基于徐变性能的水泥基复合材料微观结构设计

现代工程结构中，各种新型混凝土应用越来越多。但是其徐变性能的研究还停留在对配合比的徐变验证，缺乏对徐变控制方面的认识，尤其是徐变性能设计方面的研究。实际上，材料的性能取决于其组成与结构，混凝土的化学组成和微观结构决定了其徐变特性。本研究试图突破传统的模式，通过对混凝土各相及各级界面过渡区的设计，实现对混凝土徐变的设计与预测。一方面，通过试验研究混凝土中各相及其界面区的化学组成、力学参数、微观结构特征和混凝土的宏观徐变性能；另一方面，应用复合材料细观力学中分级广义自洽方法建立混凝土徐变计算模型。将模型结果与实验结果比较，结合基于化学组成与微观结构分析的徐变机理研究，对计算模型进行修正，建立基于水泥基复合材料各相及其界面区化学组成、力学参数和结构特征参数的徐变数学模型，实现对水泥基复合材料徐变性能的预测与设计。本研究对于实际工程中混凝土徐变的有效控制和设计及预测有着实际意义。

发明了一种应用小型徐变仪加载40 mm×40 mm×160 mm的试件研究混凝土徐变规律的方法。通过改变材料组成和调整微观结构，实现了对水泥基复合材料徐变性能的主动调控：应用纳米压痕技术，选取弹性模量低于水泥颗粒的矿物掺合料增大徐变，可增大100%以上；选取弹性模量高于水泥颗粒的矿物掺合料抑制徐变，可减少30%以上。选取弹性模量低于基准混凝土的工程纤维来增大徐变；选取弹性模量远高于基准混凝土的工程纤维来抑制徐变。掺加适宜掺量的橡胶粉、炭黑或再生骨料（在破碎时产生了应力损伤），均可实现对对水泥基材料微观结构的弱化，大幅度提高混凝土的徐变。降低水胶比、加强养护均可强化界面微观结构，对抑制徐变有利；掺合料和纤维引入的界面对抑制徐变不利。. 测试分析了水泥净浆、水泥砂浆和混凝土徐变规律的差异，发现净浆与砂浆和混凝土间徐变规律存在较大差别，不能建立分级广义自洽的数学模型。对于纤维混凝土，采用解析和数值模拟的方法建立了能反映纤维排列和界面性能、厚度等微观结构的数学模型。实验研究表明钢纤维与基体的界面层会增大混凝土的徐变，通过实验和理论计算定量分析了钢纤维与基体的界面区对徐变性能的影响。在粉煤灰掺量与水胶比对混凝土徐变的共同作用研究中，通过分析净浆体系非蒸发水数量、胶凝材料颗粒弹性模量和界面SEM形貌，建立了反映粉煤灰效应的机理型徐变数学模型，并建立了根据28 d强度和弹性模量预测混凝土徐变的数学模型。. 在细微观缺陷对混凝土性能影响的研究中，发现：10%的炭黑掺量下，炭黑水泥基复合材料表现出良好的微波吸收效能，微波吸收率超过90%。再生骨料含有应力损伤，导致其制备的混凝土耐久性下降，加入适量橡胶粉能有效改善其抗冻性。影响混凝土抗冻性、抗碳化、抗氯离子渗透及抗硫酸盐腐蚀的临界损伤度均为0.1。