矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理

论文题目: 矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料学

作者: 郑克仁

导师: 孙伟

关键词: 矿物掺合料,混凝土,疲劳性能,组成与结构,影响机理,基体,界面过渡区

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 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S>0.75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S>0.80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3<lgN<4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。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及存在问题

1.2.1 混凝土材料疲劳性能研究现状

1.2.1.1 混凝土材料疲劳性能的研究

1.2.1.1.1 普通混凝土材料疲劳性能的研究

1.2.1.1.2 纤维增强混凝土材料疲劳性能的研究

1.2.1.1.3 其它混凝土材料疲劳性能的研究

1.2.1.2 混凝土材料疲劳过程与损伤

1.2.1.2.1 混凝土材料疲劳破坏过程

1.2.1.2.2 疲劳过程中材料性能的变化

1.2.1.2.3 疲劳损伤与累积理论

1.2.1.2.4 疲劳损伤的无损检测与研究

1.2.1.3 其它理论及工具在混凝土材料疲劳性能研究方面的应用

1.2.2 存在问题

1.3 研究内容

第二章试验材料、配合比及试件制备与养护

2.1 试验材料

2.1.1 粉煤灰

2.1.2 矿渣

2.1.3 硅酸盐水泥

2.1.4 其它材料

2.2 试验配合比、试件制备与养护

2.2.1 试验配合比主要参数的设计

2.2.1.1 粉煤灰与矿渣掺量

2.2.1.2 水胶比

2.2.1.3 其它参数及配合比

2.2.2 试件的制备及养护

2.2.2.1 疲劳试验试件的成型与养护

2.2.2.2 微观分析试样制备及养护

第三章矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响

3.1 疲劳性能测试

3.1.1 试验设备

3.1.2 试验参数

3.1.3 疲劳试验及加载控制

3.2 试验结果及分析

3.2.1 静态强度

3.2.2 疲劳寿命

3.3 疲劳方程

3.3.1 S-N 曲线与疲劳方程

3.3.2 基于Weibull 分布的S-P-N 曲线与概率疲劳方程

3.3.2.1 Weibull 分布理论

3.3.2.2 Weibull 分布母体参数的确定

3.3.2.3 基于Weibull 分布的概率疲劳方程

3.4 本章结论

第四章基于基体与界面性质的疲劳方程

4.1 基体、界面与混凝土疲劳破坏

4.1.1 静态荷载作用下混凝土的破坏

4.1.2 疲劳荷载作用下混凝土的破坏

4.1.2.1 疲劳裂缝的观察及定量分析

4.1.2.2 混凝土疲劳破坏过程

4.2 基体、界面性质与S-N曲线的非线性

4.2.1 大掺量矿物掺合料混凝土S-N 曲线的非线性

4.2.2 纤维增强混凝土S-N 曲线的非线性

4.3 基于基体与界面性质疲劳方程

4.3.1 模型推导

4.3.2 基于基体和界面性质疲劳方程的建立

4.4 本章结论

第五章材料组成、结构与疲劳性能的关系

5.1 水化浆体的组成

5.1.1 引言

5.1.2 研究方法

5.1.3 浆体组成

5.1.3.1 非蒸发水量

5.1.3.2 CH 数量

5.2 材料结构

5.2.1 基体结构

5.2.1.1 研究方法

5.2.1.1.1 压汞法测试原理及仪器

5.2.1.1.2 试样制备

5.2.1.2 浆体孔结构

5.2.2 界面过渡区的微观结构及微尺度力学性能

5.2.2.1 界面过渡区结构及形成

5.2.2.2 界面结构的SEM 研究

5.2.2.2.1 试验仪器及试样制备

5.2.2.2.2 界面过渡区微观结构

5.2.2.3 界面过渡区微尺度力学性能的纳米压痕技术研究

5.2.2.3.1 测试原理

5.2.2.3.2 试样制备

5.2.2.3.3 试验仪器与测试方案

5.2.2.3.4 试验结果及讨论

5.3 组成、结构与疲劳性能的关系

5.3.1 非蒸发水与孔结构及疲劳性能的关系

5.3.2 CH 数量与界面过渡区结构及疲劳性能的关系

5.3.3 基体与界面过渡区性质差异与高周疲劳性能

5.4 本章结论

第六章应用矿物掺合料改善疲劳性能的混凝土配合比关键参数设计

6.1 引言

6.2 基于疲劳性能的混凝土配合比关键参数设计的理论与方法

6.2.1 改善混凝疲劳性能的途径

6.2.2 配合比关键参数设计原则、理论与方法

6.2.3 方法应用

6.2.3.1 单位质量矿渣反应结合的非蒸发水量

6.2.3.2 基于氧化物平衡的矿渣理论反应程度计算

6.2.3.3 水胶比的计算

6.3 本章结论

第七章全文结论与研究展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

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发布时间: 2007-06-11

参考文献

[1].低水胶比大掺量矿物掺合料水泥基材料的收缩及机理研究[D]. 田倩.东南大学2006
[2].复掺矿物掺合料混凝土性能及抗裂机理、微观特性研究[D]. 田野.浙江大学2007
[3].矿物掺合料对超高性能混凝土的水化及微结构形成的影响[D]. 黄伟.东南大学2017
[4].矿物掺合料对PHC管桩混凝土性能的影响[D]. 胡延燕.西安建筑科技大学2016
[5].轻质高强粉煤灰陶粒的制备及其混凝土性能[D]. 邓宏卫.哈尔滨工业大学2009
[6].大掺量矿物掺合料混凝土的碳化特性研究[D]. 贾耀东.清华大学2010
[7].多组分复合胶凝材料体系水化性能研究[D]. 米贵东.清华大学2016

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