冻融前后引气砂浆力学与水分传输性能演化规律及其微观机理研究

作     者：王俊洁 

作者单位：青岛理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张鹏;薛善彬

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：引气砂浆 冻融循环 力学性能 毛细吸水 微结构 

摘      要：在寒冷地区,水分渗入可加速水泥基材料冻融劣化的进程。目前,向混凝土内掺入引气剂已经成为提高混凝土抗冻性能和抗渗性能的主要措施。但引入过量气孔会对水泥基材料的力学性能产生负面影响。因此,系统地研究引气量对冻融循环过程中水泥基材料的宏观力学性能、水分传输及微观结构的影响规律是必不可少的。其中孔隙结构是影响水泥砂浆耐久性最为关键的因素,可是现阶段的研究主要围绕在定性分析或者初步定量分析中。基于上述考量,本文以不同引气剂掺量(0%,0.005%,0.010%,0.015%,0.020%)的水泥砂浆试件为研究对象,采用传统测试方法和先进测试技术,研究冻融前后引气砂浆的力学性能、微观结构特征以及水分传输规律。试验中创新性地结合压汞法(MIP)和低场核磁共振法(LF-NMR),利用孔径分布曲线以及T谱分布曲线对应的不同类型空隙的体积与试样总体积的比值计算不同类型空隙体积分数,全面考虑引气砂浆的孔结构特征。同时借助毛细吸水试验及核磁共振一维吸水试验观测引气砂浆内部气孔在吸水过程中所充当的角色,此次研究可为探究引气砂浆微结构特征与水分传输提供一定的参考,为寒冷地区建筑物的抗冻性设计提供理论支撑。本文主要的研究内容和成果如下:(1)研究了冻融损伤前后引气砂浆抗压强度和抗折强度的变化规律,通过超声检测方法研究了冻融前后引气砂浆动弹性模量的变化规律。结果表明:引气砂浆的抗折强度、抗压强度以及动弹性模量等力学性能指标均随着引气剂的掺入量和冻融循环次数的改变而发生明显变化。(2)采用低场核磁共振技术对饱水状态下引气砂浆微观结构进行测试,得到饱水样品T谱。结果表明:引气剂的掺入增加了水泥砂浆中孔及大孔的数量,改变了水泥砂浆的孔径分布。利用孔径分布曲线以及T谱分布曲线对应的不同类型空隙的体积与试样总体积的比值计算不同类型空隙体积分数,发现核磁共振法与压汞法测定的气孔体积分数比较接近,压汞测试过程中墨水瓶效应低估了引气砂浆中大尺寸孔的孔径。因此,两种测试手段的结合能够较好地反映气孔的孔径分布情况。(3)采用低场核磁共振技术与扫描电子显微镜(SEM)相结合的方法对冻融损伤后引气砂浆的微观结构进行研究。结果表明:引气剂掺量为0%和0.010%的砂浆中裂纹体积占比均随冻融循环次数的增加而逐渐增加。不过在同样的冻融循环次数下,未掺加引气剂的砂浆裂纹体积占比均比引气剂掺量为0.010%的砂浆大。最后借助孔隙率等微结构表征参数对砂浆试件宏观性能演化的微观机理进行探索。(4)借助传统的毛细吸水试验定量表征了冻融循环作用前后不同引气量砂浆的毛细吸水性能。结果表明:在一定引气量范围内,砂浆毛细吸水系数随着引气剂掺量的增加而降低,气孔的引入切断了毛细孔的连通性,导致水分传输通道更为曲折。核磁共振一维吸水试验表明气孔在吸水过程中不能有效传输水分。在设置的5种引气剂掺量中,0.015%掺量的引气剂对延缓水分传输更有效。引气砂浆冻融后的吸水曲线呈现双线性特征,并且随着冻融循环次数的增加,未掺加引气剂的砂浆毛细吸水系数逐渐增加,而引气剂掺量为0.010%的砂浆毛细吸水系数呈现先基本稳定后逐渐增加的趋势。基于引气砂浆一维吸水过程中核磁共振试验结果,探索了引气砂浆初始毛细吸水系数与其微结构参数的关联特性。