礦物摻合料對混凝土疲勞性能的影響及機理.pdf

1、作為礦物摻合料的粉煤灰、礦渣等工業(yè)副產品在混凝土材料中的應用除了減少能源、資源消耗及生產成本外，還減輕粉煤灰、礦渣的排放對環(huán)境帶來的負荷，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節(jié)混凝土材料從制備到使用過程中的各項物理、力學性能，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用。使用礦物摻合料的混凝土不可避免地應用于各種承受重復性荷載作用的結構中，如承受交通荷載作用的機場道面、公路的

2、路面及橋梁的路面結構，承受波浪荷載的海洋、海岸結構等。因而，研究礦物摻合料對混凝土材料疲勞性能的影響具有重要的理論價值和實踐意義。為此，本文研究了磨細礦渣、粉煤灰在不同摻量情況下對混凝土疲勞性能的影響規(guī)律；在分析混凝土疲勞損傷機理的基礎上，建立數學模型描述混凝土基體和界面過渡區(qū)對疲勞性能的影響；通過分析礦渣、粉煤灰對混凝土材料組成、結構的影響，研究TN＃2、結構參數與疲勞性能之間的定量關系及礦物摻合料對疲勞性能的影響機理；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鍵參數一水膠比的設計進行了研究。 礦物摻合料對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(三分點加載，試件尺寸100mm×100mmX400mm)，其中基準混凝土的砂率為38﹪，水泥用量為480kg/m<'3>，水灰比0.35。在此基礎上，固定砂率與水膠比，粉煤灰按30﹪，50﹪的質量分數，礦渣按30﹪，50﹪，80﹪的質量分數等量取代水

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

5、0<'6>時的抗彎疲勞強度折減系數在0.624～0.691之間。而且疲勞強度折減系數具有隨礦物摻合料摻量的增加而提高的趨勢，大摻量礦物摻合料混凝土的疲勞強度折減系數顯著增大。礦物摻合料摻量較低時，應力水平S與疲勞壽命的對數值lgN，基本上呈現良好線性關系。但當礦渣摻量達到80﹪，粉煤灰摻量達到50﹪時，在S=0.85與S=0.80之間的線段斜率明顯不同，使整個連線出現了一個平緩的臺階。在同一級應力水平下，疲勞壽命近似服從兩參數威布爾分布

6、，建立了基于兩參數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度折減系數在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方程為相關的工程設計提供了依據。 礦物摻合料對混凝土疲勞性能的影響機理根據低周高幅、高周低幅疲勞荷載作用下混凝土材料疲勞破壞機制及損傷發(fā)展過程的不同，相應地將lgn≤3所對應的低周疲勞區(qū)域定義為基體開裂控制區(qū)(matrix cracking dominant

7、 region)；lgN≥4所對應的高周疲勞區(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)結構有關的基體

8、性質及界面過渡區(qū)性質對疲勞性能影響的指數M和I，并推導了數學模型描述f<,1>、f<,2>隨lgN的變化趨勢，分析了S-N曲線產生兩種類型的非線性現象的原因及條件。在單對數線性疲勞方程的基礎上建立了考慮基體和界面性質影響的疲勞方程，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、結構與疲勞損傷規(guī)律之間的內在聯(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>數量，應用MIP技術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)的結構并應用EDxA的線掃描功能研究了Ca和Si在基體和界面中的分布，應用納米壓痕技術(nano-indentation)測試了不同礦物摻合料摻量混凝土中真實界面過渡區(qū)的彈性模量和納米壓痕硬度的分布。對試驗結果的分析表明：礦物摻

10、合料對體系非蒸發(fā)水量的影響取決于其對非蒸發(fā)水量的正、負效應的疊加，礦物摻合料對體系中非蒸發(fā)水量的影響導致孔隙率的變化，進而引起基體結構、性質的變化，對材料的疲勞性能產生影響；基于漿體孔隙率是初始充水空間被水化產物填充的結果以及非蒸發(fā)水量與水化產物數量之間的關系，定義了C<,f>(P<,O>-P)/W<,n>為填充系數，根據孔隙率測試的結果可知，C<,f>礦物摻合料的種類有關，對于同一種礦物摻合料，C<,f>本為常數；基體性質特征參數MN

11、漿體孔隙率P的增加而減少，基體性質特征參數M和孔隙率P的這種關系是高應力水平下混凝土材料疲勞壽命隨材料強度的提高而增長的原因。礦物摻合料的應用改善了界面過渡區(qū)的結構，減少了基體與界面過渡區(qū)在組成、結構及微尺度力學性能上的差異；由于礦物摻合料的反應需要消耗Ca(OH)<,2>，體系中Ca(OH)<,2>數量隨礦物摻合料摻量的增加而減少；界面過渡區(qū)的結構、性質在很大程度上取決于Ca(OH)<,2>的數量、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，界面性質特征參數I隨體系中Ca(OH)<,2>數量的減少而非線性增大，二者之間的關系符合良好的指數函數關系，對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)；大摻量應用礦物摻合料的情況下，基體與界面過渡區(qū)在組成，結構上的差異顯著降低，從而使二者在力學性能(納米壓痕硬度、彈性模量)上趨于一致，相對提高了界面過渡區(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用根據基體、界面過渡區(qū)性質與疲勞性能之間的關系，提出增強基體、強化界面以改善混凝土疲勞性能的技術途徑。根據礦物摻合料對混凝土組成、結構產生影響進而影響其疲勞性能的作用機理，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。提出以基體性質特征參數M和界面性質特征參數，為目標參

14、數，基于M和I與材料組成之間的關系提出了大摻量條件下配合比關鍵參數-礦物摻合料摻量及水膠比的確定方法。在水膠比的具體設計方法中提出了以下定量關系：非蒸發(fā)水量與礦物摻合料反應程度及其摻量之間的關系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)水量的關系P=P<,O>-C<,f>W<,n>，而礦物摻合料反應程度與摻合料之間的關系可以根據水泥化學知識確定水化產物的化學計量式，在