高粉煤灰掺量的常态混凝土性能研究

在重力式混凝土坝设计中,一些发达国家正在研究大体积常态混凝土高掺粉煤灰,以减少水泥用量、降低工程造价,减少水化热、简化温控措施,而不影响大坝质量要求的混凝土配合比。据查询国内外已建的混凝土重力坝资料,粉煤灰最高掺量不超过50%。美国外部混凝土粉煤灰掺量为25%,内部常态混凝土粉煤灰掺量为50%;日本大坝混凝土粉煤灰最高掺量为30%;我国湖南江垭大坝部分常态混凝土粉煤灰掺量为45%……,我国《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T5055-1996)规定常态混凝土粉煤灰掺量不能超过55%。辽宁省朝阳市阎王鼻子水库大坝设计中,经试验测试,常态混凝土采用碾压混凝土配合比的水泥用量,其中粉煤灰掺量高达68.4%,其热物理性能、力学性能指标、混凝土自生体积变形等技术指标均达到设计要求。不仅单位体积节省水泥用量42.86%;而且节省胶凝材料费31.47%。在一般情况下,对于混凝土粉煤灰掺量,在我国北方较低,南方较高。该项研究,不仅突破了北方的条件限定,而且突破了国家技术规范的限定,该项研究成果,1999年通过专家技术鉴定,2001年获朝阳市科技进步一等奖,2004年获辽宁省政府科技三等奖。相信此项研究在水土保持骨干工程中应用,一定取得费省效宏的结果。建议此项研究成果能在水土保持工程措施中应用。但对北方地区,应注意研究其掺入粉煤灰后,混凝土的抗冻性。     

高掺量粉煤灰和矿渣高强混凝土抗渗性和抗冻性试验

采用粉煤灰和矿渣2种掺合料的40%和50%2种质量比例掺量,制备了高掺合料C50高强混凝土,并利用扫描电镜和X射线衍射技术分析了高比例掺合料对高强混凝土强度的影响,最后通过抗氯离子渗透试验和快速冻融试验综合分析了高掺合料C50高强混凝土的耐久性。结果表明:当复掺掺合料总质量占胶凝材料总质量的50%时,随着粉煤灰与矿渣掺入量比值的减小混凝土养护28 d强度有所增加;在掺合料总质量不变的情况下,混凝土的抗冻性和抗氯离子渗透性能均随着粉煤灰掺入量的增加和矿渣掺入量的减小而逐渐提升,但掺合料总质量的增加会降低抗氯离子渗透性能;采用抗冻耐久性指数与电通量的比值法可较好的综合评价高掺合料高强混凝土的耐久性,耐久性较好的适宜配合比为掺合料总量50%,粉煤灰与矿渣掺量比为4:1。研究可为高掺量粉煤灰和矿渣在高强混凝土中的应用提供依据,同时达到提高高强混凝土的经济性和节约资源的目的。     

养护龄期对改良膨胀土无侧限抗压强度试验的影响

以湖北省宜昌市某公路膨胀土为研究对象,分别采用不同掺量的石灰、水泥、粉煤灰、风化砂对膨胀土进行改良。在经过7,14和28d标准条件养生后,进行无侧限抗压强度试验。试验结果表明,上述4种材料均能有效地提高改良膨胀土的无侧限抗压强度,在最初的14d内,水泥改良膨胀土的强度增长较为明显,后期随着养护龄期的增长,无侧限抗压强度增长速率较缓慢;石灰改良膨胀土的无侧限抗压强度值随着养护龄期的增加,一直保持近似直线形的增长趋势;粉煤灰改良膨胀土的无侧限抗压强度亦随着养护龄期的增长而呈直线增长,但其值小于石灰改良膨胀土;养护龄期对风化砂改良膨胀土的无侧限抗压强度影响很小。     

风化砂改良膨胀土对抗剪强度指标的影响研究

通过对比分析石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土对抗剪强度指标的影响,引入风化砂改良膨胀土对抗剪强度指标影响的研究.在膨胀土中掺入不同比例的风化砂,进行了直剪试验.结果表明:掺入风化砂能有效提高膨胀土的抗剪强度;粘聚力随着掺砂比例的增加而逐渐减小,内摩擦角则随着掺砂比例的增加先增大后减小.改变掺砂膨胀土的含水率,进行直剪试验,结果得出:同一掺砂比例下的粘聚力与内摩擦角均随着含水率的增加先增大后减小.掺入不同比例风化砂进行胀缩特性试验得出:掺风化砂能有效抑制膨胀土的膨胀性和收缩性,改良后的胀缩总率低于0.7％,能达到路基填料的标准.综合考虑掺砂比例和含水率对膨胀土抗剪强度指标的影响,可以得出:当掺砂比例为30％、含水率为10％时,掺砂膨胀土的抗剪强度指标达到最佳值.     

掺合料和水胶比对水泥基材料水化产物和力学性能的影响

掺合料和水胶比是影响混凝土性能发展的重要因素。该研究结合纯硅酸盐水泥和掺合料的水化反应机理,推导出复合水泥基材料的水化产物、理论最大掺量和孔隙率的计算公式,探究粉煤灰、钢渣和锂渣掺量对水化产物、孔隙率以及砂浆力学性能的影响,并推算出3种掺合料在混凝土中的理论最大掺量。结果表明:同掺量的粉煤灰、钢渣和锂渣掺入后,复合胶凝材料水化产物CH、CSH和总孔隙率较纯水泥砂浆要小;相比4种砂浆中水化产物而言,按水化产物CSH含量排序为水泥砂浆水泥-锂渣砂浆水泥-钢渣砂浆水泥-粉煤灰砂浆;按总孔隙率大小排序为水泥-钢渣砂浆水泥-粉煤灰砂浆水泥-锂渣砂浆水泥砂浆;按理论最大掺量值大小排序为粉煤灰锂渣钢渣。经砂浆力学性能测试发现:当掺量为20%时,水泥-锂渣砂浆后期的抗压强度优于纯水泥砂浆,若掺量再增加时,水泥-粉煤灰砂浆、水泥-锂渣砂浆和水泥-钢渣砂浆的力学性能均低于纯水泥砂浆。综合上述研究发现锂渣的活性较钢渣和粉煤灰要好,该研究可为掺合料在砂浆和混凝土中的使用提供参考。     

风积沙混凝土的抗冻性与冻融损伤机理分析

为探讨沙漠沙(又名风积沙)替代河砂对低温环境下混凝土的耐久性能影响,按照风积沙替代河砂质量的20%、40%、60%、80%、100%共设计了5种强度等级为C25的风积沙混凝土(aeolian sand concrete,ASC)。采用加速试验方法研究了风积沙混凝土在冻融条件下的损伤失效规律,借助环境电镜扫描(environmental scanning electron microscope,ESEM)、应变监测和核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等测试手段得到了风积沙混凝土的损伤机理。研究发现风积沙掺量80%以上的混凝土冻融次数超过200次,冻融损伤残余应变小,内部封闭小孔隙数量多对冻融损伤的抑制阻碍作用增强。结果表明风积沙混凝土的抗冻性能随着风积沙掺量的增加而提高,掺量为100%的风积沙混凝土的抗冻性最好。该研究可为风积沙混凝土大范围应用于寒区渠道衬砌及水利设施建设提供理论依据。     

混凝土膨胀剂(MEA)的试验研究

该文介绍了一种混凝土膨胀剂ＭＥＡ。试验结果表明,将占水泥重量８％～１２％的混凝土膨胀剂（ＭＥＡ）掺入水泥中制备成补偿收缩混凝土或砂浆,其膨胀稳定,强度、抗裂和抗渗性能良好,采用ＸＲＤ测试手段,研究了这种膨胀剂与水泥水化反应过程及其生成物。     

渠道衬砌抗渗型粉煤灰-稻壳混凝土抗渗性能试验

为了满足渠道衬砌的需要,提高稻壳混凝土的抗渗性能,在稻壳混凝土中加入了粉煤灰。该文通过试验对渠道衬砌抗渗型粉煤灰-稻壳混凝土的抗渗性能进行了研究,得到粉煤灰质量分数、稻壳质量分数和水灰比对粉煤灰稻壳混凝土抗渗性能的影响规律,同时得到了粉煤灰-稻壳混凝土相对渗透系数小于0.783×10-8 cm/s的混凝土配合比。通过对混凝土抗渗性能主效应分析得到混凝土抗渗性能的影响因素顺序：水灰比>稻壳质量分数>粉煤灰质量分数;粉煤灰-稻壳混凝土的相对渗透系数随着粉煤灰质量分数和稻壳质量分数的增大呈现出先减小后增大的抛物线的变化趋势,随着水灰比的增大呈现出一直增大的线性变化的规律。试验结果表明在不降低混凝土导热系数的前提下,在稻壳混凝土中掺入粉煤灰后确实能提高稻壳混凝土的抗渗性能。     

灌淤冻土复合衬砌渠道保温防冻胀效果分析

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题,该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构,建立渠道基土水热力耦合数值模型,通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明：与无保温衬砌结构相比,阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%,最大迁移含水率分别减少8%和9%,最大冻胀量分别减少80%和81%,基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点,可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合,说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。     

泥石流防治工程混凝土材料的抗冲磨性能

[目的] 开展在混凝土中复掺纳米二氧化硅、微硅粉、聚丙烯纤维等材料,增强工程耐磨性的试验研究,探讨复掺材料掺量变化影响抗冲磨强度的规律,旨在为泥石流防护工程建设中抗冲磨混凝土的配合比设计提供科学参考。[方法] 采用正交试验设计的水下钢球法对混凝土试件进行水下冲磨试验,得出了复掺纳米二氧化硅、微硅粉、聚丙烯纤维的混凝土试件的抗冲磨强度。[结果] 在选定的掺量范围内,混凝土试件的抗冲磨强度随纳米二氧化硅的增加先增大再减小,在掺量为1.5%时达到最大值;随微硅粉的增加而增大,在掺量为12%时达到最大值;随聚丙烯纤维的增加先减小再增大,在掺量为1.8 kg/m³时达到最大值;随着引气剂的增加先减小再增大,在掺量为0.005%时达到最大值。[结论] 影响混凝土抗冲磨性能最为显著的因素是纳米二氧化硅掺量,其次是聚丙烯纤维,再次是微硅粉,最后是引气剂。     

木质素纤维改良膨胀土的冻融特性及微观机理

高寒区复杂环境场是渠基膨胀土劣化的主要原因,渠基膨胀土改良是保障渠系工程安全运行的重要手段。为探索冻融循环下膨胀土的纤维改良效果,以北疆某引调水工程为背景,开展木质素纤维改良膨胀土的系列室内试验,探明冻融循环下改良膨胀土的体变特性、抗压强度特性、抗拉强度特性及其作用机理。结果表明：相较于未改良试样,冻融循环下改良试样的体积变化率减小了24%～37%;在15次冻融循环后,未改良试样抗剪强度衰减率在42.2%以上,而改良试样抗剪强度衰减率则显著低于29.1%;反复冻融作用并未显著影响试样的压应力-应变关系曲线特征,而是造成试样拉应力-应变关系由“线弹性增长-强化-软化”特征发展为“线弹性增长-软化”特征;木质素纤维的掺入可以有效改善冻融循环下膨胀土的体变特性、抗剪强度特性、抗压强度特性、抗拉强度特性,且当掺量和长度分别为2%和1 mm时,木质素纤维改良膨胀土冻融特性的作用效果最为显著。同时,冻融循环下改良试样内部结构损伤程度显著低于未改良试样,原因在于木质素纤维的存在限制了冻融循环下土颗粒间的错动、重分布,在一定程度上保证了膨胀土内部结构完整性。     

纤维改性再生骨料透水混凝土力学性能透水性和耐磨性研究

再生骨料透水混凝土是利用再生骨料制备透水混凝土,具备再生混凝土和透水混凝土的功能优势,但导致强度、耐磨性变差,故该文进行再生骨料透水混凝土改性研究。将聚丙烯纤维和碳纤维以不同的体积分数(其中聚丙烯纤维掺量分别为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%,碳纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)掺入再生透水混凝土中,采用WAW-1000电液伺服万能试验机测定力学强度,自制透水装置测定透水系数,洛杉矶磨耗试验机测定耐磨性,获取不同种类和掺量纤维对透水性、力学性能和耐磨性的影响。试验结果表明,聚丙烯纤维和碳纤维的掺入对混凝土的孔隙率和透水系数影响不大,但可提高强度和耐磨性。随着纤维掺量的增加,抗压强度和劈裂抗拉强度呈先增大后减少的趋势;质量损失率也先减少后增大趋势。经优化分析可知聚丙烯纤维最优掺量为0.6%,碳纤维最优掺量为0.4%。该成果可为纤维改性混凝土以及再生骨料透水混凝土的推广应用提供参考。     

灰分混凝土与钢筋粘结性能试验及粘结滑移本构模型研究

为建立适用于灰分混凝土与月牙纹钢筋的粘结-滑移（?-s）本构模型,将灰分等量替代水泥质量的0、5%、10%、15%掺入混凝土中,用以制备C20、C30、C40强度等级的灰分混凝土粘结试件。采用中心拔出的方法,获得灰分混凝土与月牙纹钢筋?1-s1曲线;在?1-s1曲线基础上,建立灰分混凝土与3种不同直径（12、16、20 mm）月牙纹钢筋?-s本构模型;并通过扫描电镜法从微观角度解释不同灰分掺量下灰分混凝土?1-s1曲线的变化原因;最后利用ABAQUS中的spring2单元对中心拔出试验进行仿真模拟以验证该文提出的?-s本构模型。试验结果表明：灰分混凝土与月牙纹钢筋的粘结破坏模式主要为混凝土劈裂破坏和拔出破坏,劈裂-拔出破坏仅出现在灰分掺量15%、混凝土设计强度等级C20、钢筋直径12 mm的粘结试件中;当灰分掺量为5%时,混凝土微观结构连续密实,粘结性能最优,灰分掺量增至15%,引起混凝土微观形貌由连续密实向疏松多孔转变,导致混凝土劈裂抗拉强度降低52%,灰分混凝土与月牙纹钢筋粘结性能相应减弱,?-s本构模型中形状参数也随掺量的改变而改变。该文提出的?-s本构模型曲线拟合决定系数为0.94,拟合曲线决定系数方差为0.001,相对于Harajli?-s本构模型拟合曲线决定系数方差0.002降低了50%,其拟合稳定程度优于Harajli?-s本构模型。     

冻融循环对不同比例风化砂改良膨胀土膨胀力的影响

[目的]研究风化砂改良膨胀土的膨胀力与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系,为风化砂改良膨胀土用作公路路基提供理论依据。[方法]在膨胀土中分别掺入0,10%,20%,30%,40%,50%的风化砂,在分别经过0,1,3,6,9,12次冻融循环后,在固结仪上进行膨胀力测试。[结果]风化砂的掺入可明显降低膨胀土的膨胀力;在相同的冻融循环次数下,风化砂改良膨胀土的膨胀力随掺砂比例的增大而减小,膨胀力降低的幅值随掺砂比例的增加亦逐渐减小;在相同的掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的膨胀力随冻融循环次数的增大而减小,膨胀力降低的幅值亦逐渐减小。当掺砂比例相同时,风化砂改良膨胀土的膨胀力与冻融循环次数的自然对数呈线性负相关关系。[结论]不同的冻融循环次数和不同的掺砂比例对膨胀土的膨胀力均有影响。     

煤矸石改良膨胀土特性及其最佳掺量条件下的孔隙结构表征

为减小膨胀土对土木工程设施及农业生态环境的危害,进行掺加煤矸石粉改良膨胀土的试验研究。该文以内蒙古兴和县高庙子乡的膨胀土和煤矸石为研究对象,通过无荷膨胀试验、有荷膨胀试验和收缩试验确定煤矸石粉的最佳掺量,对最佳煤矸石粉掺量的膨胀土进行干湿循环试验,利用直剪试验测定每次干湿循环后试件的抗剪强度指标;通过压汞试验测得孔隙特征值,从微观角度揭示强度变化机理。试验结果表明:煤矸石粉掺量为6%时抑制膨胀土的胀缩性效果最佳;干湿循环作用使素膨胀土黏聚力和内摩擦角均有所衰减,掺入煤矸石粉后强度衰减得到控制;随干湿循环次数的增加孔径逐渐向大孔范围聚集,团粒结构增多,使素膨胀土的抗剪强度指标降低;经过5次干湿循环,掺加煤矸石粉土样的大孔孔隙密度比素膨胀土降低约35%,煤矸石有效阻止膨胀土的强度劣化。     

人工降雨条件下施加粉煤灰对耕作土壤结构和水土流失的影响研究

利用人工模拟降雨试验，研究了0°～20°坡度下的耕作土壤施加0～10%的粉煤灰后，对土壤结构和入渗、产流、产沙的影响。研究结果表明：随农田耕作层中粉煤灰含量的增加，土壤入渗速率明显加快，含10%粉煤灰土壤的入渗速率，较对照(土壤不加粉煤灰)提高了55.34%；施加粉煤灰降低了土壤容重，增加了土壤孔隙度，含10%粉煤灰的土壤，在10°坡时的容重较对照减小了17.42%，而孔隙度提高了9.84%；坡面产流量和土壤流失量降低，含10%粉煤灰的土壤，在20°坡时的产流量仅为对照的26.87%。因此，施加10%的粉煤灰，可有效改善土壤结构和蓄水减沙，具有较高的实用价值。     

再生骨料透水混凝土强度及透水性能试验

利用再生废弃混凝土骨料制备透水混凝土是目前研究的热点和趋势,其中强度和透水性是其关注及目前亟待突破的关键性能。以废弃的预制混凝土梁构件为再生骨料来源制备透水混凝土,并以水胶比0.3,砂率10%为基准,设计6组配合比,并通过标准养护下的立方体试块试验,研究了单一因素下再生骨料透水混凝土的孔隙率、透水性及其强度性能,其范围分别为孔隙率17.8%~23.8%,渗透系数0.27~0.57 cm/s以及抗压强度4.0~9.63 MPa。结果表明,再生骨料透水混凝土基本性能够满足要求,其中内掺粉煤灰能大幅提高其抗压强度,提高约44%,外掺钢纤维提高透水性,掺入萘系高效减水剂及硅粉的效果不明显。此外,再生骨料透水混凝土的毛细吸水过程与普通混凝土类似,即前期吸水快,后期趋于平缓。     

秸秆灰混凝土力学性能试验及强度预测

为了优化混凝性能,减少水泥产业耗能,尝试采用以部分秸秆灰替代水泥制备混凝土。该文通过试验对油菜秸秆灰混凝土拉压性能进行了研究,得到秸秆灰质量分数和水胶比对秸秆灰混凝土拉压性能的影响规律,如当秸秆灰质量分数增大时,混凝土拉压性能呈下降趋势;当水胶比过大时,混凝土力学性能急剧下降。同时提出秸秆灰混凝土抗拉性能与抗压性能间的线性函数关系以及混凝土轴心抗压强度计算公式,并与其他混凝土抗压强度公式进行比对验证。采用小波神经网络的预测方法,引入随机函数,对试验数据抽样进行训练,而后预测数据并与试验数据进行比对,计算误差,并将预测数据用于该文提出的拉压公式进行验证,结果表明验证较好。最后试验结果表明:当秸秆灰替代掺量为10%时,秸秆灰混凝土劈裂抗拉强度下降了25%,抗压强度仅下降了8%;当替代掺量为20%时,抗压强度下降了31%。     

有机质浸染砂水泥土的力学特性及本构关系

为研究海南省海湾地区分布的有机质浸染砂水泥土的力学特性,该文首先对有机质浸染砂水泥土和标准砂水泥土进行无侧限抗压强度对比试验(采用配合比均为熟石灰掺入比7.5%、水泥掺入比20%、水灰比0.45),定量分析养护龄期对其无侧限抗压强度及试样破坏形式的影响。然后对有机质浸染砂水泥土进行单轴抗压试验,获得了水泥土材料的应力-应变全过程曲线、刚度变化规律以及改进邓肯-张本构模型。结果表明:1)有机质浸染砂水泥土试样的破坏类型为塑性剪切破坏和脆性剪切破坏;2)有机质浸染砂水泥土抗压强度随着养护龄期的增加基本呈指数形式增长,但在养护龄期14 d后,增长速度逐渐降低并趋于稳定;3)随着养护龄期增长,水泥土刚度增加。在加载初期,水泥土切线模量随着轴向应变增加而增大,呈现刚度硬化现象;4)基于单轴抗压试验得到应力-应变全过程曲线,可分为2个阶段:塑性阶段、软化阶段;5)通过对应力-应变全曲线的描述,得到了修正的邓肯-张模型,确定模型参数后,与实测数据对比发现,该修正模型可以模拟有机质浸染砂水泥土的应力-应变关系。