考虑界面过渡区的水泥基材料徐变模型研究

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水泥基材料是一种非均质多相复合材料,界面过渡区是各相中最薄弱的环节,其力学性能对水泥基材料的宏观性能有重要的影响。徐变是水泥基材料本身固有的时变特性,直接影响结构的受力性能和长期变形。水泥基材料细观模型对工程实践具有重要的指导意义,现有的考虑界面过渡区的水泥基材料细观模型大多用来分析材料的弹性性能,对于直接涉及考虑界面过渡区的水泥基材料徐变模型鲜有研究。考虑到水泥基材料徐变问题与时间存在极大相关性,已有的弹性模型在适用性方面略显欠缺。基于此,本文从细观层次出发,将水泥基材料看成由水泥基体、界面过渡区以及增强体组成的多相复合材料,采用细观力学理论、拉普拉斯(Laplace)变换原理以及剪滞理论等建立考虑界面过渡区的水泥基材料徐变预测模型,从而揭示界面过渡区在水泥基材料徐变中的作用机理。通过粘弹性模型与徐变试验数据拟合分析,确定Burgers模型更适合表征水泥基材料的徐变特性。在此基础上,运用细观力学理论和Laplace变换原理,建立一个考虑界面过渡区粘弹性的混凝土徐变预测模型,并利用课题组前期试验数据对其进行了验证。结果表明:考虑界面过渡区的混凝土徐变模型与试验数据吻合较好;该模型能够反映界面过渡区在混凝土徐变中的作用,与不考虑界面过渡区的徐变模型值相比,在加载龄期为365 d时,界面过渡区使粉煤灰掺量为0%、30%、60%和矿渣掺量为30%、60%的混凝土徐变度分别提高了45.7%、25.1%、66.7%和31.3%、42.1%。依据该模型探讨了界面过渡区对混凝土徐变的贡献度。利用骨料级配表达式和最邻近表面分布函数,推导出界面过渡区体积分数定量计算的解析式。进一步探讨了界面过渡区厚度、骨料体积分数和骨料粗细程度对界面过渡区体积分数和重叠程度的影响。确定了界面过渡区厚度均是影响界面过渡区体积分数和重叠程度的关键因素。将界面过渡区看成一个单独的相,利用推导的界面过渡区体积分数定量计算的解析式,建立了具有界面过渡区“单独相”的水泥基颗粒增强复合材料徐变预测模型,并利用课题组前期试验数据对其进行了验证。依据该模型探讨了界面过渡区厚度、界面过渡区粘弹性参数、骨料体积分数和骨料粗细程度对混凝土和砂浆徐变性能的影响。确定了界面过渡区粘弹性参数是影响混凝土和砂浆徐变的关键因素。利用三相模型和剪滞理论,提出了考虑界面过渡区的钢纤维混凝土徐变预测模型,并与之前课题组徐变数据吻合较好。分析了界面过渡区在钢纤维混凝土徐变中所起的作用,结果表明:与不考虑界面过渡区的徐变模型值相比,在加载龄期为365d时,界面过渡区使钢纤维掺量1%、2%和3%的混凝土徐变度分别提高了9.8%、6.3%和54.0%。通过该模型进一步探讨了界面过渡区弹性模量、厚度和钢纤维长径比对钢纤维混凝土徐变性能的影响。确定了界面过渡区弹性模量是影响钢纤维混凝土徐变性能的关键因素。本文建立的考虑界面过渡区的水泥基材料徐变模型,揭示了界面过渡区对水泥基材料徐变的作用机理,确定了影响水泥基材料徐变性能的关键因素,研究成果可为水泥基材料徐变的主动控制提供模型依据和理论参考。
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