矿物掺合料对高性能混凝土徐变性能的影响及机理

摘要

作为矿物掺合料的磨细矿渣和粉煤灰，在混凝土材料中的应用除了减少能源与资源消耗、降低生产成本、减轻粉煤灰、矿渣排放对环境带来的负荷外，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，磨细矿渣和粉煤灰在混凝土材料中得到了广泛应用，几乎成为了混凝土高性能化与绿色化过程中不可或缺的矿物组分。作为一种长期的变形性能，徐变对混凝土结构、钢筋混凝土结构，尤其是预应力钢筋混凝土结构产生重大的影响，一直受到国内外研究者和工程界的高度重视和密切关注。矿物掺合料对高性能混凝土徐变性能的影响，尤其是在较大掺量的情况下研究较少，并且很不系统，矿物掺合料对高性能混凝土徐变的影响机理尚未见报道。由于缺乏这方面有针对性的深层次的理论研究，势必阻碍磨细矿渣和粉煤灰高性能混凝土在重大桥梁工程、大跨空间结构及核电站等预应力钢筋混凝土结构中的有效应用，因此，研究矿物掺合料对高性能混凝土徐变性能的影响具有重要的理论价值和实践意义。基于此，本文研究了磨细矿渣和粉煤灰在不同掺量情况下对混凝土徐变性能的影响规律；通过分析磨细矿渣和粉煤灰对混凝土材料组成、结构的影响，分析了其对徐变性能的影响机理；在机理分析的基础上，通过进一步的实验研究，建立了适合于粉煤灰高性能混凝土的徐变数学模型。 矿物掺合料对高性能混凝土徐变性能的影响规律测试了9组配合比混凝土的压缩徐变性能，其中基准混凝土的水泥用量为460Kg/m<'3>，水灰比0.35，砂率38％。在此基础上，固定砂率与水胶比，粉煤灰按12％(低)、30％(中)和50％(高)的质量分数，矿渣按30％(低)、50％(中)和80％(高)的质量分数等量取代水泥，双掺时按照“磨细矿渣35％+粉煤灰15％”和“磨细矿渣15％+粉煤灰35％”两情况考虑。徐变试验参数为：试件尺寸100mm×100mm×300mm，试件采用标准养护(温度20±2℃，相对湿度RH≥95％)，试件加载时的养护龄期为28d，徐变实验室温度为20±1℃，相对湿度为60±5％，徐变实验时有密封和不密封两种条件，加载应力水平为0.33。 试验结果表明：磨细矿渣和粉煤灰对高性能混凝土总徐变和基本徐变的影响规律基本一致。单掺磨细矿渣，掺量为30％和50％时，其对混凝土徐变性能的影响不大，掺量为80％时，混凝土的徐变度大大增加，其1年的总徐变度和基本徐变度分别达到了基准混凝土的1.74倍和1.76倍。单掺粉煤灰，掺量为12％和30％时，混凝土抵抗徐变的能力得到大幅度改善，其1年的总徐变度分别为基准混凝土的769％和46.5％，1年的基本徐变度分别为基准混凝土的82.3％和53.2％；粉煤灰掺量为50％时，混凝土抵抗徐变的能力没有改善，混凝土的总徐变度和基本徐变度分别为基准混凝土的102％和119.2％。磨细矿渣与粉煤灰总取代率为50％，以7：3或3：7复合，高性能混凝土的总徐变度均小于单掺磨细矿渣或单掺粉煤灰的情况，存在双掺优势，但对于基本徐变，比单掺粉煤灰的小，与单掺磨细矿渣的接近，双掺优势不明显。 矿物掺合料品种和掺量对高性能混凝土的徐变特性影响很大，总体上磨细矿渣对抑制混凝土的徐变无明显效果或有负面效应，粉煤灰能显著抑制高性能混凝土徐变，无论是磨细矿渣还是粉煤灰在高掺量时对抑制混凝土的徐变性能均不利。 对于这9个实验配合比，矿物掺合料均能使混凝土的干燥收缩减小，但却并不能够在各种情况下使总徐变度均减小；矿物掺合料使混凝土的密封收缩增大，但其在多数情况下使基本徐变降低。因此，无法单独应用收缩与徐变相关的观点来解释矿物掺合料对混凝土徐变性能的影响。同样，掺有矿物掺合料的混凝土也未体现出强度越高徐变越小的一致性规律，因此也不能单独应用强度影响徐变的理论来解释矿物掺合料影响混凝土徐变的机理。矿物掺合料对高性能混凝土徐变性能的影响机理矿物掺合料加入后，混凝土的徐变规律变得比较复杂，无法应用传统的徐变理论解释其徐变规律。因此，本文从材料的性能取决于材料的组成与结构这一原理出发，深入探讨了加入矿物掺合料后混凝土材料在组成与结构方面的演变规律，并建立其与徐变性能间的关系，分析了矿物掺合料影响高性能混凝土徐变的机理。 矿物掺合料取代水泥后，混凝土的的化学组成和微观结构均发生变化，具体体现在水化产物数量、微集料的构成、基体微观结构和界面结构的变化，这些影响因素交织在一起影响着混凝土徐变性能的改变。为研究微集料的物理性质，本文应用纳米压痕Nano-indentation技术测试了水泥、磨细矿渣和粉煤灰颗粒的弹性模量，其区间依次分别为：[8.0GPa，33.6GPa]，[5.7GPa，25.4GPa]和[17.9GPa，55.3GPa]，其样本均值依次分别为17.4，12.8和134.3GPa，为分析微集料效应奠定了基础。为了分析矿物掺合料对体系水化产物的影响，采用烧失量法和DSC-TG测试了不同矿物掺合料掺量下浆体中的非蒸发水量表征体系水化产物数量，并分析了其与混凝土徐变的关系。为了研究微集料与基体的界面，采用SEM观察了矿物掺合料与基体的界面结合情况，发现：在中、低掺量下磨细矿渣和粉煤灰与基体得界面结合较好，在高掺量下磨细矿渣和粉煤灰与基体得界面结合较差。为了研究基体的微观结构，应用MIP技术测试了不同矿物掺合料掺量浆体的孔隙率和孔径分布，该结果佐证了SEM的观测结果。为分析微裂纹效应，研究了掺30％粉煤灰和掺505％粉煤灰这两种水泥石在工作载荷(应力水平为33％)作用下微裂纹扩展情况。加载30d后，粉煤灰掺量为30％时，基体微裂纹并没有随时间的推移而扩展；而粉煤灰掺量为50％时，基体微裂纹明显随时间的推移而变宽变长。通过综合分析，提出了矿物掺合料影响高性能混凝土徐变的机理。 磨细矿渣弹性模量较低，不能通过发挥“微集料效应”抑制混凝土的徐变，磨细矿渣一水泥体系的水化产物数量和矿渣与基体的界面结合情况是决定高性能混凝土徐变性能的两个主要因素。磨细矿渣掺量对其与周围基体的界面结合的影响存在一临界值(根据本文的研究情况，该临界值在50-80％之间)，小于临界值时，界面结合情况良好，可忽略界面结合对徐变性能的影响，混凝土的徐变度与体系的水化产物数量正相关；当磨细矿渣掺量超过临界值时，混凝土的徐变性能受到体系水化产物数量和磨细矿渣界面结合情况这两个因素的共同作用，并且随着磨细矿渣掺量的继续提高，界面结合情况对混凝土抑制徐变能力的负面效应显著增强。 粉煤灰的微集料效应、粉煤灰一水泥体系的水化产物数量和粉煤灰与基体的界面结合情况是决定高性能混凝土徐变性能的三个主要因素。粉煤灰掺量对其与周围基体的界面结合的影响存在一临界值(根据本文的研究情况，该临界值在30-50％之间)，粉煤灰掺量小于临界值时，界面结合情况良好，微集料效应得以正常发挥，混凝土的徐变度受到“微集料效应”和体系水化产物数量的影响，随粉煤灰掺量增加，体系的非蒸发水量减少且微集料效应发挥程度提高，混凝土抑制徐变的能力明显增强；当粉煤灰掺量超过临界值时，粉煤灰与基体的界面结合变差，无法保证微集料效应的正常发挥，混凝土的徐变性能受到体系水化产物数量、微集料效应的发挥程度和粉煤灰与基体界面结合情况这三个因素的共同作用，并且随着粉煤灰掺量的继续提高，界面结合情况变差及微集料效应不能正常发挥对混凝土抑制徐变性能的负面影响显著增强。高性能混凝土的徐变流变模型在分析混凝土基本流变模型的基础上，从混凝土材料的自身特点出发，分别建立水泥石基体、界面过渡区和集料的流变模型，并应用细观力学中的广义自洽：Mori-Tanaka方法得到了混凝土材料的整体响应，建立了基于复合材料细观力学和流变学的混凝土流变模型。该模型的突出特点是充分考虑了混凝土的材料特点，建立了界面区特征与混凝土材料徐变性能间的关系。应用有限元软件ANSYS对该模型进行了验证，通过模型计算的理论解与ANSYS的数值解吻合较好。粉煤灰高性能混凝土的徐变数学模型在对现有国际流行的徐变模型分析的基础上，结合本文实验与机理分析，提出了本文模型中考虑的影响因素，确定了各影响因素的处理方法。通过进一步的实验研究，揭示了粉煤灰掺量与水胶比间的交互作用，为徐变模型的建立奠定了基础。研究发现，粉煤灰抑制混凝土徐变度的能力与水胶比密切相关，水胶比越小粉煤灰抑制混凝土徐变的能力越强。这也从试验的角度验证了本文所提出的粉煤灰影响混凝土徐变的机理的合理性。本文建立了适用于粉煤灰高性能混凝土的徐变数学模型： C(t，t<,0>)=K<,FW>·K<,av>·K<,ak>·K<,ca>·K<,at>·K<,RH>·[ln(t-t<,0>+1)]<'β>该模型在影响因素中引入了粉煤灰高性能混凝土配合比设计的重要参数水胶比和粉煤灰掺量，徐变模型的物理意义更加明确。模型还考虑了水胶比与粉煤灰掺量对高性能混凝土徐变影响的耦合作用，使模型更加趋于实际情况。该模型基本形式是在机理分析的基础上提出的，因此，该模型不是纯数据拟合的模型，属于机理型模型。根据该模型可优化出不同水胶比条件下的最佳粉煤灰掺量，并预估最小徐变度数值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2文献综述

1.2.1混凝土徐变现象的历史回顾

1.2.2矿物掺合料对混凝土徐变性能的影响

1.2.3混凝土的徐变机理与徐变模型

1.3存在的问题及本文研究内容

1.3.1存在的问题

1.3.2本文研究内容

第二章试验材料选择、配合比设计及试件制备

2.1引言

2.2试验材料

2.2.1磨细矿渣

2.2.2粉煤灰

2.2.3硅酸盐水泥

2.2.4集料

2.2.5其它材料

2.3试验配合比、试件制备与养护

2.3.1混凝土配合比设计

2.3.2试件制备

2.4本章小结

第三章矿物掺合料对高性能混凝土徐变的影响规律

3.1引言

3.2压缩徐变试验装置

3.3徐变试验方案与徐变度计算

3.3.1徐变试验方案

3.3.2徐变度计算

3.4徐变实验结果分析

3.4.1磨细矿渣对高性能混凝土徐变的影响

3.4.2粉煤灰对高性能混凝土徐变的影响

3.4.3磨细矿渣与粉煤灰双掺对高性能混凝土徐变的影响

3.4.4加载一年高性能混凝土的收缩与徐变

3.5本章小结

第四章矿物掺合料对高性能混凝土徐变的影响机理

4.1引言

4.2微集料效应与混凝土的徐变

4.2.1应用纳米压痕技术测试水泥颗粒的弹性模量

4.2.2水泥、磨细矿渣和粉煤灰颗粒弹性模量的比较

4.2.3矿物掺合料的“微集料效应”对徐变的影响

4.3水化产物数量与混凝土的徐变

4.3.1实验方法

4.3.2非蒸发水量与混凝土的徐变度

4.4微集料界面与混凝土的徐变

4.4.1粗集料、细集料及微集料三个层次界面数量分析

4.4.2磨细矿渣及粉煤灰与基体的界面结合状况分析

4.4.3磨细矿渣与基体界面区结合状况与徐变

4.4.4粉煤灰与基体界面区结合状况与徐变

4.5硬化净浆孔结构与混凝土的徐变

4.5.1压汞法测定硬化浆体的孔结构

4.5.2矿物掺合料对硬化浆体孔结构的影响

4.5.3浆体孔隙率与混凝土徐变度

4.6载荷的时间效应与基体微裂纹的扩展

4.6.1试验方法

4.6.2试验结果与分析

4.7矿物掺合料对高性能混凝土徐变的影响机理

4.7.1磨细矿渣对高性能混凝土徐变的影响机理

4.7.2粉煤灰对高性能混凝土徐变的影响机理

4.8本章小结

第五章高性能混凝土的徐变流变模型

5.1引言

5.2流变学基本元件与基本模型

5.2.1流变学基本元件

5.2.2流变学基本模型

5.3高性能混凝土的徐变流变模型

5.3.1混凝土徐变流变模型简介

5.3.2复合材料细观力学理论

5.3.3高性能混凝土徐变流变模型

5.4模型有限元验证

5.5本章小结

第六章粉煤灰高性能混凝土的徐变方程

6.1引言

6.2国内外预测混凝土徐变的数学模型

6.2.1 ACI209R模型

6.2.2 CEB90模型

6.2.3 B3模型

6.2.4 GL2000模型

6.2.5中国建科院模型

6.2.6模型存在的问题

6.3本文模型中考虑的参数

6.3.1粉煤灰掺量与水胶比

6.3.2加载龄期

6.3.3集料品种与数量

6.3.4环境湿度

6.3.5试件尺寸与形式

6.3.6其它影响因素

6.4粉煤灰高性能混凝土徐变实验

6.4.1实验材料

6.4.2试验方案

6.4.3试验结果分析

6.5粉煤灰高性能混凝土的徐变数学模型

6.5.1徐变随时间的发展规律

6.5.2预测粉煤灰高性能混凝土徐变数学模型的基本形式

6.5.3预测粉煤灰高性能混凝土徐变数学模型中各系数的确定

6.5.4预测粉煤灰高性能混凝土徐变数学模型的特点

6.6本章小结

第七章全文结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文