（材料学专业论文）混凝土损伤自愈合能力影响因素研究.pdf

1 一 l i l l it ir li l ll i ti ttiil y 18 8 3 5 18 s t u d yo ff a c t o r si n f l u e n c i n gt h es e l f - h e a l i n ga b i l i t y o fc o n c r e t e b y l iz h i q i a n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h o uz o n g h u i at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：二缀 日期：垒：皇：墅 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密( 年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：多盟导师签名：f 至】拯日期：垒丛垒 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论l 1 1 研究的目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 修复乳液在混凝土损伤自愈合过程中的应用2 1 2 2 胶凝材料对混凝土损伤自愈合能力的影响5 1 2 3 超声波无损检测在混凝土损伤自愈合过程中的应用7 1 2 4 灰色理论在混凝土损伤自愈合过程中的应用9 1 3 自愈合混凝土存在的问题1o 第二章实验原料、设备及方法1 1 2 1 实验原料1 l 2 2 实验方法12 2 3 性能测试1 4 2 4 实验设备16 第三章水泥细度对混凝土损伤自愈合能力的影响1 7 3 1 水泥细度对砂浆损伤自愈合能力的影响1 7 3 1 1 砂浆损伤愈合前后抗压强度与水泥细度对的关系1 7 3 1 2 水泥细度对砂浆损伤愈合前后裂纹宽度的影响1 8 3 1 3 超声波检测砂浆损伤自愈合情况2 0 3 1 4 不同水泥细度的砂浆愈合前后断面的微观结构变化2 2 3 2 水泥细度对混凝土损伤自愈合能力的影响2 3 3 2 1 混凝土损伤愈合前后抗压强度与水泥细度的关系2 4 3 2 2 超声波检测混凝土损伤自愈合情况2 5 3 2 3 不同水泥细度的混凝土损伤愈合前后断面的微观结构变化2 6 3 3 本章小结2 7 混凝f ：损伤自愈合能力影响冈索研究 第四章矿物掺合料对混凝土损伤自愈合能力的影响。2 9 4 1 实验原材料2 9 4 2 矿物掺合料对砂浆损伤自愈合能力的影响31 4 2 1 砂浆损伤自愈合前后抗压强度与矿物掺合料细度的关系3 l 4 2 2 超声波检测砂浆损伤自愈合情况3 2 4 3 矿物掺合料对混凝土损伤自愈合能力的影响3 3 4 3 1 单掺钢渣和矿渣对混凝土损伤自愈合能力的影响3 4 4 3 2 复掺矿物掺合料与混凝土损伤自愈合能力的关系3 7 4 3 3 混凝土损伤愈合前后微观结构变化一3 9 4 3 4 灰关联度研究各因素对混凝土损伤自愈合能力的影响4 0 4 4 本章小结一4 3 第五章水灰比和砂率对混凝土损伤自愈合能力的影响4 5 5 1 水灰比对砂浆损伤自愈合能力的影响4 5 5 1 1 砂浆损伤愈合前后抗压强度与水灰比的关系4 5 5 1 2 水灰比对砂浆试件损伤愈合前后裂纹宽度的影响。4 6 5 1 3 超声波检测不同水灰比的砂浆试件损伤愈合前后情况4 7 5 1 4 不同水灰比砂浆试件断面的微观结构变化4 9 5 2 水灰比对混凝土损伤自愈合能力的影响5 0 5 2 1 水灰比对混凝土损伤愈合前后抗压强度的影响5 0 5 2 2 不同水灰比的混凝土试件损伤愈合前后超声波波速变化5 1 5 2 3 不同水灰比的混凝土试件损伤愈合后微观结构分析5 2 5 3 砂率对混凝土损伤自愈合能力的影响5 2 5 3 1 混凝土损伤愈合前后抗压强度与砂率的关系5 2 5 3 2 超声波检测混凝土损伤愈合情况。5 3 5 3 3 不同砂率的混凝土试件损伤愈合后微观结构分析。5 4 5 4 本章小结5 5 第六章结论与展望5 6 参考文献5 8 i i 济南人学硕 ：学位论文 曼苎! 曼曼曼曼量曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼! 皇曼曼曼曼曼蔓曼曼皇曼i 曼曼! ! ! ! ! 皇曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼苎鼍曼曼曼曼量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼篡 致谢6 2 附勇乏6 3 一、在校期间发表的学术论文6 3 二、在校期间参加的项目6 3 三、在校期间获奖情况6 3 i i i 济南人学硕l j 学位论史 摘要 混凝土以其良好的耐久性广泛的应用于工程建设，是目前应用最广泛的工程 材料，在国民经济建设中具有重要地位。但混凝土本身脆性大，且受物理收缩、 内外温差等不利因素的影响，不可避免地会产生局部损伤，如果不能及时修复， 必然会影响材料的正常使用，甚至直接导致混凝土工程的崩塌，造成不可估计的 损失。 本文采用万能液压式压力机预制损伤的方法，借助裂纹宽度测量仪、超声波 无损检测、x 射线衍射分析、扫描电镜分析等测试手段，研究了水泥颗粒细度、 掺量，掺合料细度、掺量，水灰比和砂率等对混凝土自愈合能力的影响。主要研 究结果和结论如下： 1 、关于水泥细度对砂浆和混凝土损伤自愈合能力影响规律的研究。水泥粗 颗粒对砂浆和混凝土损伤的自愈合能力有一定的促进作用，随着水泥粒径的增 大，砂浆试件损伤自愈合能力逐渐增大，混凝土的损伤自愈合能力呈现出先增大 后减小的趋势，3 2 9 m 6 5 9 m 的水泥颗粒在混凝土损伤自愈合过程中起到主要的 作用。 2 、砂浆和混凝土损伤自愈合能力随着矿物掺合料细度的不同呈现出不同的 变化趋势，3 1 t m 3 2 1 t m 的钢渣微粉在砂浆和混凝土损伤自愈合过程中起到积极的 作用，3 2 9 m 6 5 9 m 的矿渣微粉能够促进砂浆和混凝土损伤的自愈合。 3 、矿物掺合料细度对砂浆和混凝土损伤自愈合能力的影响。随着钢渣和矿 渣细度的减小，砂浆试件损伤自愈合能力均呈现先增大后减小的趋势，钢渣比表 面积为3 3 0r n 2 k g 时，砂浆损伤自愈合能力最强，矿渣比表面积为3 0 0m 2 k g 时， 砂浆损伤自愈合效果最好；随着钢渣和矿渣粒径的增加，混凝土损伤自愈合能力 先增大后减小，当钢渣比表面积为3 3 0m 2 k g ，掺量为4 0 时，混凝土损伤前后 抗压强度增长率最大，自愈合能力最强，当矿渣比表面积为3 0 0m 2 k g ，掺量为 4 0 时，混凝土损伤自愈合效果最好。 4 、复掺矿渣和粉煤灰对混凝土损伤自愈合能力的影响。当矿渣和粉煤灰复 掺时，矿渣和粉煤灰的火山灰效应、粒度效应、二次水化效应互相叠加，混凝土 损伤愈合率增大；混凝土损伤灰关联度分析，可以看出，各因素对混凝土损伤自 愈合能力影响程度为：粉煤灰 矿渣 水泥。 v 混凝i ：损伤臼愈 s l a g c e m e n t 5 t h ei n f l u e n c eo fw a t e rc e m e n tr a t i oa n ds a n dr a t i oo nt h es e l f - h e a l i n ga b i l i t y o fc o n c r e t ew a sr e s e a r c h e d i nac e r t a i nr a n g eo fw a t e rc e m e n tr a t i o ，t h es e l f - h e a l i n g a b i l i t yo f c o n c r e t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fw a t e rc e m e n tr a t i o ，w h e nt h ew a t e r c e m e n tr a t i oo fc o n c r e t ei so 5 5 ，t h ei n c r e a s e sr a t i oo fu l t r a s o n i cv e l o c i t yf r o md a m a g e t os e l f - h e a l i n gi s2 3 9 ，t h ei n c r e a s e sr a t i oo fc o m p r e s s i v es t r e n g t hi s11 1 ，a n dt h e s e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fc o n c r e t ei st h es t r o n g e s t w h e ns a n dr a t i oi s3 3 ，t h ei n c r e a s e s r a t i oo fu l t r a s o n i cv e l o c i t yf r o md a m a g et os e l f - h e a l i n gi s21 9 t h ei n c r e a s e sr a t i oi s t h eh i g h e s t ，a n dt h es e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fc o n c r e t ei st h eb e s t k e yw o r d s ：d a m a g e ；s e l f - h e a l i n g ；c e m e n t ；m i n e r a la d m i x t u r e ；f i n e n e s s 济南人学硕 学化论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 目前我国正处于快速发展时期，大规模的基础建设如火如茶的进行。混凝土 以其良好的耐久性，广泛的应用于建筑工程中，是目前用量最大的工程材料【卜5 1 ， 它的广泛应用及相关科学技术的发展直接影响着人类的可持续发展【6 】。混凝土是 工程建设中不可替代的基础建设材料，可以预见，在未来相当长一段时间内，混 凝土依然是国民建设中不可缺少的工程材料( 7 母】。 但裂纹一直是混凝土结构面临的最大问题，由于混凝土的物理收缩、内外温 差等不利因素的影响，混凝土结构将产生损伤积累和抗力衰减，从而不可避免地 会产生微开裂【1 0 1 。损伤的不断积累，导致了混凝土的微裂纹的产生，如果不能及 时修复，可能由此诱发宏观裂缝生成，降低结构承受能力，甚至直接导致混凝土 工程的崩塌，造成不可估计的损失。 据统计，1 9 9 5 年日本神户( k o b e ) 大地震之后，一些建筑物在遭受主震后，并 未立即倒塌，但结构却已经受到严重损伤，由于未能及时发现，其在后来的余震 中倒塌了。2 0 0 4 年1 0 月2 3 日发生的日本新泻地震，造成2 7 0 0 栋住宅损毁，约 1 2 0 0 栋办公楼及公共设施完全或部分损坏，死亡3 1 人。据调查，美国截止到1 9 9 8 年整个混凝土工程的价值约为6 0 0 0 0 亿美元，而今后每年用于检测、维修改造或 重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿美元；英国每年用于钢筋混凝土结构检测与修复 的费用达2 0 0 亿英镑；日本引以为豪的新干线使用不到十年，就出现了大面积的 混凝土开裂和剥蚀，今后用于检测和修复的费用将相当巨大。在我国，重大土木 工程事故也频繁发生，给人民的生命及财产造成了巨大损失。1 9 7 6 年7 月2 8 日， 我国唐山7 8 级大地震造成2 4 2 万余人死亡，1 6 4 万余人重伤，直接经济损失达 1 0 0 亿元。尤其是近三年来，我国重大工程事故更是频有发生。2 0 0 7 年8 月1 3 日，湖南湘西风凰县的凤凰公路桥，在竣工前夕轰然垮塌，造成4 7 余人死亡， 2 2 人重伤的严重事故，损失惨重。2 0 0 8 年1 月1 0 日起中国1 9 个省级行政区均 受到低温、雨雪、冰冻灾害影响，造成了大量的土木结构破坏，死亡6 0 人，造 成的直接经济损失达5 3 7 9 亿元。2 0 0 8 年5 月1 2 日发生的四川汶川大地震触动 混凝f ：埙伤f j 愈合能j 影响i 习素研究 了世界人民的心灵，此次地震共造成了6 9 万余人遇难，3 7 万余人受伤，失踪 1 8 万多人，造成的经济损失超万亿元。 种种事件的发生，使混凝土课题成为当代社会的热点，大批工作者投入到研 究中，不断推动现代材料科学的进步，混凝土也逐渐向高强、高性能、多功能和 智能化方向发展【1 1 1 ，尽管如此，混凝土裂纹问题并没有得到很好的控制，混凝土 裂纹的修复也只是在混凝土出现裂缝以后被动的修补f 1 2 - 1 3 1 。 虽然混凝土开裂是一个不可逆的过程，但是混凝土裂纹在一定条件下可以自 动愈合，如果将这种自愈合机理应用与混凝土裂纹的自愈合中，则会促进裂纹的 自我修复，使混凝土能够主动、自主的对损伤部位进行修复，恢复并提高混凝土 材料的性能。 混凝土损伤自愈合能力研究关系到工程建筑的使用寿命，甚至直接关系到人 民的生命安全，从以上种种事件足以看到混凝土损伤自愈合能力影响因素研究的 重要性。 本文利用混凝土裂纹的自修复特性，进行混凝土损伤自愈合能力的影响因素 研究，采用超声波无损检测、扫描电镜分析、裂纹宽度测量等测试方法，研究水 泥、矿渣细度等对混凝土损伤自愈合能力的影响，论证各因素对混凝土损伤自愈 合能力的影响。 1 2 国内外研究现状 自愈合混凝土，是一种具有感知并能进行自我修复性能的混凝土。从严格意 义上来说，自愈合混凝土是一种机敏混凝土，它是混凝土向智能材料发展的一个 高级阶段。所谓智能材料【1 4 】，指的是能感知环境条件变化，并做出相应行动的材 料；自愈合混凝土，是模仿生物机体受损伤后的再生、恢复机理，采用修复组 分和混凝土材料相复合的方法，对材料损伤具有自愈合和再生功能的一种新型材 料。 1 2 1 修复乳液在混凝土损伤自愈合过程中的应用 国内外学者们提出了具有自修复行为的智能材料模型【16 1 ，即在材料的基体中 均匀布有许多细小管道( 类似血管) ，管中装有可流动的物质修复物质( 类 2 济南人学硕 ：学位论文 似血液) ，在外界环境作用下，当材料基体开裂时，细小管道随即裂开，其内装 的修复剂流到裂缝处，由化学作用自动实现粘合，实现裂纹的自愈合，这可以提 高开裂部分的强度，增强弯曲的能力，从而起到抑制开裂和修复材料的作用【1 7 - i s 。 文献【l9 】研究了将多孔的纤维网预埋在水泥( 含有单聚物) 基体材料中，当基 体产生裂纹时，引发剂从多孔纤维中释放出，与掺在水泥中的单聚物聚合成高聚 物，不但起到修复裂纹的作用，而且聚合反应留下的水分促使水泥水化，使试件 更加致密。文献【2 0 】研究了一种由甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 单体，过氧化氢和铅三 组分构成的修复系统，其中后两组分为引发剂，实验时先将其中的一种引发剂与 m m a 单体混合，然后将混合物及另一引发剂分别注入不同的修复纤维管中，当 混凝土开裂时，纤维管破裂，三组分混合引起聚合反应，生成一种坚硬的似树脂 玻璃的物质修复裂缝。c a r o l y n 将注有修复粘结剂的脆性纤维管预埋在混凝土中， 荷载导致裂缝产生，使纤维管破裂并且释放修复剂进入裂缝中，修复裂缝，在试 件表面上能看到有染色的修复剂流出，修复剂固化后再进行第2 次三点弯曲实 验，测试了试件修复前后的承载能力，试验结果表明，修复剂修复后的试件能承 受更大的荷载【2 。 2 0 世纪9 0 年代，日本对自愈合混凝土的研究取得很大发展【2 2 1 ，日本东北大 学学者三桥博三教授将内含胶粘剂的空心胶囊或玻璃纤维掺入混凝土材料中，分 别用水玻璃、稀释的水玻璃和环氧树脂作为修复剂，注入空心胶囊或空心玻璃纤 维中，当混凝土在外力作用下发生开裂，部分胶囊或空心纤维破裂释放修复液， 修复液渗入裂缝可使混凝土裂缝重新愈合，他们通过制作龄期为7 d 和2 8 d 的混 凝土试件，来测试经不同修复剂修复开裂后混凝土试件的强度恢复率【2 3 1 。 1 9 9 6 年，美国i l l i n o i s 大学的a t r e 实验室在混凝土桥面内预装有低模量的 内含修复胶粘剂的修复管，当混凝土产生横向收缩时修复管破裂，修复胶粘剂从 管中流出，填充愈合桥面的裂缝【2 4 】，实验证明，这种方法用来修复桥面横向收缩 引起的裂缝是可行的，由于修复胶粘剂弹性模量低，裂缝愈合区比未开裂之前有 更大的承受变形的能力。 目前，国内对智能材料结构的研究一般都集中在对它的自诊断、自适应功能 上，对于自自愈合混凝土的研究尚处于刚刚起步阶段，与西方发达国家相比还有 很大的差距【2 5 1 。南京航空航天大学的智能材料与结构航空科技重点实验室，在我 混凝f ：损伤自愈合能力影响冈素研究 国的智能复合材料研究领域处于领先地位，19 9 7 年他们研究了利用形状记忆合 金s m a 丝和液芯光纤对复合材料结构中的损伤进行自诊断、自修复，对总体方 案进行了分析，采用e 4 4 和e 5 1 的环氧树脂，在混凝土中埋入形状记忆合金和 液芯光纤，光纤的出射光由光敏管接受，当损伤发生时，由液芯光纤组成的自诊 断、自修复网络使胶液流入损伤处，同时局部激励损伤处的s m a 短纤维，产生 局部压应力，使损伤处的液芯光纤断裂，修复液流出，对损伤处进行修复，而且 当液芯光纤内所含的胶粘剂流到损伤处后，s m a 激励时所产生的热量，将提高 修复液固化的质量，使得自修复效果更好【2 6 1 。 2 0 0 1 年，南京航空航天大学的杨红f 2 他即提出了利用空心光纤来实现智能结 构的自诊断、自修复，首创了用于智能结构的空心光纤研究方法，并对其进行了 应用基础研究，此外，还设计出了复合材料损伤诊断与修复系统，用于检测复合 材料的损伤程度与位置，以及对损伤处进行自修复等，在复合材料中，埋入s m a 丝以提高复合材料的安全性和可靠性，研究的对象是纸蜂窝和树脂基两种复合材 料，利用空心光纤注胶的方法进行了复合材料自修复的研究，实验结果表明，修 复后的纸蜂窝复合材料完全达到正常材料的使用性能，树脂基复合材料在完全破 坏的情况下，修复后材料的拉伸和压缩性能得到很大的恢复。 同济大学混凝土材料国家重点实验室【2 9 】研究的仿生自诊断和自修复智能混 凝土是模仿生物对创伤的感知和生物组织对创伤部位愈合的机能【3 0 】，在混凝土传 统组分中复合特殊组分即所谓的第六组分，如仿生传感器、含胶粘剂的液芯纤维 等，使混凝土内部形成智能型仿生自诊断、自愈合网络系统；当混凝土材料内部 出现损伤时，仿生传感器可以及时诊断预警，当内部出现微裂纹时，部分液芯纤 维破裂，胶粘剂流出渗入裂缝，使混凝土裂缝重新愈合，恢复并提高混凝土材料 的物理性能；该智能复合材料的研究可实现对混凝土材料的能动诊断、实时监测 和及时修复，以超前意识确保混凝土结构的安全性，延长混凝土构筑物的使用寿 命。 福州大学土木建筑系的刘承超等对自修复混凝土进行了初步的理论研究【3 ， 对自修复混凝土的工作机理进行了探讨，采用自密实高性能混凝土作为自修复混 凝土的基材，对内置空心玻璃短管和空心玻璃长管的自修复自密实混凝土材料的 力学性能，及胶粘剂对钢筋混凝土受压弯构件的自修复效果进行了试验研究，并 4 济南大学硕f ：学伊论文 就所用的玻璃纤维管及其各种参数进行了分析，还利用大型有限元软件 a b a q u s 建立模型，对置于混凝土中的修复玻璃短管进行了有限元数值分析， 以确定其合理的壁厚，并分析了自修复混凝土中纤维管的掺加量、尺寸、水灰比、 粘胶剂的种类等因素对混凝土自修复的影响。 哈尔滨工业大学土木工程学院的欧进萍等对内置胶囊混凝土的裂缝自愈合 行为进行了试验和分析【3 2 。3 】；首先，建立了描述修复胶囊在混凝土中的分布和取 向函数；接着，根据混凝土的破坏机理，确定了修复胶囊的破坏应力参数；然后， 通过实验分析了修复胶囊的几何参数和体积率对混凝土性能的影响，得到了几何 参数和体积率的最佳取值范围；其次，利用a n s y s 对修复胶囊进行了有限元分 析，确定了其合理的壁厚，为修复胶囊材料的选择提供了一种有效的研究方法； 最后，进行了内置胶囊混凝土试验，并取得了一定的自愈合效果；同时他们还对 内置纤维胶液管的钢筋混凝土梁自愈合行为进行了试验，首先，分析了修复纤维 对混凝土自愈合效果的影响因素，其次，从修复纤维微分单元的平衡状态，得到 了修复纤维能及时发挥修复作用的合理参数，最后，通过3 分点弯曲试验，验证 了梁的裂缝自愈合能力，分别采用不同的修复胶粘剂进行了试验，得到了一种适 合钢筋混凝土梁裂缝自愈合的理想胶粘剂。 1 2 2 胶凝材料对混凝土损伤自愈合能力的影响 1 9 2 5 年，a b r a m s 发现混凝土具有自愈合现象【3 4 1 ，他注意到混凝土抗压强度 测定后的开裂试件放在户外8 天后其裂缝居然愈合了，且其抗压强度为该试件 2 8 d 抗压强度的2 倍多。后来，c l e a r t ”l 研究了已损伤的混凝土在水中存放一段时 间后的自愈合情况。j s t e 最m ( 1 9 9 5 ) 发现【3 6 】，将混凝土试件冻融破坏之后放置一段 时问后，混凝土恢复了一部分共振频率，并且在裂纹中有钙矾石晶体和氢氧化钙 晶体。混凝土裂缝宽度小于0 3 m m ，经过一段时间后完全封闭【3 7 1 。诸多文献【3 8 4 1 】 涉及水泥基材料裂纹自愈合这一主题，研究了自愈合机理、自愈合过程并对自愈 合效果做出评价。 蒋正武【4 2 】经研究提出混凝土裂缝自愈合中的关键是水泥浆体水化产生的 c a ( o h ) 2 同水中c 0 2 反应生成c a c 0 3 晶体，他将c a c 0 3 的生成分为两个不同的 阶段，晶体生长开始阶段，裂缝壁有足够的c a 2 + ，c a c 0 3 晶体会迅速生长，此时 5 、琨徽十损伤门愈v oileineli。参一母e n i o v 8謦母lnen。 (一。量ioi毛o1暑石 拿)eloi里芒寺j墨石 一孚一。了iov是，言lnero参一口e3iov e一苗je了o 孚一tenioi口co-窘，石 一参一oe丁lov m|嚣ine30 一术一meniolm薯oi鐾石 一手一oeniov o翟辱lnc_i，o 济南大学硕l j 学f 市论文 由表4 1 、表4 2 和图4 1 可以看出，钢渣和矿渣的比表面积、平均粒径和粒 度分布区间各不相同，基于这些连续级配的矿物掺合料，展开不同细度矿物掺合 料对砂浆损伤自愈合能力的影响研究。 4 2 矿物掺合料对砂浆损伤自愈合能力的影响 4 2 1 砂浆损伤自愈合前后抗压强度与矿物掺合料细度的关系 固定钢渣和矿渣的掺量为3 0 ，制作4 0 m m x 4 0 m m x l 6 0 m m 水泥砂浆试件， 标准养护2 8 天，通过抗压强度测定预制损伤，将预制损伤的砂浆试件放入水中 养护2 8 天，测定损伤愈合后的砂浆试件的抗压强度，根据水泥砂浆损伤愈合前 后抗压强度测试结果绘制矿物掺合料细度与砂浆损伤自愈合能力的关系图，如图 4 2 所示。 比表面积m l k 9 1比表面积m 2 k g 。1 a ) 钢渣”矿渣 a ) s t e e ls l a gb ) s l a g 图4 2 矿物掺合料的细度与砂浆损伤自愈合能力的关系 f i g4 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i n e r a la d m i x t u r ef m e n e s sa n ds e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fc e m e n tm o r t a r 由图4 2 可知，钢渣掺量固定为3 0 时，砂浆损伤自愈合能力随着钢渣细度 的减小而先增大后逐渐减小，这是因为钢渣活性小，当细度减小时，比表面积增 大，钢渣活性增大，部分活性成分水化生成水化胶凝性产物，可以提前钢渣的水 化时间；当钢渣细度增大时，比表面积减小，早期钢渣颗粒主要起到填充空隙的 作用，随着钢渣细度的增大，钢渣水化试件被延缓。由图4 2 中曲可以看出，当 钢渣比表面积为3 3 0m 2 k 酉1 时，砂浆自愈合能力最强。钢渣在适宜的颗粒分布区 3 1 2 0 2 4 6 量r涩姐暂皿 混凝十损伤白愈合能力影响冈素研究 间，当裂纹产生后，未水化胶凝性矿物暴露与水接触，进一步水化，生成新的水 化产物，填充裂纹等，弥补强度损失，在一定程度上表现为增强砂浆损伤自愈合 能力，根据表4 2 矿物掺合料粒度分布表可以看出三种钢渣的粒度分布，钢渣粗 颗粒2 群中3 9 m 3 2 9 m 的钢渣微粉占5 2 4 ，而钢渣粗颗粒l 存占4 5 2 ，钢渣粗 颗粒3 样占3 9 6 ，三种钢渣粗颗粒小于6 2 1 a m 的含量大体相同，由实验可得，掺 加钢渣粗颗粒2 的砂浆试件损伤自愈合能力最强，可以得出：砂浆损伤自愈合 过程中，3 9 m 3 2 i _ t m 的钢渣颗粒起到积极的作用。 矿渣掺量固定为3 0 时，砂浆损伤自愈合能力随着矿渣细度的减小先增大后 逐渐减小。水泥试件水化早期，主要是水泥的水化，矿渣也出现了水化迹象，粒 径较小的矿渣颗粒率先水化，并趋于完全，随着水泥熟料的水化，水化产物不断 的覆盖在矿渣颗粒表面，水化早期，矿渣的水化速度一直低于水泥熟料的水化速 度。随着掺入的矿渣细度逐渐减小，水化时间逐渐提前，砂浆早期强度逐渐增高； 随着掺入的矿渣细度的逐渐增大，矿渣水化试件逐渐延后，早期矿渣水化较少。 由图4 2 可以看出，当矿渣比表面积为3 0 0m z k g 1 时，砂浆试件的损伤自愈合能 力最强，根据表4 2 矿物掺合料粒度分布表可以看出矿渣粗颗粒5 群中3 2 1 a m 6 5 肛m 颗粒含量为4 3 5 ，要高于其他两种矿渣的含量，且掺加矿渣5 群的砂浆试件的自 愈合能力最强，可以得出，3 2 1 t m 6 5 1 a m 微粉在砂浆损伤自愈合过程中起到积极 的作用，大于6 5 1 a m 的微粉在砂浆损伤自愈合过程中效果不明显。 4 2 2 超声波检测砂浆损伤自愈合情况 掺加不同细度矿物掺合料的水泥砂浆试件损伤愈合前后超声波波速变化情 况如图4 3 和图4 4 所示。 由图4 3 和图4 4 可以看出，掺加不同细度矿物掺合料的水泥砂浆试件损伤 愈合前后超声波波速增长率各不相同，与抗压强度增长率一样，在掺量相同的情 况下，随着比表面积的增加呈现相同的变化规律，这又从一个侧面证明了抗压强 度所表征的自愈合能力强弱的合理性。当钢渣比表面积为3 3 0i n 2 k 百1 时，超声波 波速增长率最大，砂浆自愈合能力最强；当矿渣比表面积为3 0 0m z k g - 1 时，超声 波波速增长率最大，砂浆试件的损伤自愈合能力最强。 3 2 济南人学硕j j 学位论丈 4 4 0 0 4 3 1 # ( 2 1 0 ) 2 # ( 3 3 0 ) 3 # ( 4 4 0 ) 钢渣细度m z k g 。1 8 誉 雠 基 鬟6 鲻 4 1 # ( 2 1 0 ) 2 # ( 3 3 0 )3 # ( 4 4 0 ) 钢渣细度m 2 k g 1 a ) 愈合前后的波速b ) 波速变化率 a ) v e l o c i t yo fu l t r a s o n i cb e f o r ea n da f t e rs e l f - h e a l i n g b ) w a v ev e l o c i t yv a r i a t i o n 图4 3 砂浆损伤愈合前后钢渣细度与波速变化率的关系 f i g 4 3r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t e e ls l a gf i n e n e s sa n dv a r i a t i o no fw a v ev e l o c i t yb e f o r ea n da f t e r s e l f - h e a l i n go fc e m e n tm o r t a r 4 4 0 0 4 3 0 0 4 2 0 0 缎 鲻4 1 0 0 警4 0 0 0 巾k 靼 3 9 0 0 4 # ( 2 0 0 ) 5 # ( 3 0 0 )6 # ( 4 5 0 ) 矿渣细度m 2 k 9 1 誉 褥 s 制 锻 鲻 4 # ( 2 0 0 ) 5 # ( 3 0 0 )6 # ( 4 5 0 ) 矿渣细度m z k g 1 a ) 愈合前后的波速b ) 波速变化率 a ) v e l o c i 哆o f u l t r a s o n i cb e f o r ea n da f t e rs e l f - h e a l i n gb ) w a v ev e l o c i t yv a r i a t i o n 图4 4 砂浆损伤愈合前后矿渣细度与波速变化率的关系 f i g 4 4r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns l a gf i n e n e s sa n dv a r i a t i o no fw a v ev e l o c i t yb e f o r ea n d a f t e r s e l f - h e a l i n go fc e m e n tm o r t a r 4 3 矿物掺合料对混凝土损伤自愈合能力的影响 按照不同细度的矿物掺合料制作出1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m 的混凝土试件， 混凝土配合比为：水：水泥：细骨料为：粗骨料= 1 9 0 ：4 1 3 ：6 6 5 ：1 1 3 2 ，矿物掺 合料( 内掺) 掺量分别为2 0 、3 0 、4 0 ，养护至2 8 天测定其抗压强度并预制裂 纹，把预制裂纹的试件再养护2 8 天后测定其抗压强度，借助混凝土超声波测量 仪测定混凝土裂纹预制前后和愈合后的情况。 3 3 o 0 o 0 砌 鲫 4 4 4 3 。是煅鲻鳟啦骝 2 0 8 混凝十损伤自愈合能力影响冈素研究 4 3 1 单掺钢渣和矿渣对混凝土损伤自愈合能力的影响 4 3 1 1 单掺对混凝土损伤自愈合前后抗压强度的影响 单掺条件下钢渣在不同掺量和不同比表面积条件下对混凝土损伤自愈合能 力的影响关系如图4 5 所示。 8 辞4 r 脚 笳。 拯 皿- 4 - 8 比表面积m 2 k g 图4 5 混凝土损伤自愈合能力与钢渣细度的关系 f i g 4 5r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t e e ls l a gf i n e n e s sa n dt h es e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fc o n c r e t e 由图4 5 所示，单掺钢渣，当钢渣掺量为2 0 、3 0 和4 0 时，混凝土损伤 前后抗压强度随着钢渣比表面积的增大先增大后减小，当钢渣比表面积为3 3 0 m 2 k g - 1 时，混凝土损伤前后抗压强度变化率最大，即混凝土损伤自愈合能力最强； 钢渣细度越小，活性越高，可以通过粉磨的方式激发钢渣的活性，得钢渣中的玻 璃体在粉磨过程中受到不同程度的破坏，活性矿物从玻璃体中暴露出来，遇水发 生水化反应，增加水化试件强度，随着钢渣细度的减小，钢渣活性逐渐增大；随 着钢渣细度的增大，钢渣活性逐渐减小，活性矿物包裹在玻璃体中，不能与水发 生充分的反应，不利于混凝土试件损伤的愈合。 从本实验的结果可以看出，当钢渣细度适宜的情况时，在水泥水化早期，钢 渣主要起到颗粒效应，提高混凝土的流动性，水化后期，在混凝土受压产生裂纹 等损伤的情况下，适宜的水化环境，则c a ( o h ) 2 浓度升高，钢渣活性得以激发， 活性矿物与水反应生成c s h 凝胶等水化产物，填充混凝土裂纹、孔洞等损伤， 济南人学硕卜学位论叟 使混凝土强度增加，在宏观上表现为混凝土的强度增加，即表现为混凝土损伤的 自愈合能力强，由图4 5 可以看出当钢渣比表面积为3 3 0 m 2 - k g - 1 ，掺量为4 0 时， 混凝土损伤的自愈合能力最强，根据表4 2 矿物掺合料粒度分布表可以看出三种 钢渣的粒度分布，钢渣粗颗粒2 j | i 中3 1 a m 3 2 9 m 的钢渣微粉占5 2 4 ，而钢渣粗颗 粒1 占4 5 2 ，钢渣粗颗粒3 稃占3 9 6 ，三种钢渣粗颗粒小于6 2 t m 的含量大体 相同，且掺加钢渣粗颗粒2 群的混凝土试件损伤自愈合能力最强，可以得出：混 凝土损伤自愈合过程中，3 1 a m 3 2 9 m 的钢渣颗粒起到积极的作用。 由钢渣细度与砂浆和混凝土损伤自愈合能力关系实验，可以得出，分布在 3 9 m 3 2 9 m 的钢渣颗粒对砂浆和混凝土损伤自愈合起到了积极的作用，所以在钢 渣做混凝土掺合料的应用中，可以适当的增加3 9 m 一3 2 9 m 区间的微粉含量。 不同掺量条件下矿渣细度与混凝土损伤自愈合能力的关系，如图4 6 所示。 由图4 6 可以看出，单掺矿渣，混凝土在不同掺量和不同细度的情况下的损 伤自愈合能力呈现不同的规律。当矿渣掺量为2 0 和3 0 时，混凝土损伤自愈 合能力随着矿渣比表面积的增大逐渐减小，当比表面积为2 0 0m 2 - k g 1 时，混凝土 损伤自愈合能力最强；当矿渣掺量为4 0 时，混凝土损伤自愈合能力随着矿渣比 表面积的增大而呈现先增大后减小的趋势，当矿渣比表面积为3 0 0m 2 k g - 1 时，混 凝土损伤自愈合能力最强。 通过粉磨得到不同细度的矿渣，通过粉磨可以激发矿渣的活性。水泥水化生 成的c a ( o h ) 2 会覆盖在矿渣颗粒表面，在一定程度上减缓了矿渣的水化速率，矿 渣水化速率小于水泥的水化速率，所以水化早期矿渣主要起到颗粒效应，随着水 化龄期的增长，c a ( o h ) 2 浓度逐渐增大，水泥水化速率逐渐减缓，矿渣在高碱度 环境下，进一步水化，生成水化产物，当混凝土有裂纹等损伤时，水化产物起到 修补作用，使混凝土强度在一定程度上得以恢复。由图4 6 可知，当矿渣掺量为 4 0 ，比表面积为3 0 0m 2 k g - 1 时，混凝土损伤自愈合能力最强，根据表4 2 矿物 掺合料粒度分布表可以看出矿渣粗颗粒5 挣中3 2 9 m 一6 5 9 m 颗粒含量为4 3 5 ，比 另外两种细度的矿渣都要多，可见3 2 1 a m 一6 5 9 m 微粉在砂浆损伤自愈合过程中起 到积极的作用，而大于6 5 9 m 的微粉在砂浆损伤自愈合过程中效果不明显。 3 5 混凝十损伤自愈合能力影响冈素研究 8 4 水 r o 口 希。 镇 皿4 8 k b 4 5 * ( 2 0 0 ) 5 # ( 3 0 0 ) 6 # ( 4 5 0 ) 比表面积m 2 k 9 1 图4 6 混凝士损伤自愈合能力与矿渣细度的关系 f i g 4 6i n f l u e n c eo fs t e e ls l a gf i n e n e s so nt h es e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fc o n c r e t e 由矿渣细度与砂浆和混凝土损伤自愈合能力关系实验，可以得出，分布在 3 2 1 a m 6 5 p m 的矿渣微粉对砂浆和混凝土损伤自愈合起到了促进的作用，所以在 矿渣做水泥混凝土掺合料的应用中，可以适当的增加3 t t m 3 2 1 a m 区间的微粉含 量，以提高砂浆混凝土损伤自愈合能力。 4 3 1 2 超声波检测混凝土损伤自愈合情况 矿物掺合料与混凝土超声波波速变化关系，如图4 7 所示。 3 0 术 篓2 。 锹 o 比表面积m 2 k g 1 3 0 葶 、 龉2 0 皋 制 幽 鲻1 0 0 4 # ( 2 0 0 ) 5 # ( 3 0 0 ) 6 # ( 4 5 0 ) k b 比表面积m 2 k 9 1 a ) 钢渣b ) 矿渣 a ) s t e e ls l a g b ) s l a g 图4 7 混凝土超声波波速变化与矿物掺合料的关系图 f i g 4 7r e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i n e r a la d m i x t u r ea n ds e l f - h e a l i n ga b i l i t yo fc o n c r e t e 济南大学硕 j 学位论文 由图4 7 可以看出，混凝土试件愈合后的超声波波速都有所增加，因为混凝 土试件的密实度、弹性模量等各不相同，导致愈合前后波速比各不相同，这也从 另一角度反应了混凝土试件损伤的愈合情况，当矿渣比表面积为3 0 0m 2 - k g - 1 ，掺 量为4 0 时，超声波愈合前后变化率最大，从侧面反映了混凝土损伤自愈合能力 最强，当钢渣比表面积为3 3 0m 2 k g - ，掺量为4 0 时，混凝土损伤的自愈合能力 最强。 4 3 2 复掺矿物掺合料与混凝土损伤自愈合能力的关系 本实验从复掺的角度出发，研究复掺矿渣和粉煤灰对混凝土损伤自愈合能力 的影响。 复掺比表面积为4 5 0m 2 k 分1 的矿渣和比表面积为5 0 0m 2 k g - 1 的粉煤灰，复 掺矿渣和粉煤灰的混凝土的配合比如表4 3 所示。 表4 3 复掺矿渣粉煤灰混凝土配合比w t t a b l e 4 3m i x t u r er a t i oo fc o n c r e t ew i t hs l a ga n df l ya s h w t 粉煤灰和矿渣在混凝土中的使用各有优缺点：掺粉煤灰的混凝土早期强度随 粉煤灰掺量的增加降低，后期强度增长潜力较大；掺矿渣的混凝土，早期强度一 般不受影响，但当矿渣粉的掺量较低时，起不到降低水化热温升的作用【删，而且 3 7 混凝卜损伤自愈合能，j 影响 太1 素研究 矿渣的减水作用也不如粉煤灰，当矿渣掺量较大时，混凝土后期收缩较大，容易 开裂。在混凝土中以一定的比例同时掺用粉煤灰和矿渣粉，二者不仅优势互补， 而且综合效应更好。 4 3 2 1 复掺对混凝土损伤愈合前后抗压强度的影响 混凝土经预制损伤，再养护后，抗压强度有所恢复，损伤在一定程度上的愈 合，复掺矿渣粉煤灰混凝土损伤愈合前后抗压强度变化与和复掺矿渣粉煤灰掺量 与混凝土损伤自愈合能力的关系图，如图4 8 所示。 4