礦物摻合料對(duì)混凝土疲勞性能的影響及機(jī)理

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1、摘要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(lái)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(guò)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(chǎng)道面、公路的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

2、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(guò)渡區(qū)對(duì)疲勞性能的影響{通過(guò)分析礦渣、粉煤灰對(duì)混凝土材料組成、結(jié)構(gòu)的影響，研究了組成、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±疲勞性能的影響測(cè)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×IOOmmX400ram)，其中基準(zhǔn)混凝土的砂

3、率為38％，水泥用量為480kg／m3，水灰比O．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)等量取代水泥。疲勞試驗(yàn)參數(shù)為：應(yīng)力水平諏0．90、O．85、0．80，O．75、0．70、O．65共6級(jí)，荷載循環(huán)特征系數(shù)月=0．i，加載頻率在應(yīng)力水平S>0．75時(shí)為2-3Hz，S≤O．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)力水平賄關(guān)。當(dāng)S≤O．80時(shí)，疲勞壽命Ⅳ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

4、混凝土疲勞壽命N--2×106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)力水平雞疲勞壽命的對(duì)數(shù)值lgⅣ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)，在擘司．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，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O．518～0．6

5、48之間。不同礦物摻合料摻量混凝土的娶Ⅳ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)。礦物摻合科對(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(guò)程的不同，相應(yīng)地將IgN<_3所對(duì)應(yīng)的低周疲勞區(qū)域定義為基體開(kāi)裂控制區(qū)(matrixcrackingdominantregion)：lg^皂4所對(duì)應(yīng)的高周疲勞區(qū)定義為界面開(kāi)裂控制區(qū)(bondcrackingdominantregion)：而3

6、onregion)。為定量描述基體、界面與疲勞性能之間的關(guān)系，引入了基體和界面過(guò)渡區(qū)對(duì)材料疲勞性能的影響因子五、正，提出了描述與基體、界面區(qū)過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)有關(guān)的基體性質(zhì)及界面過(guò)渡區(qū)性質(zhì)對(duì)疲勞性能影響的指數(shù)肘和，，并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型描述^、五隨lgⅣ的變化趨勢(shì)，分析了矗^，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一{i-i0(IgN)+M。【l一,9(19N)]}lgN·{(中口(，)=1／11+P一“’‘’1。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，本文采用選擇性溶荊溶解法測(cè)定了礦物

7、摻合料的反應(yīng)程度，采用DSC．1．G測(cè)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(guò)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)(∞no．ind∞tation)測(cè)試了不同礦物摻合料摻量混凝土中真實(shí)界面過(guò)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

8、料的疲勞性