原材料强度（精选十篇）
原材料强度 篇1
1 水泥对混凝土强度的影响
巴基斯坦KKH项目混凝土使用的水泥主要为Askari和Fauji两个品牌的32.5普通硅酸盐水泥和Pak品牌的42.5普通硅酸盐水泥。Askari和Fauji水泥主要用来施工C30以下的各类混凝土和水泥砂浆。Pak水泥主要用来施工C40、C50等混凝土。
(1) 水泥细度对水泥品质的影响:细度是指水泥颗粒总体的粗细程度。国家规范对水泥细度提出的要求是通过80μm方孔筛筛余不得超过10%。下面通过对比Askari和Fauji的细度试验讨论水泥胶砂强度与细度的关系。试验结果如下:
经过负压筛法试验检测Askari水泥细度均值3.4%, 水泥胶砂抗折强度3天4.0Mpa, 28天7.5Mpa。抗压强度3天22.3Mpa, 28天46.5Mpa。
经过负压筛法试验检测fauji水泥细度均值3.0%, 水泥胶砂抗折强度3天4.6Mpa, 28天7.7Mpa。抗压强度3天25.3Mpa, 28天48.5Mpa。
结论:Askari水泥比Fauji水泥更细, 强度更高, 因为水泥颗粒越细, 与水发生反应的表面积越大, 因而水化反应速度较快, 而且较完全, 早期强度也越高。但必须注意, 水泥细度过细, 比表面积过大, 小于3微米的颗粒太多, 水泥的需水量就偏大, 将使硬化水泥浆体因水分过多引起孔隙率增加而降低强度。同时, 水泥细度过细, 亦将影响水泥的其它性能, 如储存期水泥活性下降较快, 水泥的需水性较大, 水泥制品的收缩增大, 抗冻性降低等。另外, 水泥过细将显著影响水泥磨的性能发挥, 使产量降低, 电耗增高。所以, 生产中必须合理控制水泥细度, 使水泥具有合理的颗粒级配。
(2) 水泥强度在混凝土强度中起决定性因素, 同等条件下混凝土强度随着水泥强度的提高而提高。
2 粗骨料对混凝土强度的影响
粒径在5mm以上的岩石颗粒称为粗骨料。现分析如下:
(1) 最大粒径。石子的粒径越大, 其比表面积相应减小, 因此所需的水泥浆量相应减少, 在一定的和易性和水泥用量的条件下, 则能减少用水量而提高混凝土强度, 从这个意义上说, 石子的粒径应尽量选用大一些的。但并不是粒径越大越好, 一是粒径越大, 颗粒内部缺陷存在的机率越大;二是粒径越大, 颗粒在混凝土拌合中下沉速度越快, 造成混凝土内颗粒分布不均匀, 进而使硬化后的混凝土强度降低, 特别是流动性较大的泵送混凝土更加明显。在普通混凝土中, 碎石的最大粒径是根据构件的截面尺寸和钢筋间距来确定, 粒径的大小对强度影响不大。但也不是说粒径越小越好, 粒径太小, 使得石子的比表面积增加, 空隙率增大, 势必要增加水泥用量, 提高成本, 否则会影响混凝土的强度。同时, 粒径越小加工时粘附在石子表面上的粉尘越多, 给施工冲洗带来困难, 一旦冲洗不干净, 则会大大削弱骨料界面的粘结力, 进而降低混凝土的强度。
(2) 颗粒级配。级配对混凝土的和易性、经济性有很大影响, 直接影响到混凝土的强度、抗渗、耐久性。较好的骨料级配应当是:空隙率小, 以减少水泥用量并保证密实度;总表面积小, 以减少湿润骨料表面的需水量;有少量的细颗粒以满足和易性的要求。石子的级配有两种:即连续级配和间断级配。关于级配对混凝土的影响, 我们做了实验, 分别为连续级配和非连续级配。从试验得出结论, 连续级配和间断级配均对混凝土的性能有较大的影响。颗粒级配越好, 空隙率越小。混凝土强度会随之提高。
(3) 表面特征和颗粒形状。一般情况下, 卵石表面光滑, 少棱角, 空隙与表面积较小, 拌制混凝土时用水泥量较少, 和易性较好, 但与水泥浆的粘结力较差;碎石颗粒粗糙有棱角, 空隙率和总表面积大, 与卵石混凝土比较, 碎石混凝土所需水泥浆较多, 但与水泥浆的粘结力较强.所以在同样条件下, 碎石混凝土强度高, 故配制高强混凝土宜用碎石.碎石的颗粒形状以接近球形或立方体形为优, 以针状、片状颗粒为差。
(4) 强度。KKH项目采用的粗骨料是由天然卵石破碎生产, 有很高的强度, 即使是经强烈风化的低强度花岗岩, 其岩石抗压强度也可达80~100MPa, 因此在普通混凝土中, 碎石的强度对混凝土强度的影响不大, 但对高强混凝土则大不相同。高强混凝土的水胶比较小, 水泥砂浆构成的水泥强度较高, 所以要求碎石的强度也要相应提高。在工程中, 一般衡量粗骨料强度大都采用压碎指标。混凝土强度等级为C60级以上时应进行岩石抗压强度检验, 其他情况下如有怀疑或认为有必要时也可进行岩石的抗压强度检验。
综上所述, 碎石的最大粒径对普通混凝土的性能影响不大, 对高性能混凝土有显著影响, 我国现行规范规定为不超过31.5mm, 通常取20~25mm。颗粒级配对混凝土的性能有很大影响, 粗骨料级配后的空隙率应不大于44%。表面特征以表面粗糙为好, 颗粒形状以接近多面体为优。
3 细集料对混凝土强度的影响
针对巴基斯坦KKH项目实际情况, 混凝土施工所用细集料主要为干净的河砂, 其级配和含泥量是影响混凝土强度的主要因素:
(1) 砂的级配。混凝土工程建议选用细度模数2.3-3.0的中砂, 中砂相对于细砂能够减少混凝土同等塌落度的用水量, 从而减少水灰比, 增加混凝土强度。对比试验如下:
(1) 用细砂 (细度模数0.993) 试配塌落度为15cm的C30混凝土:水灰比:0.48, 28天强度均值为29Mpa。
(2) 用中砂 (细度模数2.518) 试配C30混凝土:水灰比:0.43, 28天强度均值为34Mpa。
得出结论:为达到同等坍落度, 中砂比细砂需水量小, 水灰比小, 强度大。
(2) 砂的含泥量:配制C30及C30以上混凝土要求含泥量小于等于3%。配制C30以下混凝土要求含泥量小于等于5%。
(3) 砂率:砂率越小, 混凝土的抗压强度越高, 但流动性较差。反之混凝土的抗压强度越低, 但流动性好。
4 结束语
混凝土强度影响因素众多, 本文根据理论分析和巴基斯坦KKH项目施工实践经验, , 并结合试验数据较为全面的分析了原材料因素对混凝土强度的影响。希望此文章能为混凝土结构的设计、施工及试验分析提供一些思路。
参考文献
[1]郭志明.浅谈影响普通混凝土强度的因素及对策[J].江汉.石油职工大学学报, 2004.17 (2) :46248.
高强度螺栓材料保管 篇2
1技术要求
1）高强度螺栓应满足以下规范要求：
高强度螺栓技术指标均要满足ASTM A325的钢结构螺栓的牌号和类型、ASTM F436硬化钢垫圈规格、ASTM A 563螺母的相关要求。
2）螺栓的几何形状除满足ASTM A325和ASTM A307的标准外，也应符合ANSI中B18.2.1的要求。螺母除满足ASTMA 563的标准外，也应符合ANSI中B18.2.2中的要求。
3)供应商对高强度螺栓、螺母、垫圈和紧固组件的其他零件进行认证，以确保将要使用的螺栓是可识别的，并符合ASTM规格的适用要求，高强度螺栓由生产厂按批配套供货，生产厂须按批提供产品质量保证书。
4)供应商必须提供上了润滑油的、且用所提供的高强度螺栓测试过的螺母。
2螺栓的保管
1）高强度螺栓在运输、保管过程中要防雨、防潮、密封，并要轻装、轻卸，防止损伤螺纹。
2）高强度螺栓进场后，要按规定进行检验。检验合格后方可入库存放，用于生产。
3）每批高强度螺栓应有出厂合格证，螺栓入库前应对每批螺栓抽样检验，高强度螺栓入库时应检查厂家、数量、牌号、类型、规格等，且按照批号、规格（标明其长度和直径）成套分类存放，存放时做好防潮、防尘工作，为防止锈蚀和表面状况改变，严禁露天存放。
4)高强度螺栓要按包装箱上注明的批号、规格分类保管，室内架空存放，堆放不宜超过五层。保管期内不得任意开箱，防止生锈和沾染污物。
5)在安装地点，螺栓应置于密封的容器内，以避免灰尘和潮湿的影响。有积锈和积尘的螺栓不得在施工中采用，除非它们按ASTM F1852的标准再确认
3螺栓的领用
车间应根据施工图纸上螺栓的型号、规格、等级、数量、螺栓使用部位等开具《材料领用单》，物质部凭《材料领用单》发货，一旦在检验中发现螺栓材
PS-F系列灌浆材料的强度特性 篇3
内容摘要：先用超声波无损检测、再用抗折试验和单轴无侧限抗压试验相结合的有损检测法，分别表征不同龄期的PS-F系列灌浆材料在逐步失水条件下的强度特征。随着充填于PS-F系列灌浆材料孔隙中液态水不断散失，固态骨粒间的PS无机胶粘剂的强度逐渐增长，因此，浆液结石体的超声波速值出现有规律的起伏，给出不同龄期的PS-F系列灌浆材料在初期强度小范围波动的条件下超声波速与失水率之间的关系，在失水率基本相同的条件下超声波速与强度之间的关系。另一方面，通过回归拟合的数学方法，试图建立不同龄期PS-F系列灌浆材料的抗折强度和单轴无侧限抗压强度之间的函数关系。
关键词：PS-F；灌浆材料；超声波；强度；失水率
中图分类号：K854.3文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0026-04
一引言
以最佳模数和浓度的PS(Potassium Silicate硅酸钾)为主剂、以粉煤灰(F)为填充剂、以氟硅酸钠为固化剂而研制成的PS-F灌浆材料在砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆加固中已有广泛的应用。在西藏空鼓病害壁画的灌浆加固研究中，为了增加灌浆材料与被加固主体在物质成分上的相似性，根据壁画地仗层制作工艺的不同，在PS-F灌浆材料的基础上再分别掺入占粉煤灰质量一定比例的阿嘎土(A)、巴嘎土(B)和白土(W)，由此配制成PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)一系列衍生灌浆材料。本文中所指的PS-F系列灌浆材料是包括PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)在内的四种基于PS和F的灌浆材料。
研究PS-F系列灌浆材料的性能，从粉煤灰的化学 成分、矿物成分和基本物理性质入手，在测定PS-F浆液结石体的主要物理性质后，联合使用超声波速、抗折强度和抗压强度等三重指标来研究龄期、固化温度、PS浓度、PS模数、水灰比、固化剂掺量和粉煤灰除碳等因素对PS-F浆液结石体强度的影响，并研究了PS-F浆液结石体的安定性、水软化特点、耐碱性、耐冻融性以及收缩变形性等特性。当制备PS-F灌浆材料所用粉煤灰的品质有了显著提高之后，PS-F灌浆材料的物理力学性能得到了改善。在研究PS-F系列灌浆材料性能的过程中，积累了大量的关于浆液结石体失水率、超声波速、抗折强度和单轴无侧限抗压强度等方面的宝贵数据。因此，如果能够在这些直接测定量之间建立可信的数学关系，PS-F系列灌浆材料的物理力学性能就可以用更少的参量来表示。这意味着今后再进行这方面的实验研究时，就可以减少需要直接测试的物理量，节省工作量。
二PS-F系列灌浆材料的制备
PS主剂的模数和浓度直接影响PS材料加固干旱区土建筑遗址的效果，PS-F系列灌浆材料的性能也明显受制于PS主剂的模数和浓度，按照一系列的筛选标准，适用于西藏空鼓病害壁画灌浆加固材料的PS主剂的最佳模数为3.80，最佳质量百分比浓度为10％①。实验中所用的PS主剂由甘肃省文物保护修复中心提供，根据溶质守恒定律，用高模低浓的PS(模数M=4.15、浓度C=21.82％)、低模高浓的PS(模数M=3.59、浓度C=34.83％)以及蒸馏水配得中等模数(3.59≤M≤4.15，取M=3.80)和任意浓度的PS主剂。
粉煤灰由唐山陡河电厂供应，阿嘎土和巴嘎土由北京凯莱斯(CANNEX)建筑技术有限责任公司提供，白土产自西藏日喀则地区萨迦县附近。对粉煤灰、阿嘎土、巴嘎土和白土的物理化学性质已做过较为系统的研究，四种填充材料的质量较为稳定。PS-F灌浆材料中的填充剂全部是粉煤灰，PS-(F+A)灌浆材料中粉煤灰和阿嘎土的质量之比为4:1，PS-(F+B)灌浆材料中粉煤灰和巴嘎土的质量之比也是4:1，PS-(F+W)灌浆材料中的填充剂按粉煤灰和白土的质量比为3:2组成。
固化剂的质量占PS-F系列浆液中PS水溶液质量的1.5％。
由于实验中4种填充材料的液限值不同，在水灰比相同的条件下，四种PS-F系列浆液的和易性与流动度也会各异。在保证可灌性的前提下，PS-F系列浆液的水灰比取最小值时，浆液结石体的性能最佳。因此，确定实验中PS-F、PS-(F+A)和PSV(F+B)等三种浆液的最佳水灰比为0.55，PS-(F+W)浆液的水灰比取值为0.60。现场施工过程中，可以根据具体的实际情况，水灰比可以在设计值上下略有浮动。
三PS-F系列灌浆材料的强度
1.试验方法
PS-F系列浆液在尺寸为40mm×40mm×160mm的铁模内浇筑成型后，将浆液连同试模一并转入相对密闭的恒湿箱，24小时后对浆液结石体脱模，然后再将成型后的PS-F系列浆液结石体置于恒湿箱内养护。
根据PS-F系列浆液结石体在脱模后和测试前质量来计算失水率，称量精确至0.1g。
采用超声脉冲法对PS-F系列灌浆材料进行无损检测，RSM-SY5声波仪由中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器研究室制造，仪器发射探头的频率为50kHz，接收探头的频率也为50kHz，采样间隔为1μs②。
微机万能材料试验机由深圳瑞格尔(REGER)仪器有限公司制造，负荷传感器的量程为10kN，精度为0.01N，绝对位移传感器的量程为750mm，精度0.001mm。采用应变控制式并参考《水泥胶砂强度ISO检验方法》(GB/T 17671—1999)进行PS-F系列浆液结石体的抗折和单轴无侧限抗压强度试验，抗折试验时的位移速率为3.6 mm/s，抗压试验时的位移速率为7.2 mm/s。
2.超声波速与失水率的关系
超声波在20℃淡水中的传播速度约为1519.4 m/s，PS-F系列灌浆材料中的超声波速同时受浆液结石体失水率和强度的影响。为了减小PS-F系列浆液结石体强度的增长对超声波速的贡献，实验选取3天、5天和7天龄期PS-F系列浆液结石体的失水率(Pw)和超声波速(Vp)进行数据统计分析(图1)。因为当水灰比约0.55时，在相对封闭的养护条件下，PS-F系列浆液结石体在7天之内的含水率仍高达45％左右，而失水率却小于5％，浆液结石体的固化程度较低，因此灌浆材料的强度较低①。
从图1可知，当PS-F系列浆液结石体的失水率较小时，灌浆材料的超声波速的分布较为集中，最小值为0.941 km/s，最大值为1.463 km/s。经分组统计分析，PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS(F-w)四种灌浆材料的平均超声波速值分别为1.317、1.210、1.307和1.200 km/s，相互比较接近。
3.超声波速与强度的关系
分析超声波速与抗压强度之间的关系，先要排除PS-F系列灌浆材料孔隙中非饱和水分对超声波速的干扰，因此，选择28天龄期PS-F系列灌浆材料的波速值和单轴无侧限强度(RC)值进行分析(图2)。因为当PS-F系列浆液结石体的失水率大于30％的时候，结石体已接近最大失水率，基本处于自然干燥状态，浆液结石体彻底固化，其强度达到峰值(图3)。
图2中，虽然PS-F系列灌浆材料的单轴无侧限抗压强度从1.053MPa增至2.090MPa，但PS-F系列浆液结石体的超声波速值仍较为集中，最小值为1.129km/s，极大值为1.472km/s，统计平均值为1.253km/s，与PS-F系列浆液结石体在低失水率时的超声波值较接近。这充分说明，PS-F系列灌浆材料的超声波指标与单轴无侧限抗压强度之间的一对一映射关系较差，测得某一灌浆材料的超声波速后，不能精准地求解出对应的抗压强度。
4.抗折强度与抗压强度的关系
PS-F系列灌浆材料的单轴无侧限抗压强度是在抗折强度的基础上进行的，假如能够凭借经验公式，根据抗折强度计算出抗压强度，那么就可以不用进行破坏性单轴无侧限抗压强度试验。选取28天龄期PS-F系列灌浆材料的抗折强度(Rf)和单轴无侧限抗压强度进行数据相关性分析(图4)。
如图3所示，摒除个别极值后，回归拟合四种PS-F系列灌浆材料单轴无侧限抗压强度和抗折强度的关系，可得经验公式：
Rc-2.546×(1-e-1.67535Rf)(1)
式中，Rc为PS-F系列灌浆材料的单轴无侧限抗压强度，MP；Rf为PS-F系列灌浆材料的抗折强度，MPa。
四结论
PS-F系列浆液结石体在固化初期基本上处于饱水(Pw≤5)状态，超声波速约为1.26km/s。随着浆液结石体不断失水，在非饱和(5≤Pw≤30)状态下，PS-F系列灌浆材料的超声波速值有降低的趋势，但与此同时，浆液结石体的强度逐步增长，超声波速值又趋于上升，两者综合的结果是PS-F系列灌浆材料的超声波速值降低，通常小于1km/s。当浆液结石体基本干燥(30≤Pw)后，PS-F系列灌浆材料的强度迅速提高，超声波速达到1.25 km/s。
PS-F系列灌浆材料的超声波速值可以清晰辨别浆液结石体是否处于近饱水状态或临于干燥状态，但无法根据超声波速指标确切估计PS-F系列浆液结石体的强度。
脆性材料强度理论的数值教学 篇4
《材料力学》课程很重要的一个任务是教会学生认识材料的力学性质。材料的宏观力学性质有两个基本方面——输运和崩溃。材料的输运性质是指材料受力后传递力学作用的性质,用结构刚度表示。崩溃性质是指材料不再保持原有的细观结构,是输运性质的终止,通常表示输运性质的极限值,用强度表示。材料力学将主要内容都用于材料输运性质即构件受力后的应力和变形,但是对其崩溃性质关心不足。工程结构发生的灾害都是材料崩溃性质的表现,如钢结构屈曲溃塌、混凝土梁柱的破坏、岩石顶板的断裂等,给工程进展和生命财产带来巨大的损失。教材中对于崩溃性质关注不足,可能与材料强度理论的复杂性有关,正如俞宏茂[1]指出,强度理论的现状是百花齐放,百家争鸣的局面,仍在不断地前进和完善之中。
本文主要讨论脆性材料强度理论的教学问题。关于强度理论,教材中指出脆性材料破坏适用第一和第二强度理论,即最大拉应力和最大拉应变理论。最大拉应力理论在解释试件单轴受压时,难以直接反映材料损伤断裂的物理实质,所以,对于脆性材料而言,第一强度理论已经很少使用。实际上,变形和破坏属于同样性质的物理概念,破坏是变形的不连续。用应变表示变形,用应变的阈值标注破坏是合情合理的事情。所以,对于脆性材料而言,第二强度理论更合适。
经过上述说明,对于脆性材料的最大拉应变理论是可以接受的。下面的主要问题是,如何用该强度理论来解释脆性材料的单轴拉伸以及压缩试验现象。铸铁试件的拉伸破坏,很容易用最大拉应变理论来解释,因为试件的最大应变方向与断裂方向是一致的。对于铸铁单轴压缩试验,试件的最大主应变方向是沿径向变粗膨胀,而表现出的破坏现象是裂隙沿着与最大主应变方向呈大约45°的斜面扩展破坏。这种现象给学生造成的印象是,铸铁试件是剪切破坏,所以产生的迷惑是,明明是剪切破坏,为何用最大拉应变理论来解释破坏,脆性材料试件破坏的物理实质究竟是什么。
为了搞清楚上述问题,本文认为应该从以下几个方面向学生讲述:
1)明确材料点与试件之间关系是单体与系统的关系,系统的性质是单体性质的集体行为;
2)单体破坏的理论即教材中的强度理论,教材中必须明确这一点;单体行为可以很简单;
3)试件即系统的行为可以很复杂,与材料的颗粒大小、力学性质、试件的大小等有关系。描述试件(系统)的破坏,是一个跨尺度、跨层次的力学问题,是固体力学的重要前沿方向之一,目前理论上尚不统一。
本文在上述思想的基础上,用数值方法演示脆性非均质材料制成的试件,在单轴拉伸和单轴压缩作用下的断裂过程。为便于观察,试件做成二维平面板。
众所周知,脆性试件的断裂非常快,一般的实验设备无法记录断裂过程的应力应变曲线,更无法观察到实验过程中裂隙的发展过程。这对于理解构件的破坏失效过程以及工程灾害的孕育发生是一种遗憾。计算机和现代计算技术的发展已经为我们在数值上实现这一过程提供了可能。
数值模拟的方法是,首先定义单体的强度准则,采用第二强度理论即最大拉应变理论来作为单元破坏的准则,并且通过单元之间的强相互作用,将一个单元的破坏效应传播给其他的软弱单元,这样,试件的破坏区以自组织的方式自动形成,非常形象地再现了构件的破坏过程。数值程序是根据弹性理论原理来自编的。
2 岩石板的几何模型和数值模型
岩石算是比较典型的脆性材料,用它做实验,学生都能够想象到它的破坏形态,以便于与脆性材料的破坏特征进行对比,教材中的脆性材料是铸铁。当然,在本文中,同学们也可以将岩石板想象成铸铁板。
近年来的材料细观研究表明,无论是岩石还是铸铁,它们都拥有脆性材料所具有的结构特征,即颗粒大,且不均质。因此,数值模拟试件的破坏过程,就必须定义出不均质的材料属性,这可以在程序中通过蒙特卡罗技术生成满足一定概率分布的随机数,赋值材料点中,通常脆性材料点的非均质性满足Weibull分布[2]。
图1是岩石板的几何模型和数值模型,其中数值模型采用近年来的细观Lattice有限元模型,每一个格点的意义是一个材料点,可见各点大小取值不是任意的,而是能够代表这种材料的细观结构尺度,否则,所做的实验结果就没有了物理意义上的限制了。
3 破坏区斑图生长的数值模拟原理
宏观试件破坏是由大量材料点的不可逆自组织演化形成,其原理包括下述内容。
对于试件而言,材料点的破坏称作试件损伤,有时也称为细观损伤,它的物理意义是材料点发生破裂。最大拉应变理论可以解释脆性材料的细观破坏机制,被许多文献和力学家用于解释脆性结构失稳破坏机制[3]。
在某个加载阶段,单元损伤、破裂,承载能力降低,引起试件内部应力重新分配,必然使损伤区周围应力升高,又会引起新的单元损伤、破裂。这是损伤斑图和应力斑图相互耦合,此消彼长的过程。在数值模拟中,通过非平衡迭代,进行应力重新分配。为了模拟真实的承载过程,可以采用自适应位移加载方案。限于篇幅,该部分内容不再介绍。
4 数值模拟结果
4.1 单轴拉伸破坏
下面是依照上述原理的数值模拟结果。可以很清楚地看到一块完整的岩石板在准静态的加压作用下,裂隙一步步扩展,最后形成宏观大断裂,如图2所示。
其过程可以描述如下:
1)微裂隙成核,它们在板内大致随机分布;
2)微裂隙长大,仍然具有分布出现特征;
3)长大的微裂隙连接在一起,形成裂隙网格,裂隙开始趋于集中生成;
4)裂隙的贯通,裂隙网格在某一点沟通,则必有一条裂隙贯通整个承载面,则试件完全破坏失效。
图3是拉伸过程的应力—应变曲线,用虚线表示,实线表示试件破裂过程中的每一步加载的破裂数。
图中显示,拉伸承载力在峰值强度后有几个跌落平台,并非像我们所想象的,应力迅速跌落为零。那是由于实验仪器不能很好地控制峰值后的加载速度,导致了试件的动力学失稳。破裂数在动力学监测中又称为声发射数,通过声发射数监测可以判断试件断裂的发展状态。在峰值附近声发射数达到高潮,峰值后试件几乎完全断裂时,声发射呈现稀疏,阵发特征,预示灾变即将发生,这一规律目前在工程动力灾害监测中得到应用。
4.2 单轴压缩破坏
用同样的程序模拟非均质岩石板在单轴压缩作用下的破坏过程,其结果如图4所示。可以很清楚地看到一块完整的岩石板在准静态的加压作用下,裂隙一步步扩展,最后形成宏观大断裂。其过程可以描述如下:
1)微裂隙成核,它们在板内大致随机分布;
2)微裂隙长大,仍然具有分布出现特征;
3)长大的微裂隙连接,形成裂隙网格,裂隙开始趋于集中生成;
4)裂隙的贯通,裂隙网格在某一点沟通,则必有一条裂隙贯通整个承载面,则试件完全破坏失效。
断裂过程应力—应变曲线记录了试件变形发展的承载力变化,如图5所示,在峰值强度后,试件的承载力迅速降低,显示出极强的脆性。而实线记录的微破裂数也显示出相应的特征:在峰值强度前损伤数很少,且呈现较平稳的发展趋势。最大微破裂数没有出现在峰值强度处,而是稍稍在峰值强度后的一点,对照断裂斑图的演化,试件承载一旦越过峰值强度,微破裂则集中在一个大的断裂带内发生,导致试件迅速破坏。
5 课堂教学的应用
在课堂教学中,将上述图片利用某种软件连接成动画,就可以很形象生动地再现试件断裂的全过程,并且收到非常好的教学效果。本文认为在强度理论的教学中,应当向学生主要明确以下几点:
1)强度理论是关于材料点的破坏理论;试件的承载性能是大量材料点集体效应的体现。
2)准静态加载的试件,其破坏过程如果加载能够很好地控制,是可以记录到完整的应力—应变曲线,即便是脆性材料也是可以的。
3)脆性试件的破坏损伤演化诱导的灾变。因此,一定要防范脆性材料构件内部出现损伤连接等演化现象。
摘要：通过数值方法模拟实验室加载,展示了岩石试件从细观开裂扩展到宏观贯通的全部过程,进一步验证了脆性材料最大拉应变理论的正确性,并取得了非常好的教学效果。
关键词：数值模拟,强度理论,材料力学,脆性材料
参考文献
[1]俞茂宏,M.Yoshimine,强洪夫.强度理论发展和展望[J].工程力学,2004,21(6):1-20.
[2]Weibull W(1951).Statistical distribution function of wide ap-plicability.J Appl Mech,18.
原材料强度 篇5
专业论文
半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性
半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性
摘要 ：通过分析半刚性基层材料包括石灰稳定类材料、水泥稳定类材料、综合稳定类材料的强度形成和缩裂特性，充分认识沥青路面裂缝的产生原因，提出对裂缝的预防和处理措施。
关键词：半刚性基层材料 强度形成 缩裂特性
中图分类号： U416.223 文献标识码： A 文章编号：
近年来，我区的公路建设迅猛发展。由于独特的地理环境，新建的无论是一般公路、还是高速公路，90%以上都采用半刚性基层。这种结构形式具有较高的强度、承载力和使用性能，为实现“强基薄面”结构提供了可靠保证，使得其在全区公路路面建设中得以广泛应用。但与此同时，随着半刚性基层的大量采用，这种结构形式存在的难以克服的缺点也日益显现，导致路面使用质量和寿命达不到应有的水平。因此，充分认识半刚性基层材料的强度形成和缩裂特性，有针对性的进行研究和利用，对进一步改善路面实际使用效果具有非常重要的现实意义。
一、半刚性基层材料的强度形成
半刚性基层材料的强度由于稳定材料与土石材料在掺配、拌和、压实过程中发生了一系列的物理、化学反应而形成。
石灰稳定类材料的强度形成。其强度形成主要是石灰与细粒土的相互作用。土中掺人石灰，石灰与土发生强烈的相互作用，从而使土的工程性质发生变化。初期表现为土的结团、塑性降低、最佳合水量增大和最大密实度减小等;后期变化主要表观在结晶结构的形成，从而提高土的强度与稳定性。影响石灰土强度与稳定性的主要因素有:土质、石灰的质量与剂量、养生条件与龄期等。各种成因的亚砂土、亚粘土、粉土类土和粘士类土都可以用石灰来稳定。各种化学组成的石灰均可用于稳定土。但白云石石灰的稳定效果优于方解石石灰。石灰剂量是按消石灰占干土重的百分率计。石灰剂量较低时(小于
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3%-4%)，石灰主要起稳定作用，使土的塑性、膨胀性、吸水量降低，具有一定的水稳定性。随着石灰剂量的增加，石灰土的强度和稳定性提高，但当剂量超过一定范围，过多的石灰在空隙中以自由灰存在，将导致石灰土的强度下降。石灰土的最佳剂量随土质的不同而异，土的分散度越高则最佳剂量越大。最佳石灰剂量也与养生龄期有关，在28d内，最佳石灰剂量随着龄期的增长而增大，28d后基本趋于稳定。石灰土的强度形成需要一定的温度和湿度。高温和适当的湿度对石灰强度的形成是有利的，这是因为湿度高可使反应过程加快，但湿度过大(湿砂养生)会影响新生物的胶凝结晶硬化，从而影响石灰土强度的形成。石灰土的强度随龄期的增长大体符合指数规律。
水泥稳定类材料的强度形成。其强度形成主要是水泥与细粒土相互作用。影响水泥稳定土强度与稳定性的主要因素有土质、水泥成份与剂量、水等。土的矿物成分对水泥稳定土的性质有重要影响，除有机质或硫酸盐含量高的土外，各种砂砾上、砂土、粉土和粘土均可用水泥稳定。要达到规定的强度，水泥剂量随粉粒和粘粒合量的增加而增高。实践证明，用水泥稳定级配良好的土，既可节约水泥，又能取得满意的稳定效果。水泥的成分和剂量对水泥稳定土的强度有重要影响。通常认为，各种类型的水泥都可用于稳定土。实践证明，对于同一种土，水泥矿物成分是决定水泥稳定土强度的主导因素。一般情况下，硅酸盐水泥的稳定效果好，而铝酸盐水泥则较差。当水泥的矿物成分相同时，水泥稳定土的强度随着水泥比表面和活性的增大而提高。水泥稳定土的强度随水泥剂量的增加而增加，但考虑到水泥稳定土的抗温缩与抗干缩以及经济性，应有一个合理的水泥用量范围。含水量对水泥稳定土的强度有重大影响。当混合料于合水量不足时，水泥就要与土争水，若土对水有较大的亲和力，就不能保证水泥完成水化和水解作用。水泥稳定土需要湿法养生，以满足水泥水化的需要。水泥剂量大、养生温度高时，其增长速率大。水泥稳定土的强度随龄期的增长而增长，二者之间大致呈指数关系。
综合稳定类材料的强度形成。综合稳定类材料是以石灰或水泥为主要结合剂、外掺少量活性物质或其他材料，以提高和改善土的技术性质。单纯用石灰稳定砂性土效果一般较差，而采用二灰综合稳定则
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效果显著提高。粉煤灰是一种火山灰物质，它含有活性的氧化硅和氧化铝，在石灰的碱性激发及相互作用下生成含水的硅铝酸钙。这些新生的胶凝物质晶体具有较强的胶结能力和稳定性。由于粉煤灰系空心球体，所以掺人粉煤灰后，石灰土的最佳含水量增大、最大干密度减少。尽管如此，其强度、刚度及稳定性均有不同程度提高，尤其是抗冻性有较显著的改善，而温度收缩系数比石灰土有所减少，这对抗裂有重要意义。粉煤灰是一种缓凝物质，由于表面能低，难于在水中溶解，导致二灰混合料体系中火山灰反应相当缓慢，这是二灰稳定类后期强度高，平期强度低的根本原因。为了改善水泥在土中的硬化条件，提高水泥稳定效果，常常在掺加水泥的同时掺加少量其他添加剂。石灰是水泥稳定土产最常用的添加剂之一。在水泥稳定之前，先往土中掺加少量的石灰，使之与土粒之间进行离子交换和化学反应，为水泥在土于的水解和硬化创造良好的条件，从而加速水泥的硬化过程，并可减少水泥用量。掺加石灰还可扩大水泥稳定土的适用范围，一些不适于单独用水泥稳定的土(如酸性粘土、重亚粘土等)，若先用石灰处理，可加速水泥土结构物的形成。此外，由于石灰可吸收部分水分改变土的塑性性质，故用水泥稳定过湿土(比最佳合水量高4%-6%)时，先用石灰处理，能获得良好的稳定效果。
二、半刚性基层材料的缩裂特性
半刚性基层材料的缺点是抗变形能力低，在温度或湿度变化时易产生开裂，当沥青面层较薄时，易形成反向裂缝，进而严重影响路面的使用性能。了解各种半刚性基层材料的缩裂特性，有利于技术人员科学地进行路面处理，从而把裂缝减少到最低程度。
半刚性基层材料的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝轻重不同地存在。在国外，普遍采取对裂缝进行封缝，而在交通量繁重或者高速公路上，这种封缝工作十分困难，严重影响交通，也不安全。而在我国，目前根本就没有发现裂缝就进行沥青封缝的习惯，因而开裂得不到有效的处理。裂缝的存在导致两种后果，首先是裂缝中进水，导致沥青层和基层界面条件的变化，使基层、底基层、路基的水分状况恶化，承载能力迅速降低，表面产生水力冲刷，出现灰浆，并形成裂缝处唧浆、坑槽；其次是车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的最新【精品】范文 参考文献
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另一侧时，荷载变化不再连续，使路面裂缝两侧发生大的应力突变，会形成很大的上下剪切和表面受拉。
半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。水进入路面的途径，除了降雨、降雪、化雪的表面水外，还有多种来源，如冬季由于冰冻引起的水分积聚和春融期间产生的积水；超限超载车辆为了降温需要向轮毂不断喷水，以保持汽车的刹车性能，使路面常年处于潮湿状态；中央分隔带的绿化浇水、挖方路段的裂隙水、路面铺筑过程冲洗的水等等。可以说，水进入沥青路面是不可避免的，如果不能及时排走就将造成危害。界面上水的存在改变了界面连续的边界条件，使路面的受力状态变得十分不利，成为导致路面破坏的直接原因。
半刚性基层有很好的整体性，但是受水的影响敏感，在长期浸水条件下，板体结构会逐渐破坏，反映为路面弯沉，沥青路面开始出现破损，弯沉迅速增大，并导致结构性破损。现在许多高速公路竣工验收阶段的弯沉很小，以后逐步变大。许多路面在损坏初期开挖可见基层往往是完好的，弯沉并不大。这说明，除了少数确实是因为基层施工不好的原因外，大部分基层发生结构性损坏，是发生在沥青面层损坏之后。
半刚性基层很难跨年度施工，无论是直接暴露还是铺上一层让下面层过冬，都避免不了发生横向收缩裂缝，从而为沥青路面的横向裂缝埋下隐患。甚至在冬天就从缝中进水(融雪)、半刚性基层暴露的还可能冻疏，影响强度的形成。
用一句话来概括就是：开裂和进水且难以排走是半刚性基层沥青路面结构的致命缺点。
半刚性基层材料的收缩分为温缩与干缩两种。研究表明:若以最佳含水量状态下各种半刚性基层按温缩系数的大小排序是:石灰土>石灰砂砾>二灰>水泥砂砾>二友砂砾;按其干缩系数的大小排序为:石灰土>石灰砂砾>二灰>二灰砂砾>水泥砂砾。半刚性基层的收缩开裂，对于含土较多材料以干缩为主，对于含粗集料较多的材料以温缩为主。半刚性基层的干缩主要发生在竣工后初期阶段，当基层上铺筑沥
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青面层以后，基层的含水量一般变化不大，此时半刚性基层的收缩转化为以温缩为主。
半刚性基层材料的抗裂性能是以温缩抗裂系数与干缩抗裂系数来评价的。抗裂系数愈大，表明材料的抗裂性能愈强，在同样条件下，能承受较大的温度或湿度的变化而不裂。按半刚性材料的温缩抗裂系数的大小(均按最佳状态)排序为:二灰砂砾>二灰>石灰砂砾>水泥砂砾>石灰土。按干缩抗裂系数的太小排序为:二灰>二灰砂砾>水泥砂砾>石灰砂砾>石灰土。
半刚性基层材料的类型与配合比的选择，应根据当地的自然条件与基层所处的环境来确定。在条件可能时，应优先用二灰稳定类基层，二灰砂砾类集料含量约75%时，抗干缩与温缩能力均较强，可适用于不同地区，主要是解决早强不足的问题。水泥砂砾类，水泥含量约为5%时，具有较强的抗干缩能力，适用于温差不大的地区。石灰砂砾类，抗干缩和温缩能力却较差，宜采用水泥石灰综合稳定，以部分水泥代替部分石灰，提高其抗干缩能力，减轻缩裂。
从目前的实践看，早期修建的半刚性基层沥青路面，很多已进入路面大修，由于采用半刚性基层，目前的大修方案基本都采用“开膛破肚”法，然后对路基进行补强，再重铺路面结构层。这种方法费时费力费资金。因此，在做好半刚性基层路面管护，尽可能延长路面使用期限的同时，要不断更新路面基层设计理念。为了提高路面整体的抗变形能力，将原来的半刚性基层安排在柔性基层下做路面的底基层，以期综合利用柔性基层和半刚性基层的优点，克服柔性基层抗变形能力差和半刚性基层反射裂缝的缺点，能够有效地消减沥青路面的反射裂缝，减少水损害的发生，改善路面的长期使用性能和适应环境的能力。
原材料强度 篇6
水泥—沥青混合料是指在开级配 (空隙率高达20%～25%) 基体沥青混合料中, 灌入以水泥为主要成分的特殊浆剂而形成的复合材料, 其性质介于刚性水泥混凝土和柔性沥青混凝土之间, 与经常使用的半刚性基层相组合, 形成真正意义上的半刚性路面。
水泥—沥青混合料利用嵌挤原则, 通过骨料之间的相互嵌挤作用和灌入的水泥胶浆共同形成材料强度, 提高了路面抵抗荷载作用的能力。这种新结构改善了沥青混合料与温度有关的性能, 同时又具有很好的水稳定性[1,2,3]。国内外对水泥—沥青混合料的强度形成原理和力学特性等进行过一些研究, 得出了一些非常宝贵的结论[4,5,6]。本文主要就水泥—沥青混合料的强度机理进行分析。
1 水泥—沥青面层复合材料强度机理分析
水泥—沥青面层复合材料是由沥青混合料基体和水泥浆组成。它的基体混合料骨架是一种“骨架—空隙”结构, 这种混合料的集料组成为开级配矿质混合料, 其中粗集料所占比例很高, 往往在70%以上, 细集料很少, 一般在30%以下, 粗颗粒相互直接接触形成骨架。由于细颗粒数量很少, 不足以填充满粗颗粒间的空隙, 而且沥青用量也不能补偿剩余空隙。所以, 基体沥青混合料成为“骨架—空隙”结构。传统的热拌沥青混合料是连续级配, 所形成的压实混合料空隙率在10%以下, 而这种复合材料的沥青混合料基体属于“骨架—空隙”结构, 它与传统热拌沥青混合料的矿料级配组成有所不同, 复合材料的矿料组成是在连续开级配的基础上, 去除了一级细小集料的颗粒而形成的, 致使所形成的基体骨架混合料孔隙率很大, 一般达到20%以上。大的孔隙率更有利于水泥浆的灌入, 同时也提高了复合材料的热稳定性、强度及其模量值。
基体沥青混合料作为骨架—空隙结构, 其强度主要由骨料之间的摩阻力来提供, 其粘聚力就小了。但当水泥浆灌入后, 凝结、硬化、晶体和凝体的生成填充空隙, 形成空间晶体骨架, 利用水泥浆的凝聚力与沥青混合料的粘聚力, 使水泥—沥青混合料成为一种密实—骨架结构。从胶体理论分析, 水泥—沥青复合材料是一种多级空间双重网状结构的分散系。在该分散系中, 以沥青材料的凝胶结构与水泥浆料晶体及凝胶体的水泥石, 两者形成双重网络结构系, 表现出较大的密实度和较高的c, φ值。
由于水泥—沥青混合料中水泥浆的存在, 增大了材料的骨架组成部分, 减小了沥青材料的相对比例, 从而减小了混合料的温度敏感性。另一方面, 由于路面颜色变浅, 减小了路面的吸热速率, 使路面内温度低于普通沥青路面的温度, 使温度应力显著降低。与水泥混凝土相比, 水泥—沥青混合料的骨料含量相对较多, 所以其面层胀缩系数大大降低。同时, 混合料具有一定的空隙率及沥青材料的存在, 使得混合料本身具有弹性, 对收缩和膨胀具有一定的缓冲作用。这样面层可以不设或少设胀缝, 大大提高了行车的舒适性。
沥青与矿料之间的相互作用, 水泥水化晶体穿过沥青膜与矿料的结合, 沥青与水泥水化颗粒之间的相互吸附, 这三个方面是水泥—沥青混合料结构形成的决定性因素, 直接关系到水泥—沥青混合料的强度、高温稳定性、水稳定性和耐久性等一系列重要性能。因此, 研究水泥—沥青混合料的强度机理应从这几个方面着手。
1.1 沥青与矿料的相互作用
沥青与矿料之间的相互作用是一个物理—化学过程, 其中涉及到各种作用效应。列宾捷尔等研究认为:沥青与矿粉相互作用后, 沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列, 在矿粉表面形成一层厚度为δ0的扩散溶化膜, 在此膜厚度以内的沥青称为“结构沥青”, 在此膜厚度以外的沥青称为“自由沥青” (如图1a) 所示) 。
如果矿粉颗粒之间接触处是由结构沥青膜所联结, 这样促成沥青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜的接触面积, 因此可以获得更大的粘聚力 (如图1b) 所示) 。反之, 如颗粒之间接触处是自由沥青所联结, 则具有较小的粘聚力 (如图1c) 所示) 。
1.2 水泥浆体与矿料的相互作用
水泥浆体与矿料的相互作用主要有两种形式, 一种是水泥浆体凝结硬化形成网状结构, 包裹在沥青膜外面, 间接的对矿料进行裹覆作用, 加强沥青膜对矿料的包裹。另一种是部分水泥浆体材料与矿料相结合。由于水泥本身的活化性能以及水泥浆料中表面活性剂的作用, 活化了矿料表面, 也为矿料与水泥晶体牢固的粘结创造了条件, 更为形成不溶于水的化学吸附创造了有利条件。
不管是表面活性剂还是水泥颗粒, 它们活化矿料表面的原理其实是一样的, 都是以吸附理论和吸附层中的离子交换为基础的。
同表面活性剂一样, 水泥浆料与矿料接触后, 水泥晶体表面的多价阳离子吸附在未补偿阴离子的矿料表面, 或者在表面层的阴离子对几个阳离子交换的结果, 减小了其亲水性, 加强了矿料与沥青的粘结, 同时也提高了水泥石与矿料的粘结程度。
1.3 水泥浆体与沥青的相互作用
水泥—沥青混合料的基体沥青混合料中, 使用的粘稠石油沥青一般属于溶—凝胶型沥青。在这种结构中, 沥青质含量适当, 并有较多的芳香度较高的胶质, 胶团数量较多, 胶体中胶团的浓度较大, 相互之间的引力较大一些。这种沥青具有粘弹性。在变形时, 最初阶段表现出一定的弹性效应, 当变形增加到一定数值后, 则又表现出一定程度的粘性流动, 这就是所谓的粘弹性。沥青在粘弹性阶段具有触变性。
水泥与水拌和后, 迅速发生水化发应, 形成的浆体起初还具有可塑性和流动性。随着时间的推移, 水化反应不断进行, 浆体逐渐失去流动性, 形成具有一定强度的水泥石结构, 这就是水泥的凝结硬化过程。列宾捷夫等认为:水泥的凝结、硬化是一个凝聚—结晶三维网状结构的发展过程, 认为胶粒在适当的接触点借分子间力而相互联结, 逐渐形成三维的凝聚网状结构, 导致浆体的凝结。随着水化的进行, 当微晶体之间依靠较强的化学键结合, 形成三维的凝聚网状结构时, 也同样贯穿整个浆体, 使水泥硬化。这样的水泥胶体结构是非常稳定的, 因为质点之间是由化学键联结来形成网状结构的, 而且网状结构的单元都是刚性质点。
水泥胶体灌入基体沥青混合料中, 随着时间的推移, 水泥胶体发生凝结硬化, 由可塑体逐渐变为水泥石三维“凝聚—结晶”网状结构。水泥水化的主要产物水化硅酸钙凝胶填充水泥颗粒的空隙, 不断致密而提高强度。随着水泥凝结硬化的发展, 基体沥青混合料的“骨架空隙”结构的空隙也逐渐填充, 不但提高了沥青混合料的密实度, 而且由于水泥晶体本身的刚性, 也使水泥—沥青混合料的内摩阻力得到了较大的提高。同时, 水泥颗粒的灌入, 使得部分颗粒被沥青所包裹, 水泥—沥青混合料的粘聚力增大, 从而提高了水泥—沥青混合料的强度和稳定性。
2 结语
水泥—沥青混合料强度形成的机理可概括为:沥青与矿料之间的相互作用、水泥水化晶体穿过沥青膜与矿料的结合、沥青与水泥水化颗粒之间的相互吸附。因此这种新复合材料改善了与温度有关的性能, 使复合材料具有优良的高温稳定性;同时又具有很好的水稳定性。
参考文献
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[2]Ai-Qadi I L, Gouru H, Weyers R E.Asphalt Portland CementConcrete Composite——Laboratory Evaluation[J].ASCE, 1994, 120 (1) :94-108.
[3]郝培文, 程磊, 林立.半柔性路面混合料路用性能[J].长安大学学报, 2003 (2) :1-6.
[4]庞传琴, 杨宇亮.半柔性混合料性能探讨[J].公路, 2004 (4) :108-110.
[5]姚爱玲, 方荣渝.半刚性复合材料路用性能试验研究[J].西安公路交通大学, 2001 (3) :17-20.
高强度水溶性环氧灌浆材料的制备 篇7
水性环氧因其低挥发物含量、毒性小等优点在涂料领域得到了广泛应用[5]。石红菊等[6]人率先制备了水溶性环氧灌浆材料,该材料与传统的防渗堵漏灌浆材料———丙烯酰胺、丙烯酸盐相比,丙烯酰胺、丙烯酸盐的浆液黏度为1.2~2 m Pa·s,固砂体的压缩强度仅为0.3~0.9 MPa;水性环氧的浆液黏度为5~100 m Pa·s时,纯聚合体的压缩强度为0.4~1.3 MPa,比前两者要高。本实验室在此基础上进一步研制出综合性能更加优异的水性环氧灌浆材料,希望这种环保型水性环氧灌浆材料既能堵水防渗,也能起到一定的补强效果。
1 实验部分
1.1 实验原材料与仪器
环氧树脂828,工业品;衣康酸(IA),工业品;氨水,分析纯;苄基三乙基氯化铵,化学纯;对苯二酚,分析纯;N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),工业品;过硫酸铵,分析纯;三乙醇胺,分析纯;铁氰化钾,分析纯;旧标准砂。
NDJ-4型旋转式黏度计;SANS微机控制电子万能试验机CMT 7503;雷磁精密数显酸度计PHS-25C型。
1.2 水溶性衣康酸环氧酯树脂的合成
参照文献[6]新型水溶性环氧灌浆材料的制备方法。
1.3 水溶性衣康酸环氧酯树脂灌浆材料的制备
以中和后的树脂为主剂,按表1的比例配制成水溶性衣康酸环氧酯树脂灌浆材料。
1.4 分析与测试
酸值的测定:采用酚酞指示剂,采用0.10 mol/L Na OH无水乙醇标准溶液,在溶有一定量树脂的丙酮中进行滴定。
黏度的测定:在26℃条件下,用NDJ-4型旋转式黏度计测定。
抗压强度的测定:按照GB/T 2569,用SANS微机控制电子万能试验机CMT 7503以5 mm/min的速度测定。
p H的测定:在室温下,使用PHS-25C型雷磁精密数显酸度计测定。
2 结果与讨论
2.1 水溶性衣康酸环氧酯树脂灌浆材料的制备
2.1.1 活性助溶剂对树脂本体黏度的影响
在石红菊等人的制备中采用环己酮和正丁醇的混合溶剂作为助溶剂,这2种助溶剂都有强烈的刺激性臭味,不利于人员操作;另外,环己酮和丁醇分子结构有利于形成氢键,溶液中又存在大量的羧基和羟基,因此,制备出的树脂黏度较大,非常不利于后处理。在不改变树脂溶液水分散性和稳定性的前提下,我们选择了活性助溶剂,这种助溶剂不仅消除了环己酮和丁醇难闻的气味,而且由于这种助溶剂的极性和空间位阻的影响,减少了树脂中氢键的形成,大幅度降低了制备过程中树脂黏度。图1为采用环己酮和丁醇做溶剂和采用活性溶剂时的黏度。
如图1所示,浆液稀释到相同浓度下时黏度都有不同程度的下降,这是因为树脂中形成的氢键被有效的减少。黏度的降低非常有利于工业生产中的进一步反应和后处理,而且活性溶剂可以参加自由基引发的固化反应,提高了浆液的固含量。
2.1.2 含水量对浆液黏度的影响
自乳化过程中黏度的变化情况如图2所示。中和完毕后树脂的黏度非常大,加少量水稀释时为白色乳液,随含水量升高,黏度逐渐减小;在含水量约为52%时,黏度开始增大,此时浆液仍为白色乳液;继续加水稀释,在含水量约为56%时,黏度增加到一个相对较高的位置;继续加水稀释,黏度突然开始下降,而且下降幅度增大,浆液由白色乳液转变为透明的黏稠浆液。这是由于衣康酸环氧酯树脂的自乳化过程是一个相反转过程,在乳化过程中经历了一个从W/O到O/W的转变过程。
由图2可见,第1阶段是黏度略为下降阶段:当体系中加入少量水时,水进入到衣康酸环氧酯树脂分子链中,使被氨中和的盐电离,水以较大的液滴形式被树脂包裹,导致形成白色乳液,加入的水破坏了原有分子间的相互作用,从而使黏度略为下降。第2阶段是黏度增加阶段:随着水的进一步加入,成盐基团的电离程度增加,疏水链段开始聚在一起,形成的疏水性聚集体起到了物理交联的作用,导致体系黏度逐渐升高,并达到一个极值。这以前的油相为连续相,体系为W/O体系。第3阶段是黏度下降阶段:由于水的连续加入,亲水基团向外突出于水相,同时亲油基团开始聚集,亲水基团包覆亲油基团形成胶束,连续相由有机相转变为水相,连续相中水分子大多以结合水的形式包围在分散相周围,体系为O/W体系[7]。明确相转变点,可以优化工艺,对工业化生产非常重要。
树脂加水稀释自乳化过程中电导率的变化情况如图3所示。体系中加入水时,一开始电导率增加很快,这是因为水含量的增高加大了成盐基团的电离程度,使电导率迅速增大;当含水量约为57%之后增加幅度逐渐变小,约为66.8%时,电导率达到最大值。比较图2和图3可以看出,电导率达到最大值时的含水量要远大于黏度达到最大时的含水量,这是因为含水量52%~57%是黏度升高和电离度增大同时起作用的阶段,所以造成了电导率增加幅度减小和最大值的后延;继续加入水,体系的电导率逐渐下降,这是因为水只起到对离子浓度的稀释作用。与黏度变化曲线相比,电导率的变化规律性较差,这是由于电导率不仅与离子基团的电离程度有关,还受到体系黏度的影响。
2.1.3 含水量对固结体抗压强度的影响(见图4)
图4所示,固结体的抗压强度随着含水量的增大逐渐减小,当含水量为70%时,抗压强度仍然可以达到1.28 MPa,此时黏度在室温下只有50 m Pa·s左右,完全可以满足灌浆施工的要求。
2.1.4 交联剂对固结体抗压强度的影响(见图5)
以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂。MBA在室温下微溶于水(溶解度小于4%),为低毒含双官能团的化合物。从图5可以看出,随着MBA用量的增加,浆液固结体的抗压强度增大,在3.1%左右增加幅度放缓。树脂本体由于含有大量的羧酸盐,易被水溶胀,固结体在水中浸泡容易失去强度,而决定树脂吸水率最关键的因素之一是交联度,MBA的加入增加了树脂的交联点,交联密度增大,从而使固结体不易被水溶胀。加入MBA后,浆液的颜色未发生变化,但是固结体由透明的淡黄色转变为白色不透明固体,这也进一步证明MBA的加入有助于减少树脂的吸水率。另外,随着MBA的加入,浆液固化速度越来越快(见图6),这是由于MBA活性较大,在引发剂的作用下更易发生反应。
2.1.5 引发剂对固结体抗压强度的影响
使用的引发剂为自由基乳液反应常用的过硫酸铵引发剂,过硫酸铵纯度高而且具有特别好的稳定性,它几乎不吸潮,便于储存,毒性小,使用安全。过硫酸铵在使用时可以配成一定浓度的水溶液,但不能长时间放置,只能现配现用。引发剂对浆液的反应程度有较大的影响,当引发剂用量少时,引发不充分,聚合反应需要很长时间,聚合物固结体强度低;当引发剂用量大时,聚合反应速度太快,放热量大,容易导致爆聚,而且聚合物的分子量较小,导致物理性能下降。如图7所示,从反应速度和反应程度两方面考虑,引发剂用量在2.8%时具有较好的效果。
2.1.6 促进剂对固结体抗压强度的影响(见图8)
三乙醇胺易溶于水,不易挥发、毒性小,不易变质,用作水溶性体系自由基固化的促进剂。从图8中可以看出,促进剂用量过少,固结体强度不高,这时因为产生的自由基太少,固化不完全;随着促进剂用量的增大,固结体的抗压强度逐渐增加,这是由于促进剂加速了过硫酸铵分解速度,产生了足够多的自由基,使树脂固化进一步完全;但是促进剂用量不能太大,一般要少于固化剂用量,因为多余的促进剂会和产生的自由基反应,反而降低引发效率。促进剂用量一般在1.6%最佳。
2.1.7 共聚组分对固结体抗压强度的影响(见图9)
共聚组分是一种水溶性单体,该单体无毒、具有良好的水溶性。从图9中可以看出随着共聚组分加入量的增多,固结体的抗压强度迅速增大,这是由于共聚组分既可以自聚又可以与衣康酸环氧酯发生共聚,进一步增加浆液的交联密度,使聚合物分子由线性结构变成体型结构,分子间结合力大大增加,使固结体的抗压强度增大;同时交联度的增大,使聚合物分子间结合更紧密,溶剂和小分子难以渗透进去,因而耐溶剂性、耐水性都有所提高。
2.1.8 硅烷偶联剂对固砂体抗压强度的影响(见图10)
有机硅烷偶联剂主要用于改善有机材料和无机材料表面的粘接性。因为偶联剂分子结构中存在2种官能团,一种官能团可与无机物料表面形成化学键,另一种官能团可与高分子化合物发生化学反应或两者有很好的相容性。本水溶性树脂体系为氨水中和的p H值在6~8的浆液,未被中和的氨水易挥发,因此,浆液一般显弱酸性。偶联剂氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)为无色透明液体,显碱性,可溶于水,易水解,它含有的氨丙基可以被有机相中的羧基中和,具有反应活性,能够牢固的结合有机相,而水解产生的羟基可以和砂子表面的硅氧键发生化学作用,产生较强的结合力,可以有效改善砂粒与有机相的界面相容性。
由图10可看出,偶联剂用量为0.7%~1.3%时,固砂体的抗压强度出现峰值,加入硅烷偶联剂后固砂体的抗压强度比不加前提高了45%,其原因是由于加入一定量的硅烷偶联剂后,在砂的表面均匀涂覆了一层偶联剂分子,被羧基中和的偶联剂中胺基伸入树脂本体,同时水解产生的羟基与砂表面的Si—O键发生了相互作用,从而在硅灰石与树脂间架起“桥梁”,使砂与树脂间形成完整的界面,当受外力作用时,界面能使外力均匀地传递给砂粒,从而使材料的力学性能随之上升。随着偶联剂的继续加入,固砂体的抗压强度反而大幅度降低,回到未加硅烷偶联剂时的水平甚至更低,这是因为偶联剂单分子界面层形成之后,过多地加入偶联剂,其中多余的偶联剂便会在砂与树脂间形成多分子层吸附或局部富集发生自缩合,减弱了树脂和砂之间的化学作用,此时,材料的力学性能由树脂-偶联剂-砂之间的相互作用转变为树脂-偶联剂-偶联剂-砂之间的相互作用,由化学键作用转变为分子间作用力,而偶联剂加入比例越高,这种制约就越明显,这必将削弱偶联剂对整个材料力学性能的改善,降低材料和砂之间的作用。
2.1.9 缓凝剂对浆液固化速度的影响
化学灌浆设计与施工中,浆液的凝胶时间是一个很重要的因素。凝胶时间过短,浆液来不及渗透到足够大的范围,施工中出现漏灌部位,造成帷幕达不到设计的防渗效果,影响施工质量。凝胶时间过长,浆液渗透到不必施工的地方,造成浆液浪费和延长施工时间,影响施工进度和经济效益[8]。浆液以过硫酸铵-三乙醇胺为引发固化体系,又加入了含有伯胺基的硅烷偶联剂和活性较高的共聚组分,因此,浆液的固化速度很快,可以在几秒到几十秒内凝胶,失去流动性。为了不影响施工质量,必须降低引发速度,延长适用期。铁氰化钾是一种无毒、阻聚效率较高的缓凝剂,能够与体系中的一部分自由基反应,使聚合反应减缓,见表2。
由表2可以看出,加入0.1%的铁氰化钾后,浆液的凝胶时间由几十秒变为30 min,大幅度地延长了凝胶时间,同时铁氰化钾的加入不仅没有降低灌浆材料的力学性能,反而比未加前有一定程度的提高,抗压强度增加约11%。这可能是由于铁氰化钾的加入,一部分自由基参与了反应,使反应放出的热量不再集中,自加速的效率降低,在一定时间内所产生的自由基不太多时,有利于分子链的生长,从而使高聚物的分子量增大,固结体的抗压强度提高。
3 结论
在衣康酸环氧酯树脂合成过程采用活性助溶剂,显著降低了树脂的黏度,有利于后处理和工业生产。分别研究了助溶剂、含水量、引发剂、促进剂、交联剂、共聚组分、硅烷偶联剂对水溶性衣康酸环氧酯树脂灌浆材料的影响,筛选出各种物质的最佳配比,制备出综合性能更加优异的水溶性衣康酸环氧酯树脂灌浆材料。
该浆材为无挥发性有机溶剂,无难闻气味,属于环保型灌浆材料。浆液黏度低,在室温下小于50 m Pa·s,可以灌入细小裂缝中,较好地实现抗渗堵漏的目的,其中纯聚合体的抗压强度达到3.5 MPa,固砂体的抗压强度达到4.2 MPa,纯聚合体的抗渗强度达到0.75 MPa,也可以起到软弱地基的补强作用,在这方面希望可以替代功能单一的丙烯酸盐灌浆材料和毒性较大的丙凝浆材。
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岩土材料强度准则在工程中的应用 篇8
1 岩土材料的变形特点
地质工程或采掘工程中岩土、煤炭、土壤,结构工程中的混凝土、石料以及工业陶瓷等,将这些材料统称为岩土材料。
关于岩土材料,通常处于三向或双向受压状态。在岩石力学和土力学中,模拟三向受力状态的实验为“三轴实验”。通过大量的实验资料分析得到:由于岩土材料组成上的不均匀性、缺陷以及已有裂隙的分布,使得材料在受载过程中细微裂隙进一步扩展与运动,并导致材料的宏观强度和刚度的降低。因此,材料的非弹性变形主要是由微裂隙和缺陷的产生与扩展所引起的。岩土材料的压硬性、剪胀性、等压屈服,使得岩土塑性理论与金属塑性理论有重要的差异。这些差异主要变现在以下5个方面。一是在静水压力不太大或环境温度不太高的工程环境下,岩土类介质表现为应变软化的特性;二是岩土材料的压硬性决定了岩土的剪切屈服与破坏必须考虑平均应力和材料的内摩擦性能;三是金属材料的弹性系数与塑性变形无关,而岩土材料则需考虑弹塑性的耦合;四是在岩土材料中需考虑奇异屈服面;五是金属材料中的中交流动法在岩土材料中不再适用。
2 岩土材料的变形模型
根据大量岩土材料的实验资料,研究人员可对岩土材料的应力应变曲线进行简化,并将强度极限作为岩土材料变形特性的转折点,下面是几种基本变形模型。
2.1 理想弹塑性模型
假设应力达到最大值后保持不变,而材料的变形仍然继续增长,如图1所示,数学表达式为
2.2 脆弹性模型
如第103页图2所示,在该模型中应力达到最大值时产生“跌落”,下降后的应力值称为剩余强度,其数学表达式为
2.3 线性软化模型
如第103页图3所示,将应变软化过程近似为线性的函数,即
3 岩土材料的强度准则
材料的屈服条件和强度准则很多,有Trasca条件、Mises条件、M-C准则和Drucker-Prager(D-P)准则外、选用材料的单轴屈服极限σs和剪切屈服极限K来表示的双剪应力屈服条件[1],还有选用单拉强度极限σbt、单压强度极限σbc以及双压强度极限σ2bc来描述的强度准则和以八面体应力表达的强度准则等。这里主要介绍M-C强度准则和D-P强度准则。
3.1 M-C强度准则
岩土力学中的强度准则通常可表述如下:在介质中一点单元体上任何微截面上,其剪应力τn的大小都不能超过某一临界值。当|τn|达到该临界值时,材料就要产生剪切滑移。在最简单的情况下,也就是库伦剪切强度准则,即有
在一般情况下,式(4)中的φ将随(-σn)的增加而减小,这就是莫尔强度准则,即
经研究表明,库伦剪切强度准则实际上可认为是莫尔强度准则的线性化表示,也即是M-C准则。
M-C准则在σ1,σ2,σn3主应力空间中形成的屈服面与π平面的截迹是图4所示的六边形ABCDEF,该六边形的边长相等,但夹角并不相等。而且六边形的大小是随着各向等值压缩应力状态的增大而线性减小,当σ1=σ2=σ3=Ccotφ时,图形收缩成一点O′。因此,该准则的屈服面是以π平面上六边形为底,以O为顶的六棱锥体的侧面。由几何表示可知,在库伦准则中考虑到材料的抗拉压强度极限的明显差异及静水压力对强度准则的影响。
3.2 D-P强度准则
它是Mises条件的推广,见图5。可写成
式中,I1=σ1+σ2+σ3;a和K均为正的常数,他们都是物性参数,且与C和φ的关系取决于圆锥面与六棱锥面之间的相互关系。
4 强度准则岩土工程应用分析
岩土强度准则是岩土理论的重要组成部分,一直是众多学者的研究的热点[1,2,3,4]。自1900年摩尔(O Mohr)教授建立了著名的Mohr-Coulomb强度理论(简称M-C强度理论)以来,大量的实验和工程实践已证实,M-C强度理论能较好地描述岩土材料的强度特性,因而在岩土工程领域得到了广泛的应用。笔者主要分布列举强度准则在数值方法中的具体应用。
随着岩土理论、现代计算技术及计算机软、硬件的飞速发展,有限元数值方法已成为岩土工程领域有效的计算方法[3,4,5]。然而由于M-C准则在三维空间的屈服面为不规则的六角形截面的角锥体表面,在π平面上的图形为不等角六边形,存在尖顶和菱角,给数值计算带来困难。因此,在强度折减分析边坡稳定性的研究中,大多采用各种D-P准则来代替M-C准则[3,4,5,6]。D-P准则在π平面上为圆形,在主应力空间的屈服面为光滑圆锥,表述极其简单且数值计算效率很高,在实际有限元计算中获得比较广泛的应用。比如ANSYS以及美国MSC公司的MARC、NASTRAN等均采用了D-P准则。
然而大量的研究表明,这些大型的有限元分析软件中的D-P准则在分析岩土工程的问题时有时存在比较大的误差,以致许多人认为这些软件不能应用来计算岩土领域的问题,于是出现了D-P系列修正准则,它主要包括以下5种,见第104页图6。
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原材料强度 篇9
水泥基复合材料是以硅酸盐水泥为基体, 以各种纤维、聚合物、晶须等为增强体, 加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。他比一般的混凝土性能有所提高, 特别是抗冲击性能和抗折性能。能够达到超高强度的水泥基复合材料主要有以下几类:无宏观缺陷水泥 (MDF) 、高致密水泥基均匀体系 (DSP) 、高性能混凝土 (HPC) 和近年出现的活性粉末混凝土 (RPC) 等。RPC具有卓越的力学性能 (RPC200的抗压强度170～230 MPa, 抗折强度30～60 MPa) 、极低的吸水性 (0.05 kg/m2) 、很好的耐磨性[1] (磨耗系数1.3) , 且低碳环保[2]。RPC从提出至今已开展了不少研究, 并投入了工程应用[3,4,5,6,7], 但未见白色和彩色RPC的研究, 更没有将其制作饰面板材的研究。然而, 随着生活和技术水平的提高, 许多水泥基构件除了需要满足力学性能要求之外, 也希望外观具有一定装饰效果, 期望美观、实用、廉价, 而不只是千篇一律的灰色或灰黑色。特别是对于那些水泥基复合材料的预制板块, 如沟盖板、人行道板、广场砖等, 如果既能够达到天然花岗石的力学性能, 又具有色彩装饰效果那么将既可节约资源, 又能美化环境。本文根据RPC的配制原理, 运用振捣成型工艺制备了超高强度彩色水泥基复合材料板块, 研究了配合比以及铁系染料对混凝土强度的影响。
1实验部分
1.1 原料和实验方案
表1列出了试验用原料, 表2列出了探讨不同配比对强度、色度影响的设计配方。
说明:①减水剂和颜料为与胶凝材料的质量百分比;②考虑到颜料会吸收一部分水, 所以彩色配方水胶比设计为0.17。
1.2 试验过程
按表2所示配方分别称取各种原料;将水泥、硅灰、粉煤灰和高效减水剂 (粉剂) 倒入水泥胶砂搅拌机内搅拌5 min, 然后加入石英砂和石英粉拌和5 min, 最后加水搅拌5～8 min;搅拌完成后, 将拌和物分别浇注于40×40×40 (mm) 和40×40×160 (mm) 的三联试模中, 在振动台上振动5 min成型;试件成型后盖上保鲜薄膜移入养护箱 (20±1 ℃) 养护24 h脱模;脱模后先在标准养护箱中标养48 h, 然后在90 ℃热水中养护3 d后取出冷却至室温就得到了进行抗压和抗折试验的试样。试件的抗折、抗压强度按GB/T 17671-1999[8]进行测定, 彩色试块的色度按GB 11942-89[9]用色度仪进行测定。
2结果与讨论
2.1 配合比对强度的影响
根据RPC配制原理, 实现制品高强度的前提是采用较低水胶比。此时水泥和微硅粉都不能充分水化, 因此考虑采用粉煤灰取代部分水泥, 利用粉煤灰水化速度缓慢的特点, 使体系在较低水胶比时, 营造出一个良好的动态水化环境。图1是粉煤灰掺量 (FA/C) 与制品强度的关系, 从中可以看出:抗折强度在粉煤灰与水泥质量比为0.25时达到最高 (21.56 MPa) , 此后随粉煤灰掺量的增加而下降;抗压强度则先增大后减小, 在粉煤灰与水泥质量比为0.3时最大 (98.21 MPa) 。综合考虑, 粉煤灰的最合适掺量应该介于水泥掺量的25～30%之间最为合适。
图2是砂灰比 (S/C) :石英砂质量/水泥质量, 与制品强度的关系曲线。随着石英砂掺量的增加, 制品的抗折强度在砂灰比为0.8时最大, 但随着砂灰比增大抗折强度变化不显著;而抗压强度在砂灰比为 1.0以前, 随砂灰比增大略微增长, 但变化也不显著。当S/C高于1.0以后抗压强度出现明显的降低。因此, 砂灰比不是影响制品强度的最主要因素。结合经济因素考虑取S/C=0.9～1.0。
水胶比是拌和RPC时用水量的表征。RPC制品主要由水泥以及火山灰质材料等多种细颗粒组成, 其用水量的多少直接决定着水泥的水化作用和材料火山灰效应的发挥, 最终影响到硬化后混凝土性能。因此, 水胶比对RPC起着至关重要的作用。图3是水胶比与制品强度的试验结果。随着水胶比增大制品抗压强度显著减小, 当水胶比为0.16时制品抗压强度138.2 MPa, 抗折强度25.3 MPa。从0.16增大至0.17时抗压强度和抗折强度都显著减小, 水胶比大于0.17以后, 抗压强度减小趋势变缓, 抗折强度则基本保持不变。当水胶比为0.16时拌和已比较困难。实验中也曾尝试更低水胶比, 但未能得到拌和均匀的浆体, 因此确定最佳水胶比为0.16。
2.2 颜料对强度和色度的影响
混凝土着色时是使骨料、水泥和着色颜料均匀地混合在一起, 但骨料并不能着色, 而在一定条件下保持其固有的颜色。混凝土的彩色效果主要是由于颜料颗粒和水泥浆的固有颜色混合后的结果[10]。由于有机颜料在水泥浆体中不稳定, 而且往往耐候性不佳, 因此本文全部选用氧化铁系颜料。图4～5分别是颜料添加量与制品抗压强度和抗折强度的关系。试验结果表明, 添加颜料后制品的抗压强度和抗折强度均减小, 且都呈现先减小, 添加量为4%时稍增大, 然后又显著减小的变化趋势。其原因可能是当添加量为4%时, 因颜料吸水实际上降低了体系的水胶比, 从而使得制品强度略为增大。从不同色彩颜料试验结果看, 铁黑对制品强度影响最为显著, 当铁黑添加量为水泥的2%时, 其抗压强度降低了19.3%, 抗折强度减小了22.7%;铁红和铁黄对制品强度的影响不一, 前者对抗折强度影响大, 后者对抗压强度影响显著, 而对抗折强度影响较小。由此说明, 为了获得彩色只能牺牲一定的强度, 而颜料的选择又会影响制品强度。
制品色度随颜料掺量变化的关系 (表3) 表明, 随着颜料增多色度增大, 但增加的幅度都不是很大。此外, 不同颜色的颜料其着色能力不同, 铁黄的着色能力最强, 铁黑次之, 铁红着色能力最弱。
3结论与展望
(1) 根据RPC配制原理, 掺入粉煤灰取代部分水泥用量, 不仅能降低制品成本, 还可较好地改善其强度和和易性, 试验得到粉煤灰的最佳掺量是粉煤灰与水泥比介于0.25到0.30之间, 宜选用0.3。在不掺入钢纤维的情况下, 选用0.16的水胶比制备的制品抗压强度可达138 MPa, 抗折26 MPa;
(2) 加入氧化铁系颜料后, 由于颜料的吸水作用, 会在一定程度上改变水胶比, 并且影响混凝土强度性能。当颜料加入量为6%的时候, 抗压强度仍然接近90 MPa, 而色度都在80以上。选用不同的颜料掺入量可以制备各种色彩的高强单色混凝土;
(3) 通过特定的成型工艺可制备出与天然石材具有同等装饰效果的高强仿石板材;
(4) 本文仅仅是有关高强仿石板材的一些初步研究。按照RPC800的配制原理, 下一步将开展高温高压蒸养, 加压振动成型, 以及添加增强钢纤维方面的研究。相信制品的性能还会有较大程度的提高, 最终可以达到甚至超过天然石材以及大多数陶瓷材料。 [ID:000468]
摘要：根据活性粉末混凝土的配制原理, 在研究配合比对制品强度影响的基础上, 结合彩色混凝土的成色原理和氧化铁系颜料对混凝土强度的影响, 采用振捣成型工艺制备出了超高强度彩色水泥基复合材料板块。所制备板材抗压强度100 MPa, 抗折强度21 MPa, 吸水性与天然花岗石相当, 具有一定的装饰效果, 而且这些性能还有增长空间。因此, 本文所制备的水泥基高强仿石板材有望替代天然石材成为建筑饰面的明日之星, 使建筑装饰走向低碳环保之路。
关键词：人造石,活性粉末混凝土,强度,色度,建筑饰面
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原材料强度 篇10
在混凝土修补中,一个最关键的技术难题是解决好新旧混凝土之间的粘结。修补材料的粘结强度是其物理力学性能中的一个重要方面,是衡量快速修补材料的重要性能指标之一,修补后新老混凝土能否很好地共同工作,主要取决于修补界面的粘结性能。由于修补材料粘结力过低而导致修补失败的例子很多,原因之一就是修补材料与基层混凝土之间的粘结力不足以抵抗各种因素在新旧混凝土结合面处产生的附加应力而导致修补失败,粘结性能较差的材料修补时往往不能达到预期的修补效果[1]。影响新老混凝土修补界面粘结性能的因素并非彼此孤立而是交织作用。界面处理、修补材料类型、界面情况和龄期等因素都会影响粘结性能,如界面干净、微裂纹较少,轻度粗糙无薄弱层,则界面的粘结性能较好[2]。鉴于此,本文研究养护条件、界面处理及旧混凝土表面湿态等因素对粘结强度的影响。
1 原材料与试验方法
1.1 原材料
氧化镁(简写为M):比表面积为2340cm2/g;磷酸二氢铵(简写为P);缓凝剂:硼砂(简写为B);石英砂:符合GB178-1977《水泥强度试验用标准砂》的标准砂;粉煤灰(简写为F):重庆产Ⅱ级粉煤灰,经磨细1h,其比表面积为6640cm2/g。
1.2 试验方法
磷酸盐修补材料粘结强度采用间接的方法来测定,用抗折强度来表示,方法见图1。先将旧混凝土试件一折为二,把这两半混凝土固定在模具中,两个界面之间留出约10mm的间隙,磷酸盐修补材料搅拌完后迅速浇入留出的空隙中,捣实密实抹平后养护。测定试件的抗折强度时,若破坏部位位于粘结界面,则界面粘结强度等于实测抗折强度,否则,界面粘结强度就大于实测抗折强度。
1—10mm厚的磷酸盐修补材料;2—旧混凝土试件
2 试验结果与分析
2.1 养护条件对粘结强度的影响
在本试验中考虑标准养护、室温养护和水养护对粘结强度的影响。试验配合比为P:M=1:4,硼砂掺量5%,水胶比为0.18,胶砂比1:1。图2是在不同的养护条件下,磷酸盐修补材料的粘结强度。
从图2可以看出,磷酸盐修补材料在室温养护下粘结强度最高,并且发展较快;处于水养状态下强度最低,且早期强度发展缓慢;标准养护下强度也较低。养护条件包括温度和湿度两个方面,由于标准养护、水养护以及室温条件下温度基本在20℃左右,因此,这几种养护条件下主要是湿度差别,可以推测,磷酸盐修补材料在水分含量越大的情况下强度越低。其原因可能是:磷酸盐修补材料表面孔洞较多,在周围水分含量较大时,水从磷酸盐修补材料的表面渗透进内部,在渗透水的作用下,部分未反应的磷酸盐缓慢溶解出来,使后期参与水化的磷酸盐减少,导致生成物的数量降低,结构密实度下降[3],从而造成磷酸盐修补材料粘结强度的下降;另一方面,湿度不同时,水化产物的结晶水也不一样,从而产生强度的差异[4]。因此,养护条件是影响磷酸盐修补材料粘结强度的重要因素。
2.2 界面处理对粘结强度的影响
对老混凝土表面进行处理:(1)对小试件的断块表面不做任何处理,仅用清水冲洗干净,用干布擦干后随即浇注修补材料。(2)将老混凝土表面凿毛,使其表面凹凸不平(表面相对粗糙度约为2~3mm),用水冲洗干净并用干布擦干后,浇注修补材料,养护至试验龄期,测定粘结强度,试验结果见表1。
试验过程中发现,两种处理方式的试件其破坏断面大部分都是沿新老界面断开,界面处理后的粘结强度要高于界面不处理的粘结强度。尽管由于老混凝土界面处理后表现出较大变异性,但还是可以看出,即使对老混凝土采用同一种界面处理方法,磷酸盐修补材料与老混凝土之间具有良好的粘结性。界面处理对粘结强度的影响很大,表面处理后粘结强度提高。在一定范围内,老混凝土的粗糙度越大,其界面的粘结强度越高,这主要是由于粗糙度越大,其接触面积就越大,增大了新老混凝土的接触面积,从而表现出较高的抗折粘结强度。
在试验中,结合面在不损伤骨料与旧混凝土粘结的前提下经过适当的粗糙处理,一是除去灰尘等杂物,二是增大结合面面积,增大机械咬合作用,同时注意浇注质量,结合面处的修补材料要振捣密实,减少孔隙,避免泌水和产生气泡的不利影响,使修补材料能更好地渗透到旧混凝土中去。
2.3 净浆与砂浆对粘结强度的影响
净浆与砂浆对粘结强度的影响见图3。采用的试验配合比为P:M=1:4,硼砂掺量5%,净浆水胶比为0.10,砂浆水胶比为0.18,胶砂比1:1。从试验结果可以看出,净浆粘结强度的发展速度比砂浆快,净浆的粘结强度要高于砂浆的粘结强度。从图3中可知,不论是净浆还是砂浆,它们的粘结强度值都非常高,早期强度比较大,后期强度逐步提高,与旧混凝土有很好的兼容性,符合快速修补工程的要求。
2.4 旧混凝土表面不同湿态对粘结强度的影响
表2为不同湿态条件对修补材料与旧混凝土之间粘结强度的影响。试验结果表明,修补材料与旧混凝土湿表面的粘结强度要小于干表面的粘结强度,且表面湿度对早期粘结强度的影响更明显。在实际修补工程中,混凝土的湿度常与干表面情况相近,因此,就磷酸盐修补材料而言,在修补前没有必要在混凝土表面撒水,也没有必要在修补结束后进行湿养护[5]。
2.5 基材对粘结强度的影响
基材种类对粘结强度的影响见表3。基材为磷酸盐修补材料的粘结强度要明显高于基材为混凝土的粘结强度,这表明磷酸盐与磷酸盐之间的相容性很好,并且磷酸盐修补材料与普通旧混凝土之间的粘结强度也很高。磷酸盐修补材料可以与普通旧混凝土保持良好粘结的主要原因可能是:修补材料中的磷酸盐能与旧混凝土中的水化产物或未水化的熟料颗粒反应生成同样具有胶凝性的磷酸钙类产物,因此在粘结界面附近,除了物理粘结外,还存在很强的化学粘结作用[6]。
注:湿表面——混凝土从水中取出直接折断的表面;干表面——混凝土在空气中养护折断后的表面。
注:旧混凝土和磷酸盐修补材料基材的龄期均为28d。
3 结论
(1)养护条件对粘结强度有较大的影响,室温养护下强度最高,并且发展较快。处于水养状态下时粘结强度最低,且强度发展较慢,水养护不利于强度的发展。
(2)磷酸盐修补材料净浆的粘结强度要高于砂浆的粘结强度。界面处理对材料的粘结强度有很大的影响,采用粘结面凿毛处理有利于提高粘结强度。
(3)基材为磷酸盐修补材料的粘结强度要明显的高于基材为混凝土的粘结强度。磷酸盐修补材料与旧混凝土有很好的粘结性、兼容性,修补质量可靠。
摘要：研究了养护条件、界面处理、旧混凝土表面不同湿态及基材种类等因素对磷酸盐修补材料粘结强度的影响。试验结果表明,养护条件对粘结强度有较大的影响,室温养护下强度高,水养护不利于强度的发展。界面处理对粘结强度有很大的影响,粘结面凿毛有利于提高粘结强度。基材为磷酸盐修补材料的粘结强度要明显高于基材为混凝土的粘结强度。
关键词：磷酸盐,粘结强度,养护条件,界面处理
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