早期受盐-冻耦合作用下掺玄武岩纤维混凝土耐久性劣化规律

针对西北寒旱区早期受冻混凝土在盐-冻耦合作用下耐久性快速降低等问题,本文基于室内快速冻融试验,以3.5%(质量分数,下同) NaCl+5.0%Na₂SO₄复合盐溶液为冻融介质,研究了不同玄武岩纤维体积掺量下混凝土的耐久性劣化规律,同时采用扫描电子显微镜、超声法缺陷检测和核磁共振孔径检测三种分析手段探究了玄武岩纤维在微观层面上对早期受盐-冻耦合作用下混凝土宏观性能的改善作用。研究结果表明：在早期受冻混凝土中掺加玄武岩纤维能够有效提高抗压强度,减小质量损失;随着纤维掺量的增加,抗压强度、相对动弹性模量呈先增加后降低的趋势;随着冻融循环次数的增加,不同体积掺量玄武岩纤维早期受冻混凝土试块的超声脉冲传播速度逐渐增大,各组试块的总孔隙率与冻融次数呈正相关,且掺加玄武岩纤维能增加无害孔,减少多害孔,从而提高混凝土抗冻耐久性;试验中纤维掺量为0.15%(体积分数)的试块表现最优越。该研究可为寒旱灌区早期受冻混凝土耐久性研究及后期维护提供参考。     

盐冻作用下玄武岩纤维混凝土力学性能损伤研究

针对西北寒旱地区混凝土结构易开裂耐久性降低的问题,选取力学性能优异的玄武岩纤维作为混凝土增强材料,采用室内快速冻融试验,以纤维体积掺量为变量,研究了不同纤维体积掺量(0.05%、0.1%、0.15%、0.2%)混凝土试件分别在清水、质量分数为3%的NaCl溶液、质量分数为5%的Na₂SO₄溶液冻融作用下动弹性模量、抗压强度、抗折强度三个力学性指标的变化。研究发现,玄武岩纤维的掺入能有效提升混凝土的初始抗折强度和抗盐冻能力,纤维体积掺量在0.15%~0.2%时混凝土试件动弹性模量、抗压强度与抗折强度在盐冻作用下的衰减速率减缓明显,玄武岩纤维混凝土在三种冻融介质中力学性能下降速率排序为清水<5%Na₂SO₄溶液<3%NaCl溶液。以动弹性模量为损伤变量,拟合混凝土相对抗压强度、相对抗折强度与损伤度的相关模型,模型相关性良好。研究结果可为玄武岩纤维混凝土的实际运用与后期维护提供理论依据与参考。     

碳纤维掺量及长度对混凝土力学性能的影响

使用搅拌机将不同长度的碳纤维掺入混凝土中制备纤维混凝土,养护28 d后测试纤维混凝土的力学性能,以碳纤维掺量(质量分数为0～0.6%)和碳纤维长度(10,15,20 mm)作为变量,研究混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗拉强度随碳纤维掺量和碳纤维长度的变化规律。结果表明:随着碳纤维掺量和碳纤维长度的增加,纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗拉强度均呈现先增加而后降低的趋势;碳纤维长度一定时,碳纤维质量分数为0.2%的纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗拉强度均为最大;碳纤维掺量一定时,掺入纤维长度为15 mm的纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗拉强度均为最大;当掺入碳纤维质量分数为0.2%、碳纤维长度为15 mm时,纤维混凝土的力学性能最佳,其抗压强度、劈拉强度和抗拉强度分别为82.4 MPa、7.1 MPa和11.7 MPa。     

盐碱与冻融耦合作用下再生混凝土耐久性试验研究

通过再生混凝土在3.5%NaCl、3.5%Na2SO4、3.5%NaCl+3.5%Na2SO4和水四种溶液中的冻融循环试验,分析再生混凝土在同浓度不同种类盐碱溶液中经过不同冻融次数后(N)的质量变化(△m)和动弹性模量变化(△E) ,绘制N-△m和N-△E的曲线.同时,设置单掺10%、20%粉煤灰和2%、4%硅灰为对照组,研究粉煤灰和硅灰组分别在3.5%NaCl和3.5%Na2SO4环境下混凝土的抗冻性能规律.结果表明:氯盐环境中,随冻融次数的增加,混凝土表面剥削、开裂现象明显,质量和动弹性模量损失严重,而硫酸盐环境中,冻融前期混凝土内部生成水化产物使质量增加,表面膨胀开裂,后期质量和动弹性模量急剧下降,与浓度3.5%氯盐盐冻相比,硫酸盐盐冻动弹性模量损失更大.冻融破坏强度由强到弱排序为氯盐冻、硫酸盐冻、复合盐冻、水冻;掺入粉煤灰后,氯盐环境下的混凝土抗冻性反而下降,10%掺量优于20%掺量.掺入硅灰后,硫酸盐环境下再生混凝土抗冻性提高,破坏程度要比水冻小,4%掺量优于2%掺量;最后分析了混凝土腐蚀机理.     

碳纤维-钢纤维水泥基复合材料电学性能试验研究

为优化水泥基复合材料的电学性能,以碳纤维(CF)和钢纤维(SF)为导电材料,通过抗压强度试验、交流阻抗测试、扫描电镜测试和升温试验,研究了碳纤维和钢纤维的体积掺量对水泥基复合材料抗压强度和电学性能的影响。结果表明,碳纤维-钢纤维水泥基复合材料的抗压强度随碳纤维掺量增大呈先增大后减小的趋势。碳纤维、钢纤维的渗滤阈值分别为0.35%和0.6%(均为体积分数),复掺碳纤维和钢纤维使水泥基复合材料的导电性能大幅增强,产生了明显的正向混杂效应,碳纤维和钢纤维体积掺量达到渗滤阈值后,继续增大纤维掺量对导电性能的提升作用不大。用ZSimp Win软件拟合得到等效电路各电路元件数值,并结合SEM照片分析了导电机制。碳纤维-钢纤维水泥基复合材料具有良好的电热性能,当输入功率为7.9 W,通电30 min、60 min、90 min后,其平均温度可达到33 ℃、43 ℃、50 ℃,通过曲线拟合得到了温度随时间变化的回归方程。     

混杂纤维混凝土的耐硫酸盐腐蚀性能研究

为了研究混杂纤维混凝土抗硫酸盐腐蚀性能,对聚乙烯纤维(PE)与聚丙烯粗合成纤维(HPP)混凝土进行硫酸盐干湿循环腐蚀和长期浸泡侵蚀试验,采用形貌损伤、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度等宏观测试方法研究了混杂纤维混凝土耐硫酸盐腐蚀性能,并结合SEM微观结构测试技术分析了其腐蚀机理.结果表明:不同纤维掺量的混凝土在硫酸盐腐蚀作用下均出现了不同程度的损伤,其干湿循环的腐蚀作用较长期浸泡腐蚀混凝土的腐蚀损伤更为明显;长期浸泡腐蚀作用时,450 d素混凝土抗压强度可达到60 MPa,各纤维混凝土抗压强度均可达到70 MPa,但在干湿循环腐蚀作用下,聚乙烯纤维和聚丙烯粗合成纤维以0.8%+1.2%掺入时,混凝土抗压强度也可达到70 MPa;纤维对于混凝土内部结构应力的缓解,孔隙、通道等缺陷的分散以及纤维之间的捆绑桥联都显著的提高了混凝土抗硫酸盐腐蚀性.     

碳纤维混凝土的制备及其力学性能研究

使用搅拌机将水泥、砂、石、水和碳纤维等进行混合搅拌,配制碳纤维体积分数为1%～3%的碳纤维混凝土,并在环境温度分别为20,40,60,100℃的条件下对碳纤维混凝土进行养护,养护时间为7 d;研究了碳纤维掺量及养护环境温度对碳纤维混凝土力学性能的影响。结果表明:当碳纤维掺量一定时,随着养护环境温度的升高,碳纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗弯强度均先增加后降低,最佳养护环境温度为60℃;当养护环境温度一定时,随着碳纤维掺量的增加,碳纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗弯强度均逐渐增加,但增加速率均逐渐降低;当掺入碳纤维体积分数为3%、养护环境温度为60℃时,碳纤维混凝土的力学性能最佳,其抗压强度、劈拉强度、抗弯强度分别为29.9,3.4,5.3 MPa。     

低温低湿养护条件对混凝土微观结构影响

为了进一步认识中国西北气候环境对混凝土材料微观结构的影响，采用纳米压痕技术对不同温湿度养护条件下混凝土的微观结构特征开展试验研究。结果表明：从不同水化产物相的体积分数结果来看，养护温湿度不足会使得水泥砂浆中毛细孔隙和低密度水化硅酸钙(C–S–H)凝胶含量增多。通过对不同养护条件下混凝土界面过渡区的压痕模量和硬度统计结果可知，相比于20℃-95%相对湿度(RH)养护条件，当养护条件为10℃-70%RH和3℃-50%RH时，混凝土的界面过渡区平均厚度分别增加了5μm和10μm。     

自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性

为有效增强路面混凝土耐久性能,基于盐冻试验、盐冻前后的断裂性能试验及弯拉荷载疲劳试验,探索了高吸水性聚合物(SAP)自养护路面混凝土抗盐冻性能及疲劳特性随SAP掺量、粒径的变化规律,并结合自养护水泥浆体孔隙参数、微观形貌及骨料-水泥石界面过渡区(ITZ)特征,揭示了性能影响机理。结果表明:小粒径SAP形成的残留孔洞能有效释放拉应力,降低结冰点,细化孔结构,从而增强路面混凝土抗盐冻性能;当SAP粒径为100目(150 μm),掺量为0.145%(质量分数)时,路面混凝土在冻融30次时的断裂韧度损失率、断裂能损失率分别比基准组降低了25.25%、10.51%;小粒径SAP对疲劳寿命的提升程度随应力水平的提高而增大,当应力水平为0.80时,自养护组的疲劳寿命相比基准组提升了2.65倍;SAP能够有效提升水泥混凝土结构内部密实度,吸持ITZ区域部分水分,增强水泥石和骨料之间的粘结性,从而改善混凝土抗盐冻性能和疲劳特性。     

混杂纤维增强超高性能混凝土的高温性能试验研究

本文对混杂钢纤维(SF)-聚丙烯纤维(PPF)-硫酸钙晶须(CSW)增强超高性能混凝土(UHPC)进行高温试验(200～800℃),研究了混杂纤维增强UHPC高温前后的物理力学性能,并借助光学显微镜和扫描电子显微镜进行微观形貌观测,探讨了基体裂缝发展过程中多尺度纤维的作用机理。结果表明：随着温度升高,UHPC的质量损失率呈增大趋势,而超声波速则呈下降趋势,同时混杂SF-PPF-CSW对基体超声波速的降低有一定减缓作用;当温度小于400℃时,混杂SF-PPF-CSW增强UHPC的弯曲强度变化微弱(<5%),超过400℃后则迅速下降,在800℃下仅为初始强度的19.2%～24.7%;残余抗压强度随温度升高呈先上升后下降趋势,在400℃时达到峰值,较常温时提升了48.9%～62.0%;各温度下,掺加SF-PPF-CSW的UHPC物理力学性能均得到了有效提升,其中混杂1.7%(体积分数)SF、0.3%(体积分数)PPF、1.0%(体积分数)CSW对UHPC力学性能提升效果最佳。     

基于正交试验的EPS轻型混凝土配合比设计及性能研究

保温性能和抗冻性能对衡量功能一体化材料耐久性，以及促进绿色节能、减排具有重要影响。借助正交试验方法，以聚苯乙烯(EPS)掺量、水胶比、聚甲醛(POM)纤维掺量为影响因素，开展EPS轻型混凝土的力学性能、保温性能及抗冻性能试验，并对试验结果进行极差分析和AHP-CRITIC混合加权分析，得到综合性能最佳的EPS轻型混凝土基础配合比。结果表明：EPS掺量对EPS轻型混凝土力学性能影响最大，POM纤维能显著提高EPS轻型混凝土的抗拉强度，水胶比对EPS轻型混凝土力学性能影响最小；当EPS掺量为35%(体积分数)、POM纤维掺量为0.9%(质量分数)、水胶比为0.21时，EPS轻型混凝土的力学性能最优；在冻融循环下，EPS轻型混凝土冻融损伤满足二参数Weibull分布模型，该模型能较好地反映EPS轻型混凝土冻融损伤变化规律。     

基于压电效应的纤维高性能混凝土损伤监测研究

以纤维掺量为变量制作48个混凝土试件,压电陶瓷传感器作为信号激励器和信号接收器置于混凝土试件表面。基于压电效应对玄武岩-聚丙烯纤维增强高性能混凝土(BPHPC)的损伤进行实时监测。通过对单掺、混掺纤维混凝土的压电应力波信号进行分析,得到基于小波包分析法的损伤指数(DI),并拟合出纤维掺量-荷载-DI的函数关系。结果表明:通过外观损伤状态和压电应力波信号变化定性评价试件的健康状态,纤维的掺入能够降低混凝土的外观损伤程度;单掺纤维混凝土的试件应力波信号幅值比混掺纤维混凝土试件大;玄武岩纤维体积掺量为0.15%、聚丙烯纤维体积掺量为0.10%时试件的DI最小,当DI超过0.8时,可以认为试件被完全破坏;试验数据和试验现象吻合良好,通过压电陶瓷实时监测BPHPC损伤有较高的可行性。     

碳纤维—玻璃纤维拉挤板纤维质量分数和体积分数测试方法探究

通过结合ISO1172∶1997《纺织玻璃纤维增强塑料,预浸料,模塑料和层压塑料纺织玻璃纤维和矿物质填料含量的测定》(煅烧法)测试碳纤维-玻璃纤维拉挤板中玻璃纤维质量分数和体积分数,ISO1183-1∶2019《塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分浸渍法、比重瓶法和滴定法》(浸渍法)测定碳纤维-玻璃纤维拉挤板的密度,复合材料混合定律,建立了一套碳纤维-玻璃纤维拉挤板中纤维质量分数和体积分数的测试方法.并按照GB/T3365-2008《碳纤维增强塑料孔隙含量和纤维体积含量试验方法》使用显微镜测定孔隙率,对结果进行修正.并通过试验验证,证明方法的可行性.     

硫酸盐侵蚀与冻融循环共同作用下混凝土损伤研究

对水胶比为0.45的引气混凝土分别在质量分数为1％ Na,SO4、5％ Na2 SO4、5％ MgSO4溶液及水中进行快速冻融试验,采用超声平测法测量混凝土损伤层厚度,分析了不同溶液中混凝土的损伤层、未损伤层超声波速及损伤层厚度随冻融循环次数的变化规律.结果表明:混凝土损伤层厚度能够反映硫酸盐-冻融共同作用下混凝土损伤程度;不同溶液与冻融共同作用下混凝土损伤程度有所不同,原因在于硫酸盐溶液对混凝土冻融破坏既存在抑制作用,又存在促进作用;随着硫酸钠溶液浓度的升高,硫酸钠溶液对混凝土的冻融破坏由促进作用逐渐转变为抑制作用,由于硫酸镁具有镁盐和硫酸盐的双重腐蚀,对混凝土的冻融破坏促进作用最大.     

冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用下再生混凝土的微观结构研究

采用快冻法,将再生骨料取代率为30%的混凝土分别置于3%Na₂SO₄、5%Na₂SO₄、10%Na₂SO₄(均为质量分数)溶液以及水中进行冻融循环试验,测试再生混凝土质量损失率、相对动弹性模量变化、抗压强度损失率,并利用电子显微镜、能谱仪和X射线衍射等方法分析再生混凝土损伤层的微观结构,以超声波平测法确定损伤层厚度,引入侵蚀系数对以损伤层厚度为评价指标的损伤度进行优化。结果表明,当冻融循环为0～200次、Na₂SO₄溶液浓度大于5%时,抗压强度侵蚀系数始终小于1,即Na₂SO₄溶液对再生混凝土宏观力学性能损伤的促进作用明显,而对微观结构损伤的抑制作用明显。在再生混凝土冻融循环初期,以冻融侵蚀为主;冻融循环后期,以硫酸盐化学侵蚀为主,再生混凝土经化学侵蚀后生成钙矾石和石膏等膨胀产物,并出现膨胀裂缝,在冻融循环作用下裂缝迅速扩展,损伤层厚度增加。以损伤层厚度为评价指标的损伤...     

混杂纤维增强高强混凝土性能研究

为研究钢纤维、聚乙烯醇纤维混杂比例对高强混凝土性能的影响,通过合理设计坍落度试验、力学强度试验、收缩试验、抗裂试验、抗氯离子侵蚀试验,对比评价了纤维混杂比例对高强混凝土工作性、抗折强度、收缩性、抗裂性能以及氯离子渗透系数的影响。结果表明,钢纤维和聚乙烯醇纤维降低了新拌混合物的工作性。与单掺纤维相比,混杂纤维对高强混凝土力学性能改善效果不明显,但可明显改善混凝土抗裂性能,开裂面积抑制率最大为95.8%,同时能使高强混凝土收缩率和氯离子分别降低27.7%和66.5%,明显提高高强混凝土的耐久性能。通过扫描电镜试验分析探讨了纤维增强混凝土的作用机理,结果表明混杂纤维对基体内部结构的改善实现了对混凝土宏观性能的提升,最终推荐采用0.75%(体积分数)钢纤维和0.25%(体积分数)聚乙烯醇纤维。     

混凝土在硫酸盐、氯盐溶液中的损伤过程

研究了水胶比(质量比)为0.35,0.45的普通混凝土在3种溶液[3.5%(质量分数,下同)NaCl溶液,5.0% Na2SO4溶液,3.5%NaCl-5.0% Na2SO4复合溶液]和2种腐蚀制度(长期浸泡和浸泡烘干循环)下混凝土的损伤失效规律、特点及损伤叠加的效应.结果表明:在腐蚀初期,腐蚀溶液中硫酸盐的存在提高了混凝土抗氯离子扩散能力;腐蚀后期则降低之.复合溶液中氯盐的存在拉长了各腐蚀阶段时间,延缓了混凝土的硫酸盐损伤进程.混凝土经浸泡烘干循环,其相对动弹性模量(Erd)变化为下降、线性增加、缓慢下降和加速下降4个阶段.此外,用现代测试技术研究了上述规律产生的微观机理.     

钢筋混凝土构件的抗盐冻性能研究

在质量浓度为3.5%的NaCl溶液中,采用快冻法研究普通混凝土(OPC)、引气混凝土(APC)和高性能混凝土(HPC)试验梁和混凝土试件的抗盐冻性能.结果表明,采用混凝土试件的抗盐冻实验结果并不能准确反映钢筋混凝土构件的性能特点.OPC的盐冻破坏源于其表面剥蚀,引气能够显著提高其抗盐冻破坏能力,掺加40%FA将显著地降低APC的抗盐冻性能,掺加10%硅灰将使APC试验梁在盐冻过程中出现表面宏观裂纹.综合分析指出,FA掺量为20%的C50粉煤灰引气HPC结构具有较理想的抗盐冻能力.     

早龄期加载的PVA纤维超高强混凝土徐变性能研究

以混凝土强度、聚乙烯醇(PVA)纤维体积分数、加载龄期三个因素作为控制变量，共成型18组混凝土试件，开展了坍落度试验、抗压强度试验、徐变试验，分析不同强度等级、PVA纤维体积分数、加载龄期对混凝土徐变规律的影响。同时，基于ACI209徐变预测模型和试验结果拟合结果，提出了适应早龄期PVA纤维超高强混凝土的徐变预测模型。试验实测曲线与预测模型计算曲线的对比表明，该徐变预测模型能够用于PVA纤维混凝土早龄期徐变随加载时间、纤维体积分数、混凝土强度因子变化的预测。     

玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应

采用φ100 mm 分离式Hopkinson压杆试验装置,研究了玄武岩纤维混凝土在冲击荷载作用下的动态力学性能,并将其与相同纤维掺量的碳纤维混凝土的冲击力学性能进行对比分析.结果表明:冲击荷载作用下,玄武岩纤维混凝土与碳纤维混凝土的强度与比能量吸收随平均应变率的增加而近似线性增长,体现了显著的应变率相关性;均匀分布的玄武岩纤维与碳纤维能够在混凝土内部形成致密的纤维网状结构,限制了混凝土内部微裂纹的产生和发展,对混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果;玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果总体上优于碳纤维;当纤维掺量为0.1%(体积分数)时,玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果最佳.