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低水胶比大掺量矿物掺合料水泥基材料的收缩及机理研究
中文名称: 低水胶比大掺量矿物掺合料水泥基材料的收缩及机理研究
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论文编号: 3117001收藏本论文】【我的收藏】【我要投稿
英文名称: Shrinkage and the Mechanism of the Cement-Based Material at Low Water to Binder Ratio Incorporating High Volume Mineral Admixtures
学位类型: 博士毕业论文
作者: 涉及隐私,隐去***  作者本人请参看权力声明>>
导师: 涉及隐私,隐去***
毕业学校: 涉及隐私,隐去***
专业: 结构工程
毕业年份: 涉及隐私,隐去***
关键字: 大掺量矿物掺合料 收缩 测试方法 毛细管张力 自养护 膨胀 矿物掺合料
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论文简介:收缩变形特性一直是水泥基材料性能研究中的关键技术问题之一,收缩引起的开裂已经成为当代混凝土工程界触目惊心的普遍现象。低水胶比高性能水泥基材料的发展,以及矿物掺合料深层次研制开发和可持续发展的社会需求,给传统的理论框架体系带来了困惑与挑战。在各种收缩的区分、测试方法、机理、数值模拟以及抑制方法上存在着的种种问题,严重制约了该领域的研究进展。矿物掺合料对收缩的影响规律及机理也存在着较大的争议。 本文的研究立足于低水胶比的大掺量矿物掺合料水泥基材料(Cement-based material atlow water to binder ratio incorporating high volume mineral admixtures,以下简称HMI_,WBM),针对上述问题应用现代测试技术,采用学科交叉的方法,研究分析各种收缩过程的热力学变化。采用宏观测试与微观分析相结合的研究方法,将理论与工程实践相结合,并借助现代的计算机数值技术进行了分析研究。 在总结现有的国内外关于各种收缩的定义及测试方法的基础之上,明确了几种收缩的定义,明确了自收缩与自干燥收缩、自收缩(表观体积的减小)与化学减缩(绝对体积的减小)定义的区别与联系。研制了一种新的早龄期自收缩自动化测试系统,采用非接触传感器和立式测量方式,对水泥基材及混凝土的自收缩实现了分阶段、全过程的自动测试,使得自收缩的测量初始时间可以提早到浇筑成型后即开始。该系统有效避免了模具的约束和外界震动的干扰,测试过程中毋须拆模及搬动试件,实现了数据的自动化采集及分析。试验结果与定义相符,长期测试结果稳定可靠,试验结果具有很好的重复性。 采用新的测试手段和方法,对HMIWBM的收缩变形行为进行了分阶段、全过程的分析,研究了矿粉和I级粉煤灰对自收缩及干燥收缩的影响规律。粉煤灰的大量掺入对于自收缩具有明显的抑制作用,并随掺量的增加效果更加明显;但是增加了干燥收缩,尤其是干燥初期的收缩,随着粉煤灰掺量继续加大(从30﹪增加至50﹪),增加干缩的程度减小。比表面积为439m<'2>/kg的矿粉大量替代水泥后,明显增加了硬化混凝土的自干燥收缩,随着掺量的增加而更加显著;在50﹪掺量以内干缩随矿粉掺量增加而减小,继续增加掺量干缩加大。粉煤灰与矿粉复掺可以在较大的掺量下综合抑制其自收缩与干燥条件下的失水收缩,是提高大掺量矿物掺合料高性能水泥基材料收缩体积稳定性的重要技术途径。同时,研究表明HML,WBM的收缩发展符合s(f)=ε<,∞>(1-Ae<'at>+Be<,bt>)的规律。 总结相关文献资料,对已有的收缩数学模型进行了分析与比较,从热力学角度探讨了毛细管张力理论模型存在的问题,并对毛细管负压的作用面积系数进行了修正。通过对自干燥收缩过程的热力学分析,证明了自干燥收缩的机理是化学减缩,而不是自干燥(或者说通常意义的蒸发)。在此基础之上建立了基于机理的自收缩预测模型。通过对扩散方程在时间域和空间域上的离散,并采用有限差分法,结合孔径分布模型,实现了对水泥石水分迁移的数值模拟。同时结合改进后的毛细管张力理论,建立了基于机理的水泥石干缩预测模型。根据复合材料特性,建立了普通集料混凝土的干缩和自收缩的数学模型。在所建立的模型的基础之上,讨论了白干燥收缩和干燥收缩之间对立统一的辩证关系,对密封及干燥条件下HMLWBM内部水分迁移和消耗的规律进行了较系统的研究。借鉴土壤物理学中水势的概念,研制开发了早龄期毛细管副压测试系统,提出了新的自干燥收缩的“time-zero”的确定方法。它不仅直接与自干燥收缩的定义相符,而且实现了对HMLWBM最早期(成型至终凝后几个小时内)毛细管网络结构的形成及水分消耗规律的定量研究。采用相对湿度的测试手段对HMLWBM硬化水泥浆长龄期的内部相对湿度进行了试验研究和数值分析。 采用连续称重的方式研究了HMLWBM干燥条件下水分蒸发的规律;采用压汞试验研究了HMI.WBM浆体的孔结构的演变规律,并采用Weilbull分布函数实现了孔结构的模拟;采用选择性溶解的方法研究了HMLWBM中废渣的水化;通过理论计算和实测相结合的方法研究了矿物掺合料水化的化学减缩;采用动弹性模量研究了HMLWBM的弹性模量的演变规律。在以上宏观和微观试验的基础之上,结合计算机数值分析技术,运用Visual C++语言编制了专门的程序,验证了所建立的模型。根据所建立的理论模型,对粉煤灰和矿粉对各种收缩的正负效应进行了讨论。 对掺膨胀剂和减缩剂对HMLWBM变形行为的影响分别进行了分阶段、全过程的研究。在此基础之上,提出了发气与钙矾石膨胀剂双掺的技术途径。研究了双掺技术对HMLWBM变形行为的影响,并将其成功应用于工程实践。从材料的角度有效解决了后张有粘结预应力混凝土结构灌浆材料以及系杆拱桥混凝土这一类水泥基材料的体积稳定性,保障了工程质量。 在建立收缩模型的基础上,提出了物理自养护与膨胀剂相结合的新技术途径,并对其应用于HMLWBM进行了系统的试验研究。结果表明,它显著增加了掺膨胀剂水泥砂浆的自膨胀值,延长了自膨胀的发展时间,大大降低了后期自收缩的趋势。
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