配制普通混凝土(NC)和玻化微珠保温混凝土(GHB/NC),研究从常温升温至1 000℃高温后表观现象变化、质量、抗压强度损失等性能的劣化过程,同时讨论超声波无损检测法评判混凝土高温后性能的普适性,对比分析相对波速、损伤度与受热温度、抗压强度损失率的关系,利用SEM观察不同高温后试件微观结构变化。结果表明:采用相对波速、损伤度评价混凝土高温后性能具有良好相关性,回归公式拟合度较高;随温度升高,NC和GHB/NC混凝土内部损伤逐步加剧,水泥胶凝受热分解、水分散失等在试件表面和内部产生空隙、裂纹并相互贯通,玻化微珠、粗骨料与水泥石界面黏结力逐步减弱甚至丧失,造成宏观力学性能劣化,抗压强度损失率增大。升温至800℃后NC强度损失72.3%,GHB/NC强度损失74.6%,1 000℃时基本丧失承载能力。
制备普通混凝土(Normal concrete,NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC),研究盐冻循环60次内,表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程,采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化,建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系,利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明:随盐冻循环次数增加,混凝土试件表面剥蚀愈显著,剥落量增加,内部损伤、强度损失逐渐加剧,超声参数与抗压强度具有密切相关性;混凝土经历盐冻破坏后,内部结构呈疏松絮状,孔隙、裂纹愈加显现,密实度下降,造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大,各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土,以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优,经历60次盐冻循环后,普通混凝土抗压强度损失率为58.5%,10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。
为证实稻壳灰(RHA)对混凝土硫酸盐侵蚀性能的改善作用,优选出掺RHA混凝土配比,并与普通混凝土(NC)对比,研究质量分数5wt%的Na2SO4溶液侵蚀270天内,表观现象、抗压、抗拉强度、有效孔隙率、动弹性模量等性能指标劣化规律,利用SEM观察硫酸盐侵蚀前后试件微观结构变化。结果表明:随侵蚀时间增加,混凝土试件逐渐局部剥落、体积膨胀;抗压、抗拉强度先提高后急剧下降,有效孔隙率先降低后提高,相对动弹性模量先提高后下降;微观分析表明混凝土水化产物与侵蚀介质反应生成钙矾石和石膏,填充内部孔隙,而随侵蚀进行膨胀性钙矾石与石膏超过内部抗拉强度产生裂隙,引起结构膨胀破坏、力学性能劣化。而RHA掺入混凝土生成水化硅酸钙凝胶,提高材料强度和耐腐蚀性,各阶段掺RHA混凝土劣化程度均优于NC。最终建立损伤本构模型,并与实测值对比,准确性较高。
为研究稻壳灰橡胶混凝土(RRC)的抗冻融性能,对比分析在氯盐环境下冻融循环后,普通混凝土(Normal concrete,NC)、橡胶混凝土(Rubber concrete,RC)和RRC的质量损失、相对动弹模量损失、强度损失及微观结构特征,同时对相对动弹模量与相对抗压强度的关系进行拟合分析。结果发现:随冻融循环次数增加,稻壳灰橡胶混凝土表面坑蚀愈明显,内部孔隙增多,微裂缝发展并贯通,宏观强度显著降低,相对动弹模量与抗压强度有良好相关性,拟合结果较优。橡胶的高弹性和稻壳灰极高的火山灰效应有效缓解了冻胀力带来的损伤,各冻融阶段RRC的损伤程度均明显优于NC,其中以稻壳灰掺量(占胶凝材料质量比)为10%、橡胶掺量(等体积取代砂)为10%时的RRC力学性能与抗冻融性能综合最优,经历120次冻融循环后,其抗压强度损失率较NC降低了18%。
我国在未来的几十年中要实现碳达峰碳中和的战略性目标,不仅要加大对清洁能源的开发和利用,废弃物的回收过程更是节能减排的关键环节。利用废旧轮胎加工成橡胶颗粒掺入混凝土,高弹性橡胶颗粒作为柔性填充物,可增强混凝土的延性、能量吸收、抗疲劳性能,同时实现固体废弃物的回收再利用。我国东部沿海地区和西北地区的地下土壤和地下水中含有大量侵蚀离子,其中硫酸盐侵蚀是危害水泥基材料耐久性的重要因素。为研究混杂纤维/橡胶混凝土(HFRRC)的抗硫酸盐侵蚀性能,本文制备了普通混凝土(NC)和混杂纤维/橡胶混凝土(HFRRC),揭示硫酸盐侵蚀下混杂纤维/橡胶混凝土力学性能变化规律及微观结构的劣化机理。
基于正交试验方法进行混杂纤维/橡胶混凝土(HFRRC)配合比设计,优选得出HFRRC的最佳配比。利用干湿循环法模拟混凝土结构服役的自然环境特点,比较测试在质量分数5%的NaSO溶液侵蚀环境下混凝土试件表观现象、质量、超声参数、抗压强度、应力-应变曲线和破坏特征,分析材料强度损失和内部损伤。同时利用S-3400N型扫描电子显微镜和SMARTLAB9KW型X射线衍射仪微观表征手段,从微观角度揭示硫酸盐环境下混杂纤维/橡胶混凝土性能劣化规律。
(1)在混凝土中掺入适量橡胶骨料、玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维,能够提高材料劈裂抗拉、抗折强度,但抗压强度有所下降,试件受压破坏时整体完整性提高。依据功效系数法得到最佳配比为橡胶掺量10%,玄武岩纤维体积掺量0.2%,聚乙烯醇纤维体积掺量0.3%。(2)由强度测试结果可知,两类混凝土的抗压强度均随硫酸盐侵蚀时间呈先增后减的趋势,对比NC、HFRRC试件抗压强度及耐蚀系数在侵蚀进程中的变化趋势可看出,无论是上升阶段还是下降阶段,NC试件的耐蚀系数均低于HFRRC试件。(3)由超声参数可知,相对波速V与耐蚀系数K、损伤度D与耐蚀系数K之间存在良好线性关系,即采用相对波速及损伤度评价混凝土受硫酸盐侵蚀后的力学性能合理可行。(4)对比同一侵蚀阶段下两种混凝土的荷载-位移曲线可知,HFRRC曲线与横轴所围形状的面积较NC曲线更大。NC试件的破坏形态主要表现为垂直于加载面的通长宽裂缝,峰值荷载前后突然出现大块崩裂。HFRRC试件破坏时裂缝细密交错呈织网状,试件中部呈现出侧向鼓胀,表面裂缝多而密,整体完整性较NC更好。(5)由微观结构特征可知,侵蚀初期SO与基体内胶凝物质反应填充原生孔隙,能够填充原生孔隙,提高基体密实度。随着侵蚀反应的进行,硫酸盐持续不断消耗水泥浆体中的胶凝材料,导致骨料间的胶结力明显减弱,同时在硫酸盐反复结晶过程中产生的膨胀应力也会导致基体趋于疏松且出现大量空隙和孔洞。
本文测试了普通混凝土(NC)和混杂纤维/橡胶混凝土(HFRRC)经历240次硫酸盐/干湿循环作用后各阶段的质量变化、力学性能、超声参数、变形性能和微观形貌,研究发现在混凝土中掺入适量橡胶骨料、玄武岩纤维和聚乙烯醇纤维,能够提高材料劈裂抗拉、抗折强度,但抗压强度有所下降。当橡胶掺量10%,玄武岩纤维体积掺量0.2%,聚乙烯醇纤维体积掺量0.3%时,抗压强度下降5.63%,但劈裂抗拉强度提高20.91%,抗折强度提高12.14%,试件受压破坏时整体完整性更高。随着硫酸盐/干湿循环次数的增加,NC、HFRRC试件的质量、抗压强度呈先增后减的趋势,NC试件耐蚀系数的变化速率大于HFRRC试件,表明在相同硫酸盐环境下HFRRC较NC表现出较好的耐蚀性。在硫酸盐/干湿循环作用下,侵蚀初期SO与基体内胶凝物质反应填充原生孔隙,提高基体密实度。随着侵蚀进行,胶凝材料不断被SO消耗,基体受到硫酸钠反复结晶的物理侵蚀及硫酸盐化学侵蚀的共同作用。橡胶颗粒和混杂纤维可阻断裂缝扩展继而减缓SO扩散,抑制膨胀性产物的生成,延缓结晶应力诱发的表层裂纹的发育,提高试件抵抗硫酸盐侵蚀的能力。
我国东部沿海地区和西北地区的地下土壤和地下水中含有大量侵蚀离子,其中硫酸盐侵蚀是危害水泥基材料耐久性的重要因素。一旦混凝土构件遭受服役环境中硫酸盐腐蚀介质的侵蚀,便会伴随出现剥落、膨胀、开裂和强度损失,威胁结构安全性,因此混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究对工程结构的耐久性尤为重要。我国在未来的几十年中要实现碳达峰碳中和的战略性目标,不仅要加大对清洁能源的开发和利用,废弃物的回收过程更是节能减排的关键环节。利用废旧轮胎加工成橡胶颗粒掺入混凝土,高弹性橡胶颗粒作为柔性填充物,可增强混凝土的延性、能量吸收、抗疲劳性能,同时实现固体废弃物的回收再利用。但由于橡胶颗粒的弹性模量相对砂石骨料较低,其加入导致混凝土力学强度的降低,同时其在硫酸盐侵蚀环境中的性能尚不明确,严重阻碍了其实际应用。
本文通过在橡胶混凝土中加入高弹性模量纤维,基于正交试验方法进行了纤维/橡胶混凝土(HF/RC)的优化设计。采用干湿循环法模拟混凝土结构服役的自然环境特点,比较测试了在质量分数5%的Na2SO4溶液侵蚀环境下普通混凝土(NC)和纤维/橡胶混凝土(HF/RC)试件表观现象、质量、超声参数、抗压强度、应力-应变曲线和破坏特征。研究发现随硫酸盐/干湿循环次数增加,NC、HF/RC试件的质量、抗压强度呈先增后减的趋势,超声参数与抗压强度、耐蚀系数具有密切相关性。各阶段劣化程度HF/RC均优于NC,经历240次硫酸盐/干湿循环后,NC抗压强度损失率为31.0%,而HF/RC抗压强度损失率仅为21.13%。同时采用SEM和XRD微观表征手段,研究发现侵蚀初期SO42-与基体内胶凝物质反应填充原生孔隙,提高基体密实度。随着胶凝材料不断被消耗,基体在Na2SO4反复结晶的物理侵蚀及硫酸盐化学侵蚀的共同作用下出现空隙和孔洞。而橡胶颗粒和混杂纤维可阻断裂缝扩展继而减缓SO42-扩散,抑制膨胀性产物的生成,延缓结晶应力诱发的表层裂纹发育。
为研究混杂纤维/橡胶混凝土(HF/RC)的抗硫酸盐侵蚀性能,对比分析硫酸盐环境下干湿循环240次内,普通混凝土(NC)和HF/RC的表观现象、质量损失、超声参数、抗压强度损失等性能指标劣化过程,采用SEM及XRD微观表征手段分析硫酸盐/干湿循环前后试件微观形貌及物相组成。结果表明:随硫酸盐/干湿循环次数增加,NC、HF/RC试件的质量、抗压强度呈先增后减的趋势,超声参数与抗压强度、耐蚀系数具有密切相关性;侵蚀初期SO4 2−与胶凝物质反应填充原生孔隙,基体密实度提高。侵蚀过程胶凝材料不断被消耗,基体在硫酸钠反复结晶的物理侵蚀及硫酸盐化学侵蚀的共同作用下出现空隙和孔洞。但橡胶颗粒和混杂纤维可阻断裂缝扩展继而减缓SO4 2−扩散,抑制膨胀性产物生成,延缓结晶应力诱发的表层裂纹发育。硫酸盐侵蚀各阶段HF/RC的劣化程度均优于NC,经240次硫酸盐/干湿循环后,NC、HF/RC的耐蚀系数分别为69.00%、78.87%。
为响应国家碳达峰碳中和的号召,解决已有废弃物的二次利用问题。本文以橡胶水泥基这一绿色材料为切入点,针对橡胶会降低水泥砂浆强度的问题,利用工业废料微硅粉改良橡胶水泥砂浆强度低的缺陷,保留其在减震与延性等方面的优越性能,以求为建筑材料领域的进步与国家“双碳”计划的落实添砖加瓦。
采用单轴抗压试验与抗冲击试验(SHPB)分别对不同橡胶粒径、不同微硅粉掺量的16组试件进行分析,结合养护龄期这一因素先在静态抗压下研究了普通水泥砂浆、橡胶水泥砂浆、微硅粉-橡胶/水泥砂浆的峰值应力、峰值应变与弹性模量,分析引起砂浆变化的因素与内在机理,然后通过抗冲击试验观察砂浆试件的强度、破坏形态、应力-应变曲线,分析橡胶与微硅粉对砂浆力学性能的影响,同时与静态试验中试件的表现进行对比。
在静态加载试验中:(1)无论向试件中加入何种粒径的橡胶粉,水泥砂浆试件在不同龄期的强度均会大幅下降,其中橡胶颗粒对强度的损伤由大到小依次为0.85mm、0.425mm、0.25mm,而微硅粉的加入能产生一定的补强效果,其中8%的微硅粉对加入0.85mm橡胶颗粒的砂浆在养护28D时的补强效果最好,试件强度提升了31.14%。(2)橡胶颗粒可以增大普通水泥砂浆试件的峰值应变,且0.85mm橡胶颗粒对应变的影响最大,而8%的微硅粉则会使得试件的峰值应变有所下降,另外无论试件是否掺入微硅粉,养护龄期对峰值应变的影响都微乎其微。(3)橡胶颗粒会使得普通水泥砂浆试件的弹性模量有所下降,其中下降程度由高到低依次是0.85mm、0.425mm、0.25mm,而加入微硅粉后试件的弹性模量有明显的回升。在动态抗冲击试验中:(1)普通水泥砂浆试件加入橡胶后,在动态冲击实验中出现了强度下降的情况,且颗粒越大下降越明显,而加入微硅粉后,各组试件的强度均随着微硅粉的掺量曲线提升,该情况与上述静态实验中试件的表现相同。(2)在SHPB试验中各组试件均经历了三个阶段:弹性变形阶段、弹塑性变形阶段、以及破坏阶段。微硅粉的加入会缩短试件弹性变形阶段与弹塑性变形阶段,从而造成应力-应变曲线峰值荷载向左偏移,但破坏阶段出现了延长,表明试件在动态冲击中表现出了比静态抗压试验更好的延性。 (3)普通砂浆试件在经历了0.3Mpa动态压缩冲击试验后的形态表现为十分破碎,试件完整性被完全破坏,加入橡胶后砂浆的形态有显著改善,而在此基础上加入微硅粉能进一步增强其抗冲击破坏能力,对试件的完整性也起到了很好的改善作用。
微硅粉-橡胶/水泥砂浆试件在静态加载与动态加载中均表现出了比橡胶/水泥试件更好的强度性能,且微硅粉能显著提升橡胶/水泥砂浆的弹性模量与抗冲击性能,另外在动态加载中微硅粉-橡胶/水泥砂浆试件表现出了比静态加载中更好的延性,这说明该材料在需要抗冲击的路桥中应用前景更广泛。
为响应国家碳达峰碳中和的号召,解决废弃轮胎的再利用问题,橡胶水泥基材料应运而生,但在混凝土中加入橡胶后,混凝土的强度会出现大幅下降,严重限制了使用场景。
本文通过向橡胶/水泥砂浆中掺入微硅粉的方法,利用微硅粉中含有的大量SiO2在水泥水化反应时的作用,改善橡胶/水泥砂浆在强度方面弱势,保留其在延性,抗震,抗冲击方面的优势。文中共设计了16组微硅粉-橡胶/水泥砂浆试件,在单轴抗压与抗冲击试验(SHPB)中探究微硅粉掺量,橡胶颗粒目数和养护龄期对水泥砂浆力学性能的影响,通过加入微硅粉前后橡胶/水泥砂浆的表现,分析了微硅粉改良橡胶/水泥砂浆的可行性,结果表明在水泥砂浆中加入橡胶颗粒后,砂浆的峰值应力与弹性模量在7d、14d、28d时均出现下降,而微硅粉的加入很好的改善了这种情况,其中掺入8%的微硅粉在养护28d后能使得试件强度增加在31.14%。在抗冲击试验中橡胶的加入会使水泥砂浆的抗冲击强度下降,但试件在SHPB试验后相对于普通水泥砂浆的完整性更好,加入微硅粉后砂浆的抗冲击强度与完整性均有所改善。另外,微硅粉的加入使得应力应变曲线中的弹性变形阶段与弹塑性变形阶段明显缩短,从而造成了曲线峰值荷载的向左偏移,而破坏阶段却明显延长,说明了在动态冲击下微硅粉不仅能很好的改善橡胶/水泥砂浆的抗冲击强度,还对橡胶/水泥砂浆的延性有一定的保留作用。
为研究微硅粉(Micro silicon powder,MP)-橡胶/水泥砂浆的力学性能,试验设计了16组试件,通过单轴抗压试验与抗冲击试验(分离式霍普金森压杆(SHPB))分析不同微硅粉掺量、橡胶粒径和养护龄期试件的峰值应力、峰值应变、弹性模量、抗冲击强度、破坏形态与应力-应变曲线。单轴抗压试验表明:在相同的养护龄期下,橡胶颗粒的加入使砂浆试件的抗压强度与弹性模量降低,峰值应变增加,加入微硅粉后试件的强度与弹性模量会有所回升。抗冲击试验表明:橡胶会降低砂浆的抗冲击强度,但能改善砂浆的破坏形态,而微硅粉不仅能增强这种改善作用,还能提升橡胶/水泥砂浆的抗冲击强度,另外加入微硅粉后,试件的应力-应变曲线的峰值荷载会由于其弹性变形与弹塑性变形阶段的缩短而向左偏移,但破坏阶段明显延长。