混凝土骨料混凝土和废砖骨料混凝土平面化,制得模型再生混凝土试件。在试件受压破坏的过程中,利用数字图像相关技术在模型混凝土前后两个表面制作不同尺度的散斑,分别用一般工业相机和显微镜相机采集图像,并分析得到全局应变场和界面过渡区附近的局部应变场,用以揭示再生混凝土裂缝开展过程和损伤演化机制。研究结果显示,废砖骨料模型再生混凝土的弹性模量最小,但是抗压强度反而比废混凝土骨料模型再生混凝土的高。废混凝土骨料模型再生混凝土全局应变场能表征应变集中位于旧砂浆区域,但不能区分新、旧界面过渡区,而局部应变场更加细致地显示裂缝首先在旧界面过渡区开展,然后新界面过渡区才有裂缝开展。对废砖骨料模型再生混凝土的分析发现,砖骨料和新砂浆之间的界面过渡区首先出现了应变集中,但是裂缝并未沿界面过渡区开展,而是贯穿了砖骨料,然后位于界面过渡区的应变集中由于应力重分布而削弱。     

等强混凝土界面过渡区的纳米压痕表征

通过背散射电子图像分析结合纳米压痕技术研究了等强混凝土界面过渡区性能.结果表明:矿物掺合料不同程度改善了等强混凝土界面过渡区性能,同时也增加了其非匀质性.双掺偏高岭土和石灰石粉可减小等强混凝土界面过渡区的厚度,明显降低其弹性模量增长幅度,但提高了基体的弹性模量,而粉煤灰仅仅降低了等强混凝土界面过渡区弹性模量的增长幅度.     

珊瑚混凝土骨料净浆界面区强度

采用纳米压痕和劈裂试验方法,研究了珊瑚骨料与水泥净浆界面试件在不同养护龄期的纳米压痕弹性模量、纳米压痕硬度、界面黏结劈拉强度、水泥净浆抗压强度和劈拉强度,以及它们之间的相关性.结果 表明:与普通混凝土类似,珊瑚混凝土存在薄弱的界面过渡区(ITZ),内掺10％珊瑚微粉能够强化珊瑚骨料-水泥净浆界面的宏观和纳米力学性能,界面黏结劈拉强度不仅与水泥净浆抗压强度、劈拉强度间存在显著线性关系,还与ITZ、水泥净浆基体的纳米力学性能有显著相关性.     

混凝土界面面积分数和渗流阈值与应用(Ⅱ)——弹性模量预测

基于所获得的界面面积分数,提出了混凝土弹性模量预测的三相复合圆模型.在细观水平上将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过求解轴对称平面应变问题,获得了三相复合圆模型位移和应力的解析解.利用位移和径向应力的连续性条件,导出了混凝土平面应变体积模量的闭合解.通过与实验结果比较,证实了三相复合圆模型的有效性.定量讨论了最大骨料粒径、界面弹性模量和界面厚度对混凝土弹性模量的影响,结果发现,对于给定的骨料面积分数,混凝土弹性模量随着最大骨料粒径和界面弹性模量的增大而增大,但随着界面厚度的增大而减小.     

Multi-scale prediction of the effective chloride diffusion coefficient of concrete

The N-layered spherical inclusion theory is applied to develop a multi-scale model to predict the effective diffusion coefficient of chloride ion in concrete. The model treats concrete as four-phase composite materials consisting of matrix phase, aggregate phase, ITZ (interfacial transition zone) and their homogenization phase. With hardened cement pastes characterized by three parameters such as the porosity, tortuosity and constrictivity, the effect of the cement paste microstructures and ITZ on the chloride diffusivity in concrete is taken into account and the porosity distribution function and effective chloride diffusion coefficients of the ITZ are given in the model based on the cement particle distribution characteristics of the ITZ in concrete. To validate the proposed model, the diffusion coefficient of chloride ion by the steady-state migration test is measured on a series of mortar and concrete specimens and good agreement between the model and experiment is obtained. In addition, the model predicts that the chloride diffusivity of concrete composite materials depends on the chloride diffusion coefficient of the matrix and ITZ, volume fraction of the aggregate and ITZ, with the volume fraction of the ITZ influenced by aggregate size distribution, the volume fraction of aggregate and thickness of the ITZ.     

基于2D随机骨料模型的C80混凝土参数分析

利用DIGIMAT和ABAQUS联合建立细观混凝土2D随机骨料模型,模拟了粗骨料的分布、形状、含量以及界面过渡区性能、孔隙率对C80高强度混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和劈裂抗拉强度的影响,并将模拟结果与各参数对低强度混凝土的影响进行比较。结果表明:粗骨料的分布模式对混凝土的基本力学性能几乎没有影响,不同分布形式下混凝土立方体抗压强度最大相对误差为4.18%; 不同形状的粗骨料对混凝土力学性能有着不同的影响,圆形和椭圆形状粗骨料的模拟结果与试验值更为接近; 不同骨料含量下混凝土立方体抗压强度呈现出先减小后增大的趋势,轴心抗压强度则是先减小后增加再减小,劈裂抗拉强度在粗骨料含量为33%时达到最大值4.61 MPa,之后便逐渐降低; 随着孔隙率的增加,混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量均逐渐减小,劈裂抗拉强度在孔隙率为1.5%时降低较多,孔隙率为2%时有所上升。     

海工结构服役寿命预测细观数值模拟研究

在现有二维混凝土随机骨料模型基础上,通过引入正态分布随机数来模拟混凝土界面过渡区厚度的非均匀性,并耦合氯离子扩散、钢筋锈蚀和混凝土损伤,建立了海工结构服役寿命预测细观数值模型.研究表明:由氯离子扩散引起的单根钢筋非均匀锈蚀导致混凝土保护层形成3条主裂缝,3条主裂缝之间夹角约为120°,出现这种现象的主要原因是界面过渡区加速了氯离子扩散,次要原因是界面过渡区的力学性能劣化;在相同钢筋锈蚀量条件下,非均匀锈蚀钢筋混凝土比均匀锈蚀钢筋混凝土的服役年限短,混凝土保护层开裂形态也不一样;数值模拟的氯离子含量分布、裂缝形态与试验数据较为吻合,验证了所建立的数值模型的可靠性.     

基于力学性能的吸附砂浆界限含量分析

基于再生粗骨料吸附砂浆定量分析及文献数据,研究吸附砂浆含量变化与再生粗骨料物理性能之间的关系,以及再生粗骨料取代率为100％的再生混凝土在不同吸附砂浆含量下的力学性能演化规律;以吸附砂浆含量为自变量、力学性能为因变量、目标强度为限值,利用数学方法确定吸附砂浆界限含量.研究发现:随着吸附砂浆含量的增加,再生粗骨料的物理性能逐渐下降;再生混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量随吸附砂浆含量的增加而出现不同程度的降低,吸附砂浆含量对再生混凝土劈裂抗拉强度的影响要大于对其抗压强度的影响,弹性模量受吸附砂浆含量影响,试验结果波动较大;经过数值拟合后,再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度与吸附砂浆含量呈二次函数关系,弹性模量与吸附砂浆含量的关系符合Boltzmann公式,基于拟合结果,确定满足C40再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度及弹性模量的吸附砂浆界限含量分别为45％、43％和39 ％.     

再生粗集料混凝土界面微观结构的发展规律

分别制作相同配合比的再生粗集料混凝土和普通混凝土试件.在养护龄期为3,7,14,28d时,将再生粗集料混凝土试件切割,取样,然后对其内部不同界面微观结构进行扫描电镜观测;同时对再生粗集料混凝土和普通混凝土试件进行了抗压强度试验,观察了加载后再生粗集料混凝土试件内部裂纹的分布情况.结果表明:随着龄期的增长,再生粗集料混凝土各个界面过渡区都有不同程度的发展;天然粗集料新砂浆界面过渡区发展相对缓慢;再生粗集料中老砂浆新砂浆界面发展较快,老砂浆与新砂浆结合较好;再生粗集料中天然粗集料老砂浆界面为混凝土浇筑前已存在的界面,并且存在着一定数量的微裂缝.再生粗集料混凝土3d抗压强度略高于普通混凝土,7,14,28d抗压强度则与普通混凝土基本相当.荷载作用下,再生粗集料混凝土内部裂纹主要分布在天然粗集料新砂浆界面以及天然粗集料老砂浆界面处.     

氯盐干湿循环与碳化耦合作用下混凝土力学性能及微观结构研究

模拟了干湿循环与碳化耦合作用对混凝土抗压强度、弹性模量等力学性能的影响,并对微观孔结构进行分析。结果表明,干湿循环与碳化耦合作用后,混凝土的抗压强度稍有提高,弹性模量稍有下降,孔隙率降低,孔径分布曲线整体向大孔方向偏移,混凝土内部有损伤;单纯碳化条件对混凝土孔径分布曲线没有显著影响,只会增大掺粉煤灰混凝土的临界孔径。