礦物摻合料對(duì)混凝土疲勞性能的影響及機(jī)理.pdf

1、作為礦物摻合料的粉煤灰、礦渣等工業(yè)副產(chǎn)品在混凝土材料中的應(yīng)用除了減少能源、資源消耗及生產(chǎn)成本外，還減輕粉煤灰、礦渣的排放對(duì)環(huán)境帶來的負(fù)荷，這不僅有利于水泥混凝土工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，而且還能夠改善和調(diào)節(jié)混凝土材料從制備到使用過程中的各項(xiàng)物理、力學(xué)性能，尤其能夠顯著改善混凝土材料的耐久性能。因此，粉煤灰、礦渣在混凝土材料中得到了廣泛應(yīng)用。使用礦物摻合料的混凝土不可避免地應(yīng)用于各種承受重復(fù)性荷載作用的結(jié)構(gòu)中，如承受交通荷載作用的機(jī)場道面、公路的

2、路面及橋梁的路面結(jié)構(gòu)，承受波浪荷載的海洋、海岸結(jié)構(gòu)等。因而，研究礦物摻合料對(duì)混凝土材料疲勞性能的影響具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。為此，本文研究了磨細(xì)礦渣、粉煤灰在不同摻量情況下對(duì)混凝土疲勞性能的影響規(guī)律；在分析混凝土疲勞損傷機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型描述混凝土基體和界面過渡區(qū)對(duì)疲勞性能的影響；通過分析礦渣、粉煤灰對(duì)混凝土材料組成、結(jié)構(gòu)的影響，研究TN＃2、結(jié)構(gòu)參數(shù)與疲勞性能之間的定量關(guān)系及礦物摻合料對(duì)疲勞性能的影響機(jī)理；提出了以改善混

3、凝土材料疲勞性能為目的的礦物摻合料的使用原則，并就大摻量礦物摻合料條件下配合比關(guān)鍵參數(shù)一水膠比的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 礦物摻合料對(duì)混凝土疲勞性能的影響測試了6配合比混凝土的抗彎疲勞性能(三分點(diǎn)加載，試件尺寸100mm×100mmX400mm)，其中基準(zhǔn)混凝土的砂率為38﹪，水泥用量為480kg/m<'3>，水灰比0.35。在此基礎(chǔ)上，固定砂率與水膠比，粉煤灰按30﹪，50﹪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，礦渣按30﹪，50﹪，80﹪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等量取代水

4、泥。疲勞試驗(yàn)參數(shù)為：應(yīng)力水平S取0.90、0.85、0.80、0.75、0.70、0.65共6級(jí)，荷載循環(huán)特征系數(shù)R=0.1，加載頻率在應(yīng)力水平S>0.75時(shí)為2～3Hz，S≤0.75時(shí)為10Hz。 試驗(yàn)結(jié)果表明：疲勞壽命隨礦物摻合料摻量的變化趨勢(shì)與應(yīng)力水平S有關(guān)。當(dāng)S≤0.80時(shí)，疲勞壽命N隨礦物摻合料摻量的增加而增加；當(dāng)S>0.80時(shí)，疲勞壽命隨礦物摻合料摻量的增加而下降。根據(jù)疲勞方程計(jì)算得到各配合比混凝土疲勞壽命N=2×1

5、0<'6>時(shí)的抗彎疲勞強(qiáng)度折減系數(shù)在0.624～0.691之間。而且疲勞強(qiáng)度折減系數(shù)具有隨礦物摻合料摻量的增加而提高的趨勢(shì)，大摻量礦物摻合料混凝土的疲勞強(qiáng)度折減系數(shù)顯著增大。礦物摻合料摻量較低時(shí)，應(yīng)力水平S與疲勞壽命的對(duì)數(shù)值lgN，基本上呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。但當(dāng)?shù)V渣摻量達(dá)到80﹪，粉煤灰摻量達(dá)到50﹪時(shí)，在S=0.85與S=0.80之間的線段斜率明顯不同，使整個(gè)連線出現(xiàn)了一個(gè)平緩的臺(tái)階。在同一級(jí)應(yīng)力水平下，疲勞壽命近似服從兩參數(shù)威布爾分布

6、，建立了基于兩參數(shù)威布爾分布的概率疲勞方程，95﹪保證概率下各配合比混凝土的抗彎疲勞強(qiáng)度折減系數(shù)在0.518～0.648之間。不同礦物摻合料摻量混凝土的S-N方程及S-P-N方程為相關(guān)的工程設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 礦物摻合料對(duì)混凝土疲勞性能的影響機(jī)理根據(jù)低周高幅、高周低幅疲勞荷載作用下混凝土材料疲勞破壞機(jī)制及損傷發(fā)展過程的不同，相應(yīng)地將lgn≤3所對(duì)應(yīng)的低周疲勞區(qū)域定義為基體開裂控制區(qū)(matrix cracking dominant

7、 region)；lgN≥4所對(duì)應(yīng)的高周疲勞區(qū)定義為界面開裂控制區(qū)(bondcracking dominant region)；3、f<,2>，提出了描述與基體、界面區(qū)過渡區(qū)結(jié)構(gòu)有關(guān)的基體

8、性質(zhì)及界面過渡區(qū)性質(zhì)對(duì)疲勞性能影響的指數(shù)M和I，并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型描述f<,1>、f<,2>隨lgN的變化趨勢(shì)，分析了S-N曲線產(chǎn)生兩種類型的非線性現(xiàn)象的原因及條件。在單對(duì)數(shù)線性疲勞方程的基礎(chǔ)上建立了考慮基體和界面性質(zhì)影響的疲勞方程，即S=A-{I<'-1> (1gN)+M<'-1>[1- (1gN)]}lgN，其中 (x)=1/[1+e<'-k(x-x<,c>)>]。為研究材料組成、結(jié)構(gòu)與疲勞損傷規(guī)律之間的內(nèi)在聯(lián)系，本文采用選擇性溶劑溶

9、解法測定了礦物摻合料的反應(yīng)程度，采用DSC-TG測試了礦物摻合料摻量不同的漿體中非蒸發(fā)水及Ca(OH)<,2>數(shù)量，應(yīng)用MIP技術(shù)得到了不同礦物摻合料摻量漿體的孔隙率和孔徑分布，采用SEM觀察了混凝土中界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)并應(yīng)用EDxA的線掃描功能研究了Ca和Si在基體和界面中的分布，應(yīng)用納米壓痕技術(shù)(nano-indentation)測試了不同礦物摻合料摻量混凝土中真實(shí)界面過渡區(qū)的彈性模量和納米壓痕硬度的分布。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析表明：礦物摻

10、合料對(duì)體系非蒸發(fā)水量的影響取決于其對(duì)非蒸發(fā)水量的正、負(fù)效應(yīng)的疊加，礦物摻合料對(duì)體系中非蒸發(fā)水量的影響導(dǎo)致孔隙率的變化，進(jìn)而引起基體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的變化，對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生影響；基于漿體孔隙率是初始充水空間被水化產(chǎn)物填充的結(jié)果以及非蒸發(fā)水量與水化產(chǎn)物數(shù)量之間的關(guān)系，定義了C<,f>(P<,O>-P)/W<,n>為填充系數(shù)，根據(jù)孔隙率測試的結(jié)果可知，C<,f>礦物摻合料的種類有關(guān)，對(duì)于同一種礦物摻合料，C<,f>本為常數(shù)；基體性質(zhì)特征參數(shù)MN

11、漿體孔隙率P的增加而減少，基體性質(zhì)特征參數(shù)M和孔隙率P的這種關(guān)系是高應(yīng)力水平下混凝土材料疲勞壽命隨材料強(qiáng)度的提高而增長的原因。礦物摻合料的應(yīng)用改善了界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)，減少了基體與界面過渡區(qū)在組成、結(jié)構(gòu)及微尺度力學(xué)性能上的差異；由于礦物摻合料的反應(yīng)需要消耗Ca(OH)<,2>，體系中Ca(OH)<,2>數(shù)量隨礦物摻合料摻量的增加而減少；界面過渡區(qū)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)在很大程度上取決于Ca(OH)<,2>的數(shù)量、尺寸及分布，大摻量礦物摻合料情況下，

12、顯著地降低了CH在界面過渡區(qū)的富集程度，界面性質(zhì)特征參數(shù)I隨體系中Ca(OH)<,2>數(shù)量的減少而非線性增大，二者之間的關(guān)系符合良好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，對(duì)于摻礦渣和粉煤灰的混凝土，分別有I=14.28+3.58exp(-0.428CH)、I=14.29+2.14exp(-0.476CH)；大摻量應(yīng)用礦物摻合料的情況下，基體與界面過渡區(qū)在組成，結(jié)構(gòu)上的差異顯著降低，從而使二者在力學(xué)性能(納米壓痕硬度、彈性模量)上趨于一致，相對(duì)提高了界面過渡區(qū)

13、抵抗荷載作用、抑制損傷發(fā)展的能力，使大摻量礦物摻合料混凝土材料高周疲勞性能得到顯著改善。 基于改善疲勞性能的礦物摻合料應(yīng)用根據(jù)基體、界面過渡區(qū)性質(zhì)與疲勞性能之間的關(guān)系，提出增強(qiáng)基體、強(qiáng)化界面以改善混凝土疲勞性能的技術(shù)途徑。根據(jù)礦物摻合料對(duì)混凝土組成、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響進(jìn)而影響其疲勞性能的作用機(jī)理，提出了大摻量、低水膠比的礦物摻合料使用原則，使混凝土材料的低、高周疲勞性能得到全面改善。提出以基體性質(zhì)特征參數(shù)M和界面性質(zhì)特征參數(shù)，為目標(biāo)參

14、數(shù)，基于M和I與材料組成之間的關(guān)系提出了大摻量條件下配合比關(guān)鍵參數(shù)-礦物摻合料摻量及水膠比的確定方法。在水膠比的具體設(shè)計(jì)方法中提出了以下定量關(guān)系：非蒸發(fā)水量與礦物摻合料反應(yīng)程度及其摻量之間的關(guān)系W<,n>=λ<,1>α<,c>(1-f<,ma>)+λ<,2>α<,ma>f<,ma>，漿體孔隙率與體系非蒸發(fā)水量的關(guān)系P=P<,O>-C<,f>W<,n>，而礦物摻合料反應(yīng)程度與摻合料之間的關(guān)系可以根據(jù)水泥化學(xué)知識(shí)確定水化產(chǎn)物的化學(xué)計(jì)量式，在