关键词：
氧化石墨烯
冻融循环
负温养护
抗冻性能
预测模型
摘要：
川藏铁路作为我国“一带一路”互联互通的重点工程目前正加速建设中,随着建设的持续推进,势必会有越来越多的基础设施在铁路沿线服役。川藏铁路途径青藏高原冰川富冰冻土区,区域内高海拔、大温差和富冰冻土带来的冻融循环和持续负温环境作用易造成混凝土材料在养护及服役阶段性能劣化,导致其服役寿命大幅降低。鉴于此,有必要对青藏高原富冰冻土区混凝土的抗冻耐久性进行有效评估并提出有效的抗冻措施,以提高混凝土在此类环境下的服役性能。氧化石墨烯(GO)作为一种新兴纳米材料,其表面富含大量含氧官能团,可以为水泥水化产物的生长提供成核位点,促进水化反应进行,可作为提高混凝土抗冻性能的潜在外掺料之一。本文将氧化石墨烯以0.01%、0.03%和0.05%的掺量加入到混凝土中,以探讨其用于冰川富冰冻土区混凝土抗冻的适用性。本文以川藏铁路为依托,通过调查实际工程气候,结合相关试验规范,确立了冻融循环和持续负温养护两类试验制度,开展了两类试验制度下氧化石墨烯混凝土抗冻耐久性的试验研究;采用抗压强度、动弹性模量、核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等测试方法分析了氧化石墨烯混凝土的宏-微观性能演变规律;基于试验数据和现有理论建立了冻融循环作用下混凝土的受冻损伤模型并进行了寿命预测分析,还建立了两类环境制度下混凝土的抗压强度预测模型并进行了验证分析;基于温度测试法分析了氧化石墨烯掺量对混凝土冰点的影响规律;最后,为了节约材料成本提高经济性,建立了两类环境制度下混凝土抗压强度与超声波速的关系模型,以期将超声波测试的无损检测方法应用于实际工程的强度测试中。主要研究结论如下:(1)冻融循环后,混凝土表观损伤明显,出现了脱浆、掉角、开裂等破坏。冻融循环作用下,混凝土的抗压强度、质量和动弹性模量均呈现先增长后快速降低的规律。随着冻融循环次数增加,混凝土孔隙率不断增大,有害大孔数量和占比逐渐增多,孔径分布趋于劣化。氧化石墨烯掺入不仅有效提高了混凝土冻融初始和结束阶段的强度及动弹性模量,延缓了混凝土的表观损伤进程,而且细化了混凝土的孔径分布,提高了其中无害小孔的数量和占比。SEM试验表明,氧化石墨烯促使水化产物生长为花瓣状、多面体状的结晶群,有效改善了混凝土的微观结构,抑制了冻融循环作用下微裂缝的形成与扩展,对混凝土抗冻性起到了积极的影响。(2)基于Weibull分布函数,建立了混凝土的受冻损伤模型,模型可以较好反映混凝土在不同冻融循环阶段的损伤程度。通过引入强度衰减系数k与氧化石墨烯修正系数λ,进一步建立了混凝土的强度衰减模型,模型可以较好预测氧化石墨烯混凝土在不同冻融阶段的强度。通过将Weibull受冻损伤模型和强度衰减模型联立求解,可以实现混凝土强度、相对动弹性模量、损伤度之间的换算,有利于进一步掌握混凝土冻融损伤指标之间的变化关系。最后,基于建立的受冻损伤模型和现有的寿命预测模型,对混凝土的使用寿命进行了分析。寿命预测结果表明,0.01%、0.03%和0.05%的氧化石墨烯可分别将青藏高原冻融最恶劣地区混凝土的使用寿命延长1年、6年和4年左右,将大部分冻融地区混凝土的使用寿命延长1年半、8年和4年左右,其中0.03%掺量的氧化石墨烯最有利于混凝土抗冻耐久性的提高。(3)持续负温养护下混凝土的强度发展受到严重阻滞,3d龄期时的强度不足标准养护的20%,28d龄期时的强度不足标准养护的30%。孔结构和XRD试验结果表明,负温环境下水泥水化受到抑制,水化产物生成量大幅降低,导致混凝土孔隙结构疏松,孔隙率增大,大孔数量增多,严重损害了混凝土的抗冻性能。氧化石墨烯促进了负温养护下混凝土强度的发展,加快了水泥熟料的水化与水化产物的生成,有效提高了混凝土的密实性和抗冻性能,但是氧化石墨烯掺量过多反而会削弱混凝土的抗冻性能,其最优掺量为0.03%。(4)基于成熟度理论,建立了负温养护制度下混凝土强度发展的预测模型。通过对模型参数及预测误差进行分析,得出模型可以较好地模拟负温养护阶段混凝土强度发展进程。进一步建立了标养与负温养护下混凝土强度的对数关系模型,可以依据等龄期下标养混凝土的强度合理推测负温养护混凝土的强度,可为冰川富冰冻土区桩基等深埋混凝土的强度预测提供参考。(5)采用测温法测试了氧化石墨烯掺量对混凝土冰点的影响规律,试验结果表明,氧化石墨烯掺入有效降低了混凝土的冰点,延缓了混凝土的冻结过程,对混凝土在低负温环境下的抗冻性能起到了积极的影响。(6)为了探究超声波无损方法测试混凝土强度的可行性,分别建立了两类试验制度下混凝土强度与超声波速之间的关系模型。拟合结果表明,混凝土强度与波速的关系最符合抛物线函数特征,基于此,最终建立了混凝土强度与波速之间的统一抛物线函数表达式,可为冰川富冰冻土区工程采用无损测试的方法评估混凝土的强度提供参考。
