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小尺度物理模型试验中模型混凝土的配制与性能

期刊:MaterialsDOI:10.3390/ma16175784

综合报告

第一部分:作者及研究发表信息

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)。

第二部分:研究背景与研究目标

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:

  1. 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。

  2. 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。

第三部分:研究流程与方法

本研究主要包含以下几个部分的工作流程:

  1. 原材料选择与表征

    • 研究对象:α-石膏(中国湖北荆门生产)、细硅砂(中国河南郑州生产)和水。
    • 通过X射线荧光光谱仪分析(型号:Malvern Panalytical Axios),对石膏的化学成分进行表征,给出了氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO₂)、三氧化硫(SO₃)等成分的具体百分比含量。此外,通过级配曲线对硅砂颗粒分布进行了研究,确保其符合BS 882标准的粗骨料级配并按1:30至1:50的比例进行了缩放。
  2. 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。

  3. 样品制备与实验方法

    • 制备流程:石膏和硅砂的混合粉末经过60s的干拌,然后加入水快速搅拌120s,制备新拌混凝土。
    • 性能测试:包括mini-slump测试评估流动性、静置观察测试评估泌水率(bleeding rate)、无侧限抗压强度测试(标准立方体样品,尺寸50×50×50 mm),以及三点抗弯强度(模量)测试(试件尺寸20×20×450 mm)。抗压与抗弯实验在不同养护龄期(3、7、14、28天)下进行。
  4. 数据分析与预测模型开发

    • 建立了多个线性回归模型(Multiple Linear Regression Analysis, MLRA),以不同配比与性能指数的对应关系为输入,预测各性能参数(如流动性、泌水率、抗压和抗折强度),并利用SPSS软件进行模型验证和方差分析。

第四部分:研究主要结果

  1. 物理性能(流动性与泌水率)

    • 流动性:流动性随着a/p比的增加而降低,尤其在较低w/p比(如0.6、0.7)下变化显著。此外,混合料中自由水的增加使得高w/p比条件下的流动性显著增大。
    • 泌水率:泌水率则与流动性呈正相关(Pearson相关系数0.92),其值随着a/p比的升高而降低,同时低w/p比条件下能够进一步降低泌水率的影响。
  2. 力学性能(抗压与抗弯强度)

    • 抗压强度:实验表明,抗压强度随着w/p比的降低而显著增加,最佳组别在养护28天后抗压强度达到最大值。此外,抗压强度与a/p比的关系相对较弱。
    • 抗弯强度:与抗压强度类似,低w/p比条件下抗弯强度更高。然而,抗弯强度较抗压更快达到稳定状态,在养护14天后趋于饱和。
  3. 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。

  4. 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。

第五部分:结论与研究价值

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。

第六部分:研究亮点

  • 创新性设计:将正交试验与线性回归预测模型结合,以更少实验探索最佳配比,提供了具有普适性的优化方案。
  • 实际应用导向:研究不仅关注材料性能,还以离心模型工程对抗弯性能需求引导具体优化。

第七部分:其他有价值的内容

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。

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