该研究题为 “Formulation and Performance of Model Concrete in Reduced-Scale Physical Model Tests”,由来自天津大学土木工程学院的 Gang Zheng、Boyang Xia、Haizuo Zhou、Yu Diao、Jianyou Huang、Junbo Zhang 和 Xiaoxuan Yu 共同完成。这篇文章发表于国际期刊《Materials》2023年第16卷,编号为5784,在线发表日期为2023年8月24日。研究的主要通信作者为 Haizuo Zhou(天津大学)。
本研究涉及的科学领域为 岩土工程与混凝土材料建模。研究背景基于以下两点关键内容:
小比例物理模型试验的重要性:小比例建模在研究岩土工程中机械行为、失效机制和土-结构相互作用等方面具有重要价值,尤其是在高应力模拟的离心试验中。但传统混凝土的颗粒尺寸不易缩放为小比例模型的要求,大型粗骨料在比例缩放中会导致材料强度的高估。此外,传统混凝土需要 28 天龄期才能达到设计强度,这并不适合快速开展的模型实验。
α- 石膏基材料的应用潜力:石膏基砂浆能够很好地反映混凝土的准脆性失效行为,特别是在需要扩大比例因子的离心模型试验中表现出良好的机械性能。然而,现有研究中石膏基混凝土的配比往往只适用特定试验条件,且缺乏广泛适用性的配料设计和性能预测方法。
基于以上背景,本文的研究目标是:开发一种适用于小比例物理模型试验的α-石膏基模型混凝土,通过研究不同配比对材料流动性、稳定性和力学性能的影响,提出一种预测模型来指导不同实验需求下的优化配比设计。
本研究主要包含以下几个部分的工作流程:
原材料选择与表征
正交试验设计
为探讨不同水-石膏比(water/plaster ratio,w/p)及骨料-石膏比(aggregate/plaster ratio,a/p)对材料性能的影响,采用正交试验法设计了20组样品,每组具体配比详见研究表格,这些配比基于相关文献典型值并结合多轮预实验确定。
样品制备与实验方法
数据分析与预测模型开发
物理性能(流动性与泌水率)
力学性能(抗压与抗弯强度)
相关性分析
除流动性与泌水率外,抗压强度和抗弯强度之间也具有显著正相关性(相关系数高达0.79,养护14天时最强),表明两者在材料机械性能上的耦合关系。
预测模型及优化配比
通过MLRA,研究提出了一系列性能预测公式,例如:
fflowability = 27.3 + 26.67×w/p - 18.09×a/p f7-d compressive = 18.038 - 9.499×w/p - 1.962×a/p
基于实际需求(如目标抗弯强度为2.81 MPa,泌水率≤5%),研究推荐配比为w/p=0.7,a/p=1.6,并展示了各性能指标达成范围的可视化图表。
研究总结指出:
1. 学术价值:明确了石膏基模型混凝土在小比例模型试验中的配比优化路径,为模拟地质离心试验的混凝土行为提供定量化指导。此外,MLRA预测模型更灵活适配不同工程需求。 2. 应用价值:研究成果可用于铁路、堤坝等地基基础工程的预制件优化,以及离心模型中高效建模的材料选择。
研究中对数据相关性的详细分析,特别是物理与力学性能的独立关系,为未来进一步研发与优化新型工程材料提供了理论参考。