矿物掺合料对混凝土疲劳性能的影响及机理

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1、摘要作为矿物掺合料的粉煤灰、矿渣等工业副产品在混凝土材料中的应用除了减少能源、资源消耗及生产成本外，还减轻粉煤灰、矿渣的排放对环境带来的负荷，这不仅有利于水泥混凝土工业的可持续发展，而且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，粉煤灰、矿渣在混凝土材料中得到了广泛应用。使用矿物掺合料的混凝土不可避免地应用于各种承受重复性荷载作用的结构中，如承受交通荷载作用的机场道面、公路的路面及桥梁的路面结构，承受波浪荷载的海洋、海岸结构等。因而，研究矿物掺合料对混凝土材料疲劳性能的影响具有重要的理论价值和实践意

2、义。为此，本文研究了磨细矿渣、粉煤灰在不同掺量情况下对混凝土疲劳性能的影响规律；在分析混凝土疲劳损伤机理的基础上，建立数学模型描述混凝土基体和界面过渡区对疲劳性能的影响{通过分析矿渣、粉煤灰对混凝土材料组成、结构的影响，研究了组成、结构参数与疲劳性能之间的定量关系及矿物掺合料对疲劳性能的影响机理：提出了以改善混凝土材料疲劳性能为目的的矿物掺合料的使用原则，并就大掺量矿物掺合料条件下配合比关键参数一水胶比的设计进行了研究。矿物掺合料对混凝±疲劳性能的影响测试了6配合比混凝土的抗弯疲劳性能(三分点加载，试件尺寸100mm×IOOmmX400ram)，其中基准混凝土的砂

3、率为38％，水泥用量为480kg／m3，水灰比O．35。在此基础上，固定砂率与水胶比，粉煤灰按30％，50％的质量分数，矿渣按30％，50％，80％的质量分数等量取代水泥。疲劳试验参数为：应力水平诹0．90、O．85、0．80，O．75、0．70、O．65共6级，荷载循环特征系数月=0．i，加载频率在应力水平S>0．75时为2-3Hz，S≤O．75时为10Hz．试验结果表明：疲劳寿命随矿物掺合料掺量的变化趋势与应力水平贿关。当S≤O．80时，疲劳寿命Ⅳ随矿物掺合料掺量的增加而增加；当S>0．80时，疲劳寿命随矿物掺合料掺量的增加而下降。根据疲劳方程计算得到各配合比

4、混凝土疲劳寿命N--2×106时的抗弯疲劳强度折减系数在0．624～0．691之间。而且疲劳强度折减系数具有随矿物掺合料掺量的增加而提高的趋势，大掺量矿物掺合料混凝土的疲劳强度折减系数显著增大。矿物掺合料掺量较低时，应力水平鸡疲劳寿命的对数值lgⅣ基本上呈现良好线性关系。但当矿渣掺量达到80％，粉煤灰掺量达到50％时，在擘司．85与S=0．80之间的线段斜率明显不同。使整个连线出现了一个平缓的台阶。在同一级应力水平下，疲劳寿命近似服从两参数威布尔分布，建立了基于两参数威布尔分布的概率疲劳方程，95％保证概率下各配合比混凝土的抗弯疲劳强度折减系数在O．518～0．6

5、48之间。不同矿物掺合料掺量混凝土的娶Ⅳ方程及S-P-N方程为相关的工程设计提供了依据。矿物掺合科对混凝土疲劳性能的影响机理根据低周高幅、高周低幅疲劳荷载作用下混凝土材料疲劳破坏机制及损伤发展过程的不同，相应地将IgN<_3所对应的低周疲劳区域定义为基体开裂控制区(matrixcrackingdominantregion)：lg^皂4所对应的高周疲劳区定义为界面开裂控制区(bondcrackingdominantregion)：而3

6、onregion)。为定量描述基体、界面与疲劳性能之间的关系，引入了基体和界面过渡区对材料疲劳性能的影响因子五、正，提出了描述与基体、界面区过渡区结构有关的基体性质及界面过渡区性质对疲劳性能影响的指数肘和，，并推导了数学模型描述^、五随lgⅣ的变化趋势，分析了矗^，曲线产生两种类型的非线性现象的原因及条件。在单对数线性疲劳方程的基础上建立了考虑基体和界面性质影响的疲劳方程，即S=A一{i-i0(IgN)+M。【l一,9(19N)]}lgN·{(中口(，)=1／11+P一“’‘’1。为研究材料组成、结构与疲劳损伤规律之间的内在联系，本文采用选择性溶荆溶解法测定了矿物

7、掺合料的反应程度，采用DSC．1．G测试了矿物掺合料掺量不同的浆体中非蒸发水及Ca(OH)2数量，应用MIP技术得到了不同矿物掺合料掺量浆体的孔隙率和孔径分布，采用SEM观察了混凝土中界面过渡区的结构并应用EDXA的线扫描功能研究了Ca和si在基体和界面中的分布，应用纳米压痕技术(∞no．ind∞tation)测试了不同矿物掺合料掺量混凝土中真实界面过渡区的弹性模量和纳米压痕硬度的分布。对试验结果的分析表明：矿物掺合料对体系非蒸发水量的影响取决于其对非蒸发水量的正、负效应的叠加，矿物掺合料对体系中非蒸发水量的影响导致孔隙率的变化，进而引起基体结构、性质的变化，对材

8、料的疲劳性