长期力学性能（共8篇）
长期力学性能 篇1
当前,随着社会可持续发展战略的实施,绿色材料,由于其能够对工业废料进行有效的二次利用,满足保护环境的需要,受到人们的广泛关注[1—2]。在土木行业中,混凝土由于其原材料来源广泛,加工方便,其使用量和重要性在建筑材料中均居首位,其对环境的影响也越来越受到人们的关注;近四五十年来,我国经历了城市建设的高峰期,而由于部分劣质混凝土的使用,致使建筑不满足设计使用寿命,功能失效甚至坍塌事故时有发生[3—4]。为此,为了响应环境保护的号召,亦同时需要提高工程的耐久性,在混凝土材料中掺入矿物掺和料以提高耐久性,成为必要的课题[5—6]。作为以煤炭为能源发电的电厂,其主要废弃物粉煤灰,将其以掺和料方式,在水泥基中掺入使用,以达到变废为宝之目的,得到广泛的研究[7—9]。
本文以此为基础,从材料的作用机理和过程出发,通过试验的方法,对比研究了素混凝土和掺入超细粉煤灰,经历了较长龄期的养护后,混凝土力学性能的变化,得出抗压、抗拉及抗折强度的变化规律,验证了超细粉煤灰对耐久性方面的有益影响。
1 材料作用机理
1.1 超细粉煤灰作用机理
超细粉煤灰,其主要特点在于其细度比一般粉煤灰小得多,平均粒径小于35 um或比表面积大于600 m2/Kg,因而表现出一些独特的效应,归结起来主要有三个,分别为活性效应、微集料效应和形态效应[10],其作用过程如下:
(1)活性效应:或称火山灰活性效应,粉煤灰材料中含有大量的Al2O3和Si O2,掺入水泥基中,首先与Ca(OH)2进行缓慢的二次反应,其作用有:①反应后生成胶凝物质水化铝酸钙,紧密胶结各骨料,使混凝土材料结构更加密实;②由于反应中消耗大量(OH)-1,形成碱度较低的环境,进一步有利于水化铝酸盐的形成,对材料后期强度有益;
(2)微骨料效应:由于超细粉煤灰细度远低于水泥颗粒,细小颗粒与水泥反应充分,未反应部分也能充分填充材料中的空隙裂缝,改善水化产物的微细观结构,大大增加其密实度;
(3)形态效应:由于粉煤灰中存在大量球状玻璃微珠,加之颗粒较细,填充于水泥颗粒中,起到了润滑的作用,提高了混凝土材料早期流动性,同时也具有一定的减水效果,可有效降低水灰比约7%~9%[11]。
1.2 超细粉煤灰作用阶段
混凝土的性能与材料的结构状态变化有关,超细粉煤灰混凝土,由于其作用的化学反应呈现动态、长期、多变的特点,整个结构状态由不稳定逐渐转向稳定,可以划分为三个阶段:
(1)新拌混凝土阶段:粉煤灰中部分粒径较小的颗粒与水泥基材料充分反应,一方面降低单位用水量,另外,也明显改善混凝土的工作性、流动性和保水性,有效减少泌水现象;
(2)趋于硬化混凝土阶段(早期混凝土强度):由于超细粉煤灰取代部分水泥用量,其早期强度会有所损失,但考虑到超细粉煤灰的活性效应作用时间长,养护龄期达到28 d时,仍处于初期阶段,可以预见在28 d以后,混凝土的力学性能将仍会有所提高;
(3)硬化混凝土阶段:随着龄期的增长,内部的化学反应愈加充分,其强度在90 d龄期的后期强度仍可增长15%至20%,若按照此后期强度重新设计混凝土,则可节约水泥用量20 Kg/m3至35 Kg/m3,拥有明显经济效益。
综上,超细粉煤灰,由于其自身独特的作用机理和阶段,对混凝土的力学性能影响经历了一个长期的过程,有必要延长养护龄期,对混凝土的力学性能进行综合的考核。
2 试验材料与试验方案
2.1 原材料选取
(1)水泥、石子和砂子:水泥选用淮南八公山牌42.5级普通硅酸盐水泥;石子采用碎石,粒径为5~18 mm;砂子采用细度模数为2.58的中砂,含泥量不大于0.85%。
(2)超细粉煤灰:选用淮南当地某电厂生产的超细粉煤灰,直径低于32 um,其主要化学成分见下表1所示:
(3)外加剂:选用萘系高效减水剂,掺入量为胶凝材料的0.75%。
2.2 配合比设计
本文采用试验的方法,设计的试验变量为超细粉煤灰掺量:分别为等量取代水泥用量的0、10%、20%、30%。试验共设计了三种混凝土强度:分别为C25、C30、C35,采用的水灰比为0.52、0.48、0.42,砂率为42%、41%、40%,共12组,分别测试其在28d、60 d和90 d的抗压、抗拉和抗折强度,具体试验方案及结果见表2。
2.3 试件制作养护
试验中先将骨料,即石子和砂子干搅拌1.5 min,后加入水泥、减水剂和超细粉煤灰搅拌1 min,待搅拌均匀后加水,再搅拌2 min,即可入模成型(抗压、抗拉强度试验模具规格为150×150×150 mm3,抗折强度试验模具规格为100×100×400 mm3),静置一昼夜,待试块有一定强度后,即可拆模,后放入标准养护箱养护28 d,60 d及90 d,进行力学性能测试。
2.4 试验仪器选用
本试验养护采用YH-40B型标准恒温恒湿养护箱,其可提供(20±3)℃的温度和相对湿度90%以上的标准养护条件;抗压及抗拉强度测试采用无锡某公司产的TYE-2000KN型压力试验机,其最大加载荷载为2000 KN,加载速度控制在1.8 KN/S~2.4 KN/S;抗折强度测试则采用长春某试验机研究所生产的CSS-YAN3000型压力试验机,运用三点加荷的方式来测算抗折强度值。
3 试验结果与分析
3.1 试验数据统计
测试了超细粉煤灰混凝土28 d、60 d和90 d的抗压、抗拉及抗折强度,每组掺量均制作3个试件,测量其强度并取平均值,进行对比分析,具体试验数据结果见下表2,其中取部分抗压试验试件实物和试件破坏情况如图1、2所示:
注:C代表素混凝土,UFA代表超细粉煤灰混凝土。
3.2 试验结果处理
(1)作超细粉煤灰掺量与抗压强度增长随龄期的变化图如下图3所示:
从上图可以看出,三种标号的混凝土呈现相似的规律性:28 d的抗压强度,掺量在10%以内时,强度下降不明显,后随着掺量的增加而一直降低;养护时间达到一定程度后,即60 d和90 d,超细粉煤灰掺量在10%以内时,强度变化不显著,在20%掺量左右时,强度甚至有所上升,达到了峰值,之后降低明显。
结合表2数据还可以发现:随着龄期的增长,标号为C25掺入超细粉煤灰(掺量分别为10%、20%及30%)的混凝土在60 d及90 d的强度增长幅度为:10.4%和16.8%、17.7%和24.4%、17.9%和26.5%,明显高于素混凝土的9.97%和14.5%,且随着掺入量增大,增长幅度亦趋大,还发现随着标号的提高,这种趋势还愈加明显,在此不一一计算比较。
随后比较三种标号混凝土的强度:60 d的抗压强度最大值(即掺量20%时)甚至超过了素混凝土,且比28 d基准混凝土抗压强度(即掺量0%时)分别提高了约12.4%、10.3%及9.1%,90 d的抗压强度依然在掺量20%时达到最大,且明显高于素混凝土,比28 d基准抗压强度提高幅度约为18.7%、17.6%、13.3%。
(2)作超细粉煤灰掺量与抗拉强度增长随龄期的变化如下图4所示:
由上图4,与抗压强度类似:28 d龄期时掺量在10%以内,强度下降较小,随后一直降低;待养护到60 d及90 d,掺量在20%以内时,强度仍处于上升趋势,在20%掺量时达到最大,说明此处为最佳掺量,之后出现了明显的下降,说明粉煤灰取代水泥过多,造成强度不足。
仍然可以发现,当龄期较长时,掺入超细粉煤灰的强度增长幅度较未掺入的大很多,亦结合表2试验数据分析,三种标号的混凝土,60 d的抗拉强度均在20%掺量时达到峰值,较素混凝土有增加,比28 d素混凝土的基准抗拉强度提高了约10.3%、9.98%、5.2%,而90 d的强度同样明显高于素混凝土,比基准强度提高20.1%、20.2%、10.2%左右,相比于素混凝土自身的增长幅度:60 d为6.3%、4.5%及0%,90 d为10%、6.2%及0.25%,其效果明显可观。
(3)作超细粉煤灰掺量与抗折强度增长随龄期的变化如下图5所示:
与上述抗压、抗拉强度相类似:在养护龄期28 d时,抗折强度随着掺量的增大而减小,且减小趋势逐渐增大,而经过较长时间的养护后,即龄期达到60 d和90 d时,其强度随掺量反而有一个增大的过程,但当掺量超过20%时,有一定程度的减弱。
同样,对于未掺入超细粉煤灰的混凝土,其在28 d后,强度增长不大,而掺入超细粉煤灰后,其经过长期的养护,其增长的幅度是明显的;结合表2,对比三种标号的混凝土,在最佳掺量20%时,60 d的抗折强度比28 d素混凝土基准强度提高13%,10.6%,5%左右,而90 d提高约18.3%,17.97%,9.2%,同样,比素混凝土自身增长幅度:60 d有8.3%、8.3%及0.88%,90 d有13%、9.78%及1.4%,有较大的提升。
3.3 试验结果分析
造成上述规律的原因,是由于超细粉煤灰粒径极细,且内部存在大量完整的玻璃珠颗粒,在养护初期,微骨料效应为主导作用,这些颗粒均匀分布于水泥浆体中,不仅有助于减少需水量,而且有利于混凝土空隙的填充和细化,故拌合料的流动性、和易性均有所提高,改善了新拌混合料的初始结构。但在养护后期,活性效应,即火山灰效应加强,较细的颗粒,造成比表面积大大增加,更有助于粉煤灰发挥火山灰效应,从而材料内部结构的密实度,随着龄期的增长而愈发密实,强度自然提高,长期力学性能优势显现[12]。
3.4 经济综合性能比较
由上述强度对比,明显看出超细粉煤灰,在一定掺量条件下,即低于20%,可节约20%的水泥熟料用量,不仅能够满足早期强度要求,而且后期强度反而有所增加。实际生产中还发现:掺入超细粉煤灰后,混凝土拌合料的工作流动性佳,提高了可塑性、保水性,减少了泌水现象,降低了水化反应产热,在一些特殊环境,如海水侵蚀、氯盐渗析、硫酸腐蚀、碳化、碱集料反应,也有其独特的优势,同时,制作的混凝土颜色均匀一致,较为美观。
超细粉煤灰作为电厂发电的废料,随着现代工业的发展,其价格必将不断下降,加之其有效节约资源,满足建设环境友好型社会的需要,其经济效益和综合性能将愈加明显。
4 结论
(1)通过试验研究,论证了超细粉煤灰作为掺和料,掺入混凝土中,不仅在28 d满足混凝土的强度要求,且随着龄期的增长,抗压、抗拉及抗折强度仍然有较大的提升空间,得出的最佳掺量为20%,在60 d和90 d分别较28 d素混凝土基准抗压强度约提高10.6%和16.5%,抗拉强度提高8.5%和16.8%左右,抗折强度则有9.5%和15.2%的提高,比普通混凝土在60 d和90 d分别抗压、抗拉及抗折增长幅度为8.2%、3.6%及5.8%和10.6%、5.5%及8.1%,提高5%~10%左右;(注:此处的增长幅度取三种标号混凝土的平均值)
(2)同样可以发现,标号较高的混凝土,如C35,对于素混凝土,在28 d后强度提高较缓,特别是抗拉及抗折,几乎没有增长。而掺入20%超细粉煤灰在长期养护后,火山灰效应还在继续,密实度不断增加,如C35,在90 d时,其抗压、抗拉及抗折较之不掺超细粉煤灰的基准强度仍有13.3%、10.2%及9.2%的增长,其效果明显占优;
(3)超细粉煤灰作为一种工业废料,属于绿色环保材料,对于节约资源,保护环境有一定的意义,符合当前建设节约绿色型社会的要求。
摘要：随着当前建设环保节约型社会的需要,急需发展绿色混凝土材料,延长建筑结构的耐久性。通过试验的方法,设计了三种不同强度标号的混凝土,对比研究不同掺量的超细粉煤灰,在28天、60天及90天的较长龄期下,其抗压、抗拉及抗折强度的变化规律,结果表明:最佳掺量为20%,其抗压、抗拉及抗折强度,在90 d时比28 d基准强度提高约16.5%、16.8%和15.2%,相比于普通混凝土本身增长幅度的10.6%、5.5%及8.1%,提高5%~10%左右,说明超细粉煤灰混凝土在经历长时间的养护后,水化反应愈加充分,对强度仍有较大的提升,既能满足正常使用的要求,又能够有效节约水泥,提高材料的耐久性,具有推广和应用价值。
关键词：建筑材料,力学性能,试验研究,超细粉煤灰混凝土,养护龄期
长期力学性能 篇2
电力负荷预测是发电和配电的基础，科学的进行预测可以使各方获得较为满意的经济效益，同时也会获得巨大的社会效益。预测失误可能会带来不可弥补的损失，目前用于中长期预测方法有很多，回归分析法通过观察数据的统计分析和处理，来寻找负荷与影响因素之间的因果关系，建立回归模型进行负荷预测；时间序列分析法依据过去统计数据，找到随时间变化的规律，建立时序模型，推断未来负荷；智能预测法只需要知道过程模型的结构和参数的相关知识，不需要建立过程数学模型，主要有神经网络预测和灰色系统理论预测[7]等，效果都较为不错。
以往运用系统动力学对电力负荷预测进行预测时，往往把第一、二、三产业分为几个系统进行预测，所需要的各种数据较为复杂。本论文从系统学的观点出发，结合线性回归思想对电力负荷进行系统分析，从影响电力负荷的各个方面出发建立系统动力学模型，然后得出预测结果，作为一种新的预测方法不免存在某些缺陷，所以模型需要得到不断的改善，使该理论在负荷预测中能够更好的得到应用。
二、电力负荷预测模型建立
1、系统动力学建模 系统动力学模型的建立首先需要确定流位和流率变量等指标体系，见表1。
2、模型程式 系统动力学模型的仿真运算不需要编程，但是需要确定每个变量间的数学逻辑关系，从系统动力学流图中可以得到各个变量间的逻辑关系和系统构造，但是无法显示其定量关系，因此需要建立系统动力学方程，本系统规模较小，因此程式较为简单。
首先缺电流位变量间的主要方程：
电力负荷=INTEG(发电量年均增长率*电力负荷，电力负荷初始值)；
GDP总值=INTEG(GDP增长率*GDP总值，GDP总值初始值)；
其次确定辅助变量的方程：
每元GDP用电量=电力负荷/GDP；
流率变量的确定采用回归分析方法来确定各个变量之间关系的系数。以1993年到2004年的数据作为样本来确定其参数，如表2。
一元线性回归模型为：y=a+bx+ε (公式1)
需要对参数a和b进行估值计算，可以通过公式2、3得到估值结果。
通过matlab进行计算可以得到a，b的估计值，a＝0.0139，b＝0.5575。
因此可以得到GDP增长率的方程为：
GDP增长率=0.0139+0.5575*每元GDP用电量。
电力弹性系数设为常量：电力弹性系数=0.9。
可以看到整个系统分为两个子系统分别为GDP增长系统和电力负荷增长系统，子系统间的连接是通过每元GDP用电量辅助变量实现的，形成了一个较为完整的系统，因此其可以相互影响，相互制约。较为合理的模拟了电力负荷与GDP之间的相互关系。
三、仿真预测
1、仿真模拟 中长期预测无法达到很精确，因此允许存在一定的误差。将上节所建立的方程和系统动力学模型用计算机表述为系统动力学程式，应用Vensim PLE软件所提供的编译捡错和跟踪功能对模型的正确性和合理性进行检验[13]。
初始设置为：INITIAL TIME=1994；FINAL TIME＝2004；SAVEPER=0.1；
TIME STEP=1。电力负荷的初始值为1994年的负荷值为9278亿千瓦时，GDP总量为48197.9亿元，电力弹性系数[14]设为预测区间内的平均值0.9。2004年实际值为21870，预测值为22806.3，误差为4.1%,在5％以内，拟和程度较好，因此模型能够进行长期电力负荷预测，仿真所得到的预测数据和实际数据如表3。
从上表可知2000年到2002预测值与实际值出入较大，主要原因是因为1999年和2002年间国家禁止建设电厂，使得电力增长速度降低，带来了各个因素的不确定变化，由于政府政策的干涉使得模型预测模拟程度较差，直接原因是设置的电力弹性系数过大，需要把其设置为一个表函数，这样可以更真实的反映事实，因此这是模型改进的地方之一。虽然存在某些误差，但是对整个预测结果影响不使很明显。
2、仿真预测
根据以上参数值以1994年为起始年拟和了2004年的电力负荷，模型的结构具有一阶反馈回路，因此在对电力负荷预测的同时，各个变量也会随之变化，根据系统动力学模型原理，其他变量的结果只是作为参考，不需要太高的预测精度。具体结果见图1。
从图2中可以看到， 2020－2030年电力负荷增长较快，因此需要做好充分的准备，通过预测到2030年我国的电力负荷将达到235859亿千瓦时。按照国家规划，2020年国内生产总值要在2010年基础上翻一番，按照预测值，可以达到国家规划要求，这离不开电力工业的支持，因此当时的电力负荷也应该在2010年翻一番，因此本模型的预测具有一定的科学合理性。
四、结论
运用系统动力学方法建立长期电力负荷预测仿真模型，并对我国的未来需电量进行了长期预测，得到了较好的效果，偏差符合要求，从而为电力企业进行决策提供了一种理论依据。同时对该模型的各个流位变量和辅助变量需要进行进一步分析，使模型更加完善。能够更精确的预测未来长期的需电量。
长期力学性能 篇3
关键词：结构胶,长期力学性能,蠕变特性,应力
0前言
材料力学性能的时间相关特性对结构设计非常重要, 尤其长期力学性能的准确信息是结构强度和寿命分析的基础[1]。硅酮结构胶是属于一种典型的力学非线性聚合物材料, 目前工程结构设计大多没有考虑材料的流变特性, 建筑用结构胶长期受粘接件自重作用, 导致延迟失效事故时有发生[2]。比如有的隐框幕墙玻璃或中空玻璃外片在新建不久后就出现整体坠落事故, 而在坠落前, 玻璃与支承件之间出现明显的错位, 结构胶出现明显的蠕变。结构胶在其服役环境下, 应力松弛 (物理老化) 也使得其力学性能发生改变, 在一定温度和长期载荷作用下必将表现出特有的蠕变特性, 可见建筑结构设计中考虑结构胶的时间相关性能非常重要, 为此, 需要全面掌握结构胶力学性能随时间的演化规律, 特别是材料的非线性黏弹性和长期力学性能。
本文对结构胶进行了等温不同应力下的蠕变实验, 获得了结构胶长期应力作用下的拉伸蠕变特性;利用时间-应力等效原理, 分析了结构胶的非线性蠕变行为, 得到了参考应力水平下的蠕变主曲线。依此, 通过较高应力水平下较短时间的蠕变变形, 来预测较低应力水平下较长时间的蠕变变形行为, 这对结构胶的力学行为研究和结构分析都具有指导意义。
1 长期载荷作用下结构胶蠕变实验
1.1 样品制备及实验方法
实验采用道康宁生产的硅酮结构密封胶, 将结构胶打胶成型后按照GB 16776—2005《建筑用硅铜结构密封胶》规定养护21 d, 并切割成4 mm×10 mm×20mm的长条用于实验[3]。长期蠕变实验考虑到实验时间较长, 实验采用挂砝码的方式加载力, 加载200 g、400 g、600 g、800 g的砝码, 对应的结构胶试样拉伸应力分别为0.5 MPa、1.0 MPa、1.5 MPa、2.0 MPa, 标距为10 cm, 在环境温度20℃的条件下进行结构胶长期加载试验, 采用游标卡尺测量标距长度随时间变化, 测量精度精确到0.02 mm。
1.2 实验结果及分析
图1给出了不同等级载荷作用下结构胶应变随时间的关系曲线。从图1中可以看出结构胶在长期载荷作用下的蠕变存在以下几个特征:1) 无论何种等级载荷作用, 结构胶在早期 (特别是在前24 h内) 蠕变特别明显, 随着时间的增长, 蠕变速率呈下降趋势;2) 随着荷载 (应力) 水平的增大, 结构胶的蠕变效应加剧, 比如在相同条件下使结构胶达到0.5%的应变水平, 结构胶试样在0.5 MPa (200 N) 应力作用下需经历24 h, 而在1.5 MPa (600 N) 应力作用下仅需经历10 min;3) 荷载 (应力) 水平对结构胶长期蠕变性能影响明显, 小应力作用下 (0.5 MPa) 在经历100 h后蠕变几乎停滞, 而大应力作用下 (2.0 MPa) 在经历2 000h后仍存在较大的蠕变速率。
因此, 荷载水平的大小是影响结构胶长期蠕变特性的重要外界因素, 控制载荷水平是预防结构胶长期蠕变失效的重要手段之一。
2 结构胶的时间-应力等效性及应用
2.1 时间-应力等效原理
应力和温度都会对材料内部的时钟产生影响。因此, 同一个力学松驰现象既可以在较高的应力、较短的受力时间后呈现 (或在较短的时间内观察到) , 也可以在较低的应力和较长的载荷时间后表现出来 (或在较长的时间内观察到) , 有其等效性[4]。
时间-温度-应力等效原理认为[5,6], 应力水平对材料自由体积产生的影响如下式:
式中:αT为自由体积分数的热膨胀系数, ασ为自由体积分数的应力膨胀系数, f0为材料在参考温度T0和参考应力σ0下的自由体积分数。设存在温度-应力联合移位因子ΦTσ使得:
采用Doolittle黏度方程:
式中a和b为常数。
根据式 (2) (3) 可得:
式中C1=b/ (2.303f0) , C2=f0/αT, C3=f0/ασ。可见, 若无应力变化, σ-σ0=0, 式 (4) 退化为WLF方程。若选取实验温度为参考温度T0, 即T-T0=0, 则式 (4) 退化为应力移位因子的表达式:
不同应力水平下, 结构胶的蠕变柔量之间通过折减时间ε (ε=t/Φσ) 满足如下等效关系:
其中为参考应力σ0下的蠕变柔量主曲线, 应力位移因子Φσ的形式如式 (5) 。
2.2 时间-应力等效性分析
图2是室温为20℃不同应力水平下结构胶的蠕变柔量实验曲线。由图2可以看出, 随着作用力的增大, 蠕变柔量和蠕变速率越来越大, 蠕变柔量曲线不重合, 呈现了结构胶的非线性黏弹性。
以σ0=1.0 MPa为参考应力, 对图2中其他应力水平下的蠕变柔量曲线向参考曲线作水平移位, 移位的距离就是相应的应力移位因子, 所得蠕变柔量主曲线如图3所示。图4则给出了相应的应力移位因子随应力的变化规律, 可见应力移位因子与应力的变化成线性关系。
对图4曲线进行线性拟合, 得到水平移位因子和应力的关系式:
式中:a=-0.704, b=1.76。
3 结论
1) 结构胶在早期蠕变特别明显, 随着时间的延长, 蠕变速率呈下降趋势。
2) 随着荷载 (应力) 水平的增大, 结构胶的蠕变效应加剧, 荷载 (应力) 水平对结构胶长期蠕变性能影响明显。
3) 随着作用力的增大, 蠕变柔量和蠕变速率越来越大, 蠕变柔量曲线不重合, 呈现了结构胶的非线性黏弹性。
4) 通过时间转换因子将不同应力下的蠕变试验结果统一换算为某一特定应力下的蠕变特性, 从所得主曲线和应力移位因子可知, 通过时间-应力等效原理, 短期的试验数据可以用来预估相对长期的力学性能, 时间-应力等效原理提供了结构胶长期力学性能的加速表征方法。
参考文献
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长期力学性能 篇4
1 长期性能研究是我国沥青路面技术升级的必然选择
高等级公路的早期破坏日益受到人们广泛关注,为了解决这一难题,提高路面使用寿命和服务水平,开展路面长期性能研究势在必行。过去,路面性能尤其长期性能研究是一基础性科研项目,具有长期性、复杂性和艰巨性。限于设备和认识的局限,路面长期使用性能的研究在我国一直没有受到足够的重视,没有具有可操作性的创新成果。在这种背景下,我国及时进行加速加载试验,就显得十分迫切。
从长远观点来看,路面长期性能研究也蕴含着巨大的经济效益和社会效益,通过指导设计、施工、养护、维修,改善道路结构性能和使用性能,不仅可以节约大量的维修和重建费用,避免资金浪费,减轻财政负担,还可以提高行车的舒适性、经济性、畅通性。
路面长期使用性能的研究在国外很受重视。例如英国自1949年以后进行了6次大规模的路面结构性能与设计方法的试验验证工作,其1987年制定的路面设计方法,就是建立在对400多个试验路段长期观测的路用性能数据基础上。
在路面长期性能研究方面最为系统的应属美国。为提高本国高速公路网的服务水平,通过科技手段增强公路运输系统的有效性,美国联邦公路局(FHWA )于1982年委托美国国家研究院(NCR)的运输研究委员会开展了一项“战略运输研究调查”。在该调查所提出建议的基础上,FHWA和NCR于1987年正式投资5 000万美元,启动国家战略公路研究计划(SHRP),目标是为“提高路面性能和服务寿命,在不过分增加投资的前提下使道路更好地为客货运输服务”提供手段和帮助。
纵观世界范围内道路工程技术的发展趋势,结合我国当前情况可以判定,在我国高等级公路建设方兴未艾的今天,开展关于路面长期性能的研究,避免重复发达国家在公路网建设中出现的问题,为我国今后的路面设计、施工、养护、维修、营运等各方面提供全方位的技术支持,是道路工作者必然的选择。而明确路面长期性能研究的意义,结合我国国情,制订我国路面长期性能研究的计划和策略,进而全面推进关于路面长期性能的研究工作,显得尤为迫切和必要。
2 路面加速加载研究的主要设备系统类型
2.1 加速加载设备分类
1)按照可移动特性分类。
按照可移动特性,可以分为固定式和可移动式,固定式设备只能进行室内足尺试验,由于室内成型较大尺寸的模型较为困难,材料特性、施工工艺和试验时的力学边界条件可能与实际有差别,但其优点是可以灵活控制试验时的环境参数。可移动式设备可以同时实现室内和现场的加速加载,在现场进行试验符合实际情况,但对水、电、交通管制等配套设施要求较高。
2)按照加载段几何特性分类。
按照加载段几何特性,可以分为直线式、圆形环岛式和椭圆形环道式3种模式。直线式有施工方便、加载载荷调整自由和力学状态真实的特点,但该方式最大的问题就是速度提高空间有限;圆形环岛式加载效率高,但加载段路面施工困难,与实际道路受力相差较远,加载量有限;椭圆形环道式与真实路面接近,但需要无人驾驶模拟车不间断运行,成本较高。
3)按照加载模式分类。
按照加载模式,可将加速加载设备分为循环加载和水平往复加载。循环加载过程中,加载轮绕固定轨道做单一方向运动,速度不变,能量损失较小,没有加减速段,轮胎与路面接触过程可能存在较大变异;水平往复加载过程中,可以实现双向加载和单向加载,但在加载中加载轮需要加减速段,且每次加载速度都从零开始,能量损失较大,但加载轮与路面接触稳定。
2.2 加速加载设备的主要类型
目前国际上能够进行加速加载试验研究的设备共有三大流派:ALF(Accelerated Loading Facility),MLS(Mobile Loading Simulator)和HVS(Heavy Vehicle Simulator)。
ALF一般外形尺寸为30 m×4.2 m×6.8 m(长×宽×高),轮压荷载80 kN～200 kN(单轴双轮),轮胎压力0.7 MPa～1.1 MPa,轮速5 km/h～30 km/h。
HVS系列一般外形尺寸为30 m×4.9 m×4.3 m(长×宽×高),轮压荷载32 kN～205 kN,总重50 t,轮速13 km/h,加载次数29 000 次/24 h(双向),14 000 次/24 h(单向),配备温控系统。具有可宽幅调节轴载(0 kN～200 kN),可动态加载,可模拟荷载横向分布,可单向或双向加载,直道加载等特点,自动化程度高,控制精确,移动灵活,可以进行室内和现场加载试验。
MLS10一般外形尺寸为10.7 m×2.4 m×3.4 m(长×宽×高),轮压荷载40 kN～60 kN(单轴双轮),轮胎压力0.5 MPa～1 MPa,轮速26 km/h,每小时循环量7 200。
3 加速加载试验研究现状及发展趋势
2004年路面加速加载测试技术国际大会上定义路面加速加载测试Accelerated Pavement Testing(APT):在短时间内通过控制轮压荷载在路面结构层的作用,确定可控加速累计当量轴次作用下路面的响应与运营状况。
如今全世界分布着28个APT技术项目,其中美国有15个项目。这些测试项目多是以某一固定地点开展,但也有部分项目聚焦于移动式的野外实地研究,便于更好的发现车—路—环境间的相互作用。目前APT方面的最新发展已经可以实现飞机降落时起落架对路面的足尺剪切模拟、在路面测试中环境条件的模拟控制以及APT测试设备的远程控制。
到目前为止,利用APT所进行过或所能进行的研究项目非常多,归纳起来有以下6个方面:1)可以通过采用与现场相同的路基路面结构、材料和施工工艺等,在室内利用较短的时间完成道路设计期限内的交通量,将设计寿命内的交通量压缩到较短时间内完成,也即路面结构与材料的长期使用性能。2)过去的室内试验与野外生产路的关系并不明确,利用这个设备,可以进行路基路面结构与材料参数室内外关系的建立研究;还可以评价试验方法和评价标准的可行性。3)还可以研究新型路面材料与结构的长期路用性能,或横向比较可控制条件下不同结构和材料的性能。4)可以在加速加载设备上增加一些控制温度、降雨、辐射的设备,模拟野外真实环境中的降雨过程和气温变化,实现对路基路面结构与材料的高温、低温和水稳定性研究。5)加速加载设备中可以改变加载设备轮压、轴载重量或轴载类型(单轴、双轴或其他形式)在超重载情况下的路面结构与材料研究。6)当我们有新材料、新结构、新技术和新工艺研究,为了避免铺筑试验路的浪费和对生产运营造成不良影响,该设备还可用以对新开发的结构、材料和工艺进行足尺试验研究。
综合起来,加速加载研究正逐渐受到人们的重视,成为路面力学研究的基本工具。
4 我国开展路面加速加载研究的合理策略
加速加载设备的引进将可以明显缩短项目研究周期,提高研究水平,为我国公路建设服务。但在应用过程中应注意:1)大小匹配。2)环直结合。3)理论与试验综合阐述。
路面长期性能研究是一项复杂的、长期的系统工程,为此,我国对此进行研究,应坚持科学的策略。
1)充分考虑我国高速公路沥青路面现状和发展趋势,总结十几年来我国高等级公路建设的经验和教训,运用不同路面结构类型、组合和层厚的实体试验段,采用埋设传感器和无损检测等方法,进行现场加速加载试验。2)采用加速加载试验结合理论分析、室内试验和试验路长期观测相结合的方法,突出重点,分阶段、分目标进行实施。3)针对我国地域广阔,区域性气候差异明显等特点,选择我国有代表性的气候特征地区修筑试验工程,进行研究。4)修筑可长期跟踪观测的试验路段,制订试验与观测规程,启动试验观测计划,通过逐年观测,积累数据,开展数据分析建立路面性能数据库和信息管理系统。5)在数据积累和数据库建设的基础上,建立适合目前我国国情的沥青路面破坏状态、破坏准则及控制指标,经综合分析形成基于长期使用性能、面向不同需求、材料与结构一体化考虑的路面设计方法;按照不同使用要求,推荐路面典型结构。
摘要：对国际上目前路面长期性能研究的现状进行了总结,介绍了加速加载试验设备的主要类型及发展趋势,分析了我国开展长期性能研究的必要性和紧迫性,对我国应用加速加载设备进行长期性能研究的策略进行了深入探讨。
关键词：路面,长期使用性能,加速加载试验
参考文献
[1]郝大力,王秉纲.我国路面长期性能研究对策分析[J].重庆交通学院学报,2001(4):96-97.
[2]郝大力,王秉纲.路面长期性能研究综述[J].国外公路,1999(1):40.
[3]王鹏,王复明,曾凡奇.DataPave路面长期使用性能数据管理系统[J].国外公路,2000(5):104.
长期力学性能 篇5
我国南北方夏季大多数地区炎热多雨，空气湿度大，冬季南方很多地区冬雨绵绵，水泥辅材引入的水分较高，水泥在库内存放过久，容易出现结块架空现象，轻则影响水泥库的正常使用，严重的出现水泥质量波动大，影响到混凝土的配制和搅拌。针对这一突出问题，我们采用模拟水泥库内环境的方法，研究长期存放水泥的性能变化情况，同时研究了夏季库内水泥结块的原因及相应改善措施。
1 试验用原材料及仪器设备
仪器设备：水泥试验磨机,全套物理检验仪器,混凝土振动台,烘箱,自制Ф100mm×120mm圆铁筒。
试验用硅酸盐水泥熟料取自于新浦瑞安熟料，其化学分析及矿物组成见表1。石灰石取自于贵州扎佐石灰石，石膏为重庆邻水天然二水石膏，矿渣取自贵阳钢厂，粉煤灰取自贵阳电厂，助磨剂为CBA1110。
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2 试验方案
本试验的目的是要考察助磨剂、水分和SO3对水泥结块及长期存放水泥性能的影响。根据这一目的，配制了4组试样，各组试样的配比方案见表2。
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3 试验步骤
将各组试样按比例准确称取配好后,用试验磨机磨制到比表面积为380m2/kg左右,均分为两份,一份作原始强度检验,一份2kg装入自制小筒(小筒内衬一层塑料袋),将小筒放到混凝土振动台上振动3min，然后密封筒口,将试样筒放到烘箱内,在80℃左右保温3个月(模拟库内存放环境)。
3个月后取出试样筒,将筒开封,打开塑料袋,倒出水泥,观察水泥的结块情况,并作各组试样的各项物理性能检验。
4 试验结果
不加助磨剂的试样(S1、S3)结块较多，并且大块比例较多，大块碾碎后仍有小颗粒，塑料袋破损开裂处有挂壁现象;加助磨剂的试样(S2、S4)，小块较多，大块较少，结块稍加振动自然粉化成细小颗粒。在成型过程中所有试样都有浆状气泡，S1～S4呈递增趋势。试样的原始强度和存放3个月后的物理性能见表3。
5 分析与讨论
5.1 助磨剂的影响
水泥试样在存放之前,加助磨剂水泥的3d、28d的抗压强度明显提高,3d抗压强度提高1.2MPa,28d抗压强度平均提高2.2MPa。存放3个月后,加助磨剂的试样，在石膏掺量5.4%(水分0.74%时，3d抗压强度下降7.4MPa;在石膏掺量7.4%(水分0.87%)时，3d抗压强度比原始强度下降15.8MPa未加助磨剂的试样，在石膏掺量5.4%(水分0.70%时，3d抗压强度下降6.5MPa.;在石膏掺量7.4%(水分0.97%)时，3d抗压强度比原始强度下降11.7MPa。
可以看出：加入助磨剂以后,水泥长期存放,强度下降幅度增大,但其分散作用有利于防止水泥长期存放过程中的结大块现象。
5.2 水分的影响
水泥试样在存放之前,强度随水分的增加,略有增加。存放3个月后,在水分0.70%时，3d抗压强度下降幅度平均近7MPa;水分0.9%时，3d抗压强度下降幅度平均近14MPa。可以看出:随着水分的增加,水泥长期放置以后强度下降的幅度增大。
5.3 石膏的影响
水泥中的原始水分随着石膏掺量由5.4%上升到7.4%时，出磨水泥的水分呈上升趋势，平均上升0.2%。可以看出,石膏的增加,在一定程度上可以提高水泥的强度，但也在一定程度上引入了水分，影响水泥长期存放后的强度。
6 结论
1)出磨水泥库内存放3个月，强度呈显著的下降趋势，下降幅度为30%～50%左右，下降幅度随水泥的水分增大而增加。因此，要严格控制出磨水泥的水分在0.70%以下，库内存放时间不要超过1个月。
2)使用助磨剂后，有提高水泥强度的作用，而且结块现象有所改善。说明助磨剂有减轻结块，有助于分散的作用。但当水分大于0.7%时，会导致长期存放的水泥强度降低幅度增加。
3)如果水泥长期存放，石膏不宜多加，否则引起出磨水泥水分增加。可考虑用天然硬石膏部分替代二水石膏。
4)国内水泥出库温度一般控制在低于100℃，尤其在夏季和销售旺季，出库水泥温度更加难以控制，多数情况下温度高于80℃，所以本文考察了温度在80℃情况下的变化。
值得说明的是，本试验样品是使用小磨磨制的，采用的是模拟水泥库存放条件，对于大磨产品，以及如何从水泥库内压力的分布特点,分析研究水泥在库内休止角区和临近休止角区物料的堆积情况,来讨论水泥在库内的结块机理及改进措施,并作出水泥在库内长期存放强度的降低变化规律曲线,有效地避免因水泥在库内长期存放而导致的品质降低，是我们下一步要开展的工作。
摘要：模拟水泥库环境,研究了存放3个月的水泥性能变化情况。通过分析库内物料运动方式及压力分布,讨论了库内长期存放水泥的结块机理,并对如何改善库内结块,防止长期存放水泥各项性能的退化提出了相应的措施。
长期力学性能 篇6
Jim D.Konntz和其团队与Target公司协作, 进行了一项为期一年半的研究。该实验研究测试了11种单层卷材在长期紫外线照射下相关性能的变化。新的PVC、KEE、EV、TPO卷材样品从7家不同的制造商中收集。试验选用的屋面材料均为全美广泛使用的单层卷材产品。
卷材的物理性能由厚度、硬度、密度和脆点温度来表征。样品外表用显微镜照相记录。
用Q-Lab公司生产的耐老化测试机测试卷材的一些性能。在63℃的黑板温度下, 紫外线照射8 h, 接着是表面用50℃的冷凝水处理4 h, 以此循环试验。
具体试验步骤遵循美国材料试验学会ASTM D4434操作规程的通用准则。为期一年半的时间内, 分别在老化5 000 h, 8 000 h和14 000 h时进行测试, 并观测各种卷材的性能特性变化。
单层卷材的重要性能包括初始厚度, 以及保持这种厚度的能力。试验表明, 有两种TPO单层卷材的厚度稍有增加, 很可能是因为吸水的缘故。PVC卷材这一组的厚度损失率最大, 平均在4.9%, 而TPO类卷材只有0.92%。有一种PVC卷材的厚度损失将近8.5%。KEE和EV材质的卷材的厚度分别下降7.4%和2.1%。
两种厚度有增加的TPO卷材, 质量上也略有增加。TPO类卷材平均质量整体下降1.3%。有4种PVC卷材质量平均下降9.3%。KEE和EV材质的卷材质量分别平均下降6.8%和4.2%。
各种单层卷材硬度的变化不如在其他试验中观察到的那么明显。平均来讲, PVC的卷材硬度增加3.5, TPO卷材硬度增加0.4, KEE和EV材质卷材的硬度分别增加2.0和1.0。
在一些例子中, 不同的单层卷材的脆点温度发生了明显变化, 样品6 (1.4 mm厚的EV卷材) 其脆点温度从-75℃增加到0℃, 增加了75℃。一般来说, PVC卷材增加51.8℃。TPO卷材增加了21.8℃。TPO卷材脆点温度变化范围从16.1~33.3℃。在5种TPO卷材试样中观察到的这些变化, 主要是因为配方的变化。KEE类卷材总的上升36.1℃。
一开始对每一种卷材进行显微镜照相, 此后, 在每个试验阶段, 重新照相。在整个试验过程中, 11种单层卷材表面都检测到了起粉现象。7种卷材检测到了微裂纹, 1种PVC卷材检测到了裂纹。所有的样品都呈现出一些颜色变化, 从褐色到略带粉红色。如果卷材表层颜色发生较大的变化, 则卷材耐久性和反射率均可能会发生变化。
这些相关性能特性在屋面行业早已作为比较和评估卷材时的重要参数。一般来说, 与PVC、KEE和EV卷材相比, TPO卷材似乎更能保持其物理性能。但TPO类卷材的性能也具有较大的差异性。
在试验的卷材中, 不同种类卷材的性能存在较大差异。PVC卷材试样的厚度损失最大, 达到8.9%, 而一种TPO卷材试样的厚度增加了0.9%。脆点温度的增加范围从较低的TPO试样的16.1℃到EV材质试样的75℃。
长期力学性能 篇7
关键词：加气混凝土砌块,长期使用后,物理性能,热工性能
0 前言
加气混凝土砌块是以水泥、石灰等为主要原料, 以铝粉作发气剂, 经蒸压养护工艺制成的轻质多孔材料。它具有良好的保温、隔热、吸声性能, 同时具有一定的强度和易加工性, 又便于施工, 已广泛应用于工业与民用建筑中的非承重墙和屋面保温隔热工程等。但它能否用作多层住宅中的承重墙工程, 并且作为承重结构使用时会对加气混凝土的性能发生什么样的影响, 由于理论上不够成熟, 因此, 不少人还是持怀疑态度。并且在加气混凝土的研究领域, 对加气混凝土砌块生产技术及新鲜砌块的物理性能、微观分析研究得比较多[1,2,3,4,5,6], 并且对耐久性的研究也仅仅是停留在实验室抗冻、收缩、碳化等等性能的研究[7], 而对其经过长期使用后, 各项性能会发生什么样的变化这方面的研究却从未见过相关报道。
河南建筑材料研究设计院有一幢建于1981年的加气混凝土砌块承重住宅楼, 该楼属于试验楼性质, 完全由加气混凝土砌块砌筑而成, 楼高14.5m, 分为五层, 总建筑面积2411m2, 由四个单元组成。一、二、三层采用容重700kg/m3、标号50号的加气混凝土砌块。如今时过境迁, 河南建材研究设计院加气混凝土试验楼已经服役27个年头, 其使用状态依然很好。如今为了适应院里的统一规划, 改善职工生活, 院里决定要拆除这栋曾经具有特殊意义的试验楼。因为这栋楼上的每一块加气混凝土砌块都实实在在经历了27年的风吹雨打、日晒雨淋, 所以我们考虑将拆下来的砌块进行物理及热工性能的试验研究, 来分析加气混凝土砌块在承重结构中经历27年的自然老化后性能会发生什么样的改变, 为加气混凝土在承重建筑工程中的使用提供更有说服力的理论依据和实践支持。
1 试验用原材料
新鲜加气混凝土砌块:选用郑州某加气混凝土砌块生产企业生产的密度等级B07、强度等级A5.0级尺寸规格600mm×300mm×250mm的粉煤灰加气混凝土砌块。
使用后加气混凝土砌块:河南建材研究设计院试验楼拆下的砌块, 尺寸600mm×300mm×250mm, 选取拆下的外观完好的砌块备用。
烧结多孔砖:选用郑州某烧结砖生产企业生产的MU15级烧结多孔砖, 尺寸为240mm×115mm×90mm。
对于密度、含水率及抗压强度的测定, 将新鲜加气混凝土砌块和使用后砌块送到原郑州市加气混凝土砌块厂加工成100mm×100mm×100mm试件各30块备用, 砌体抗压强度的测定采用原状砌块和完整烧结多孔砖进行砌筑。对于导热系数的测定, 将新鲜加气混凝土砌块和使用后砌块送到原郑州市加气混凝土砌块厂加工成250mm×250mm×30mm试件各10块备用, 墙体传热系数的测定采用原状砌块进行砌筑。
2 密度、含水率及抗压强度的测定
按照GB/T 11969—2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》测定新旧砌块的干密度、含水率和立方体抗压强度, 对其能达到的密度及强度等级有个基本的判断[8]。
干体积密度和含水率测试的主要步骤:将加工好的100mm×100mm×100mm试件放入电热鼓风干燥箱内, 在60℃±5℃下保温24h, 然后在80℃±5℃下保温24h, 再在105℃±5℃下烘至恒重, 即一般再烘干至间隔4h两次称量的重量一致后冷却至室温称重。本项性能的测定新旧加气混凝土分别取3组9块试件, 试验结果见表1。
抗压强度测试的主要步骤:将加工好的100mm×100mm×100mm试件放在60℃±5℃烘箱中烘干至质量含水率为8%~12%时进行抗压强度试验。采用WD-100电子万能试验机, 以 (2±0.5) k N/s的速度连续均匀加荷, 直至试件破坏, 记录破坏荷载, 计算试件的抗压强度。本项性能的测定新旧加气混凝土分别取3组9块试件, 试验结果见表1。
本项性能的测定新旧加气混凝土分别取3组9块试件, 试验结果见表1。
由表1可以看出, 长期使用的加气混凝土承重砌块抗压强度和密度能够达到B07A5.0的要求, 基本上和B07A5.0新鲜砌块相当。由于长期使用后的加气混凝土在使用过程中常年处在干燥大气中, 并且有外保护层保护, 故其含水率远远低于新鲜加气混凝土砌块。
3 砌体抗压强度的测定
为了研究新旧加气混凝土砌体的基本力学性能的差别, 本试验依据GB/T 50129—2011《砌体基本力学性能试验方法》[9], 加气混凝土各设计1组3个砌体抗压试件, 并和MU15级烧结多孔砖砌体抗压强度进行对比试验, 试验采用长春材料试验机厂生产的长江5000k N长柱压力试验机。
砌块砌体采用原状砌块600mm×300mm×250mm, 烧结多孔砖240mm×115mm×90mm, 砌筑砂浆为M7.5混合砂浆。砌块试件厚度为砌块厚度, 宽度为主规格砌块的长度, 高度为三皮砌块高加砌缝厚度, 中间一皮砌块有一条竖向灰缝;烧结多孔砖砌体为二四墙, 长度一砖半加砌缝厚度为365mm, 高度为八皮砖加砌缝厚度, 见图1。试件砌筑在厚度为10mm的钢垫板 (钢垫板大于试件截面) 上, 垫板边缘设吊钩以利于搬运。试件顶部用10mm厚1:3水泥砂浆找平, 并确保其平整度。
砌体抗压强度试验的试件数量新旧砌块砌体和烧结多孔砖砌体各为3个, 总共9个, 为了尽量减小砌筑时工人砌筑水平和砂浆的影响, 9个砌体试件全部由一名中等技术水平的瓦工, 采用分层流水作业法在施工现场砌筑, 每盘砂浆均匀地用于各个试件。为了同时检验施工质量, 试件在现场与墙体同步砌筑, 砂浆与砌块均与现场相同, 水平灰缝厚度和垂直灰缝宽度均为10mm左右, 试件砌筑过程中, 随时检查砂浆饱满度。
每盘砂浆制作1组砂浆试件, 砂浆试件组数不少于2组, 与试件同条件 (在20℃±5℃的室内自然条件) 养护, 并在试件试验的同时进行砂浆立方体抗压强度试验, 计算砂浆的平均值。
3.1 试验过程
(1) 砌体试件在试验前应作外观检查, 有各种损伤痕迹时, 应作记录;当砌体试件破损严重时, 应舍去该试件;在试件四个侧面上, 应画出竖向中线。
(2) 在试件高度的1/4、1/2和3/4处分别测量试件的宽度与厚度, 测量精确至1mm, 测量结果采用平均值。试件的高度应以垫板顶面为基准, 量至找平层顶面。
(3) 将试件吊起, 清除粘在垫板下的杂物, 然后置于长柱压力试验机的下压板上。试件承压面与压板的接触应均匀紧密, 否则需用标准砂铺设。试件就位时, 应使砌体试件底面中心对准长柱压力试验机下压板的中心。
试验加荷方式采用分级加载, 每级荷载为10%预估破坏荷载, 并在1~1.5min内均匀加完;持荷2min后施加下一级荷载, 施加荷载时, 不得冲击试件。加荷至80%预估破坏荷载时, 拆除仪表, 按原定加荷速度连续加荷, 直至试件破坏。当试件裂缝急剧扩展和增多, 测力计指针明显回退时, 定为该试件的极限荷载值。
3.2 测试结果及分析
九组砌体测试结果见表2。
由表2中所列试验数据可以发现, 在砌筑条件相同的前提下, A07B5.0级新鲜砌块砌体的抗压强度为3.93MPa, 而经过几十年承重使用的砌块砌体的抗压强度为3.85MPa, 也就是说, 长期使用过后的加气混凝土与新鲜加气混凝土相比, 依然表现出了良好的承载作用, 其力学性能并未由于长期负荷作用而下降。
与烧结多孔砖砌体的抗压强度相比, 在相同的砌筑条件下, 抗压强度分别为5.9MPa和5.7MPa的新旧砌块的砌体抗压强度却仅比抗强度达到15.9MPa烧结多孔砖砌体的抗压强度低了不到1MPa, 也就是说, 烧结多孔砖的强度利用系数才仅仅是其抗压强度的30%左右, 而加气混凝土的抗压强度利用系数却达到了67%左右, 可见, 不管是新鲜加气混凝土还是长期使用后的, 其强度利用系数均能远远高于烧结多孔砖。在工程实际中应用的不是材料强度, 而是其砌体强度, 使用加气混凝土做多层承重墙是完全可以实现的。
4 加气混凝土砌块导热系数的测定
保温材料最基本的热工性能指标是材料的导热系数, 导热系数是表示材料导热难易程度的物理量, 其物理意义是单位厚度的材料、两面温度差为1K时, 在单位时间内通过单位面积的热量。
试验按照GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》[10]进行, 为了能够表现测试结果的普遍性, 新旧砌块各测定五个试件, 求其平均值。在拆掉的使用后期砌块和新鲜砌块中各随机选取五块, 锯切加工成250mm×250mm×30mm试件, 分别精磨至平整, 在105℃±5℃电热鼓风干燥箱中烘干至恒重, 然后放在干燥箱中充分冷却至室温。
本项试验采用的测试仪器为德国产改进型BOCK平板导热系数测定仪, 其测试原理为在稳态条件下, 在具有平行表面的均匀板状试件内, 测定以两个平行的温度均匀的平面为界的平板试件中的一维均匀热流密度, 然后计算出材料的导热系数。每个试件测试时间为4h左右, 测试结果见表3。
由表3可以看出, 对于这个密度等级的加气混凝土砌块, 无论是长期使用后的砌块还是新鲜砌块, 都具有比较小的导热系数, 同种砌块的五个试件选取时均是随机选取的, 具有普遍性, 而且五次平行试验的结果也基本一致, 因此可以说, 加气混凝土砌块在经过几十年的风吹日晒雨淋之后, 其保温效果并不会发生劣化。
同时, 与目前我国最常用的几种外墙材料相比, 像黏土砖0.81W/ (m·K) , 多孔砖0.58W/ (m·K) , 普通混凝土1.54W/ (m·K) , 加气混凝土砌块的导热系数远远低于他们, 采用较小厚度的加气混凝土砌体即可获得较大的热阻值。
5 加气混凝土砌块墙体传热系数的测定
加气混凝土砌块墙体传热系数的测试按照GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》[11]进行, 新旧砌块各测试一面墙体, 测试墙体分别为新旧加气混凝土砌块砌筑, 砌筑砂浆和抹面砂浆均采用加气混凝土砌块专用聚合物砂浆, 砌筑缝厚度10mm, 墙体两侧抹灰层厚度均为10mm。本试验是采用防护热箱法对加气混凝土砌块砌筑墙体的传热系数进行测试, 示意图见图2, 它是基于一维传热原理, 模拟现实条件下围护结构构件的传热过程。热箱模拟室内空气温度、风速和辐射条件, 冷室模拟室外空气温度和风速条件, 构件放置于冷箱和热箱之间。热量传递通过试件与箱体各表面的热辐射和试件表面的热辐射和试件表面与周围空气的对流换热系数。
传热达到稳定状态后, 根据热平衡有如下公式:
式中, U—试件的传热系数, W/ (m2·K) ;
Qp—总输入功率, W;
M—防护箱热箱外壁热流系数, 本试验设备为5.306, W/K;
Tjis—计量箱内表面温度, K;
Tjes—计量箱外表面温度, K;
A—试验墙体面积, 按计量面积计算, m2;
Tni—试件热侧环境温度, K;
Tne—试件冷侧环境温度, K。
墙体热工性能测试采用沈阳紫微机电设备有限公司生产的MW-B/WT-1821/1515型门窗稳态综合检测设备, 测试墙体面积2.30m2, 厚度260mm, 设定冷室温度263.00K, 热室温度303.00K。试验过程由设备自动控制, 设定稳定状态维持时间3~4d, 有效数据记录时间3h。试验期间随时观察设备运行情况, 并适当调整设备冷室和环境空间冷热供给量, 使各项参数达到设置值。稳定结束后开始记录数据, 每个0.5h记录一次各项参数平均值, 共计测量6次, 测试结果如表4、表5所示。
由表4和表5可以看出, 使用后加气混凝土砌块墙体的实测传热系数为0.876W/ (m2·K) , 新鲜加气混凝土砌块墙体的实测传热系数为0.862W/ (m2·K) , 均远远低于烧结多孔砖墙体的1.90W/ (m2·K) 左右和普通混凝土多孔砖墙体的2.20W/ (m2·K) 左右, 与之相比, 加气混凝土砌块墙体具有良好的保温性能。
对于长期承重使用后加气混凝土砌块墙体和新鲜砌块墙体来讲, 虽然使用后砌块墙体的传热系数略微大于新鲜砌块墙体, 但考虑到砌体砌筑时砌缝作为冷热桥、设备引入的误差等种种因素的影响, 因此, 可以认为二者墙体传热系数是一致的, 也就是说, 加气混凝土砌块在经历数十年的使用后, 其墙体的保温性能依然良好, 并不像有机保温材料一样随着使用时间的增强发生老化导致保温效果下降, 所以说加气混凝土砌块具有优异的保温耐久性。
6 结论
本文主要就新旧加气混凝土砌块的热工性能进行了一些试验研究, 试验结果标明, 对于同密度等级的加气混凝土砌块, 经过长期承重使用以后, 干表观密度和抗压强度基本上不会减小, 而且用其砌筑的砌体的抗压强度也基本不会变小, 且与烧结多孔砖相比, 具有较高的强度利用系数, 也就是说, 加气混凝土砌块作为一种保温墙体材料用于五层以下的多层承重结构是完全可行的。从热工性能来看, 其导热系数基本上不会增大, 而且用其砌筑的墙体的传热系数也基本不会变大, 也就是说, 加气混凝土砌块作为一种保温墙体材料与烧结黏土砖等传统墙体材料相比, 具有极其优异的保温效果。同时作为一种无机保温材料, 加气混凝土砌块在经历数十年的承重使用后, 其墙体的保温性能依然良好, 并不像有机保温材料一样随着使用时间的增长发生老化导致保温效果下降, 所以说加气混凝土砌块具有优异的保温耐久性。也就是说, 加气混凝土砌块作为一种保温墙体材料用于五层以下的多层承重结构是完全可行的, 在资源匮乏地区, 如豫东平原地区加大加气混凝土的推广利用具有极大的经济效益和社会效益。
参考文献
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长期力学性能 篇8
在加拿大阿尔伯塔的Cold Lake油田, 进行了低熔点石油资源开采。通过周期注蒸汽 (CSS) 进行重油开采, 周期注蒸汽是在大于破裂压力下将蒸汽注入产层, 再由同井产出沥青、气体和水的混合物。
在油气井工业中, 我们仅关注超高温条件下水泥浆体系的化学稳定性。早在1935年, 文献记载波特兰水泥在113 ℃温度以上抗压强度发生衰退, 渗透率增大。这种现象主要是因为升温过程中, 水泥晶体结构形态发生改变, 发生强度衰退。为防止强度发生衰退, 在50年前开始在水泥中加入35%～40%细结晶二氧化硅, 这种方法一直作为工业标准来使用。早在1968年Carter发现水泥环失效是由于没有注意到井底应力。后来许多研究人员对这种现象进行了深入研究, 建立了数学模型、物理模型和特殊柔性水泥体系。尽管开发的模型存在明显的不同, 但一致认为水泥环失效与井眼应力、水泥环机械参数、围岩机械参数有关。注蒸汽过程中, 随着温度的升高, 井底应力是影响水泥环抗拉能力的主要因素。
杨氏模量、泊松比和抗拉强度都是水泥的重要参数。在Cold Lake周期注蒸汽过程中, 水泥长期处于高温条件下, 但从来没有对这些重要参数进行过测量。
2 试验方案
2.1 水泥浆体系及其制备与养护
体系1为G级水泥, 含有40% (质量分数) 硅粉、4.3%石膏、降失水剂和CaC12促凝剂, 密度ρ=1.85 g/cm3。该体系作为最低CSS强度的基础配方, 但存在耐久性差、循环漏失的问题。
体系2为低密度水泥浆体系, 密度为1.74 g/cm3, 由92%A级水泥、8%石膏 (含40%硅粉) 组成, 含有降失水剂和CaC12促凝剂。该体系具有低密度、低黏度和触变小的特点。
体系3为ρ=1.40 g/cm3的泡沫水泥浆体系。基础水泥浆主要由含40%硅粉的G级水泥组成, 密度为1.90 g/cm3。
体系4为含有中空陶瓷微珠的高强低密度水泥体系。1.4 g/cm3水泥体系采用颗粒体积分数最大化技术。最终设计硅含量超过40%, 该体系还加入了降失水剂和CaC12促凝剂。
体系5为含有固体柔性颗粒和MgO作为膨胀剂的低密度水泥浆体系。1.4 g/cm3水泥浆体系与体系4同样采用颗粒积配技术。该体系中柔性颗粒用来降低杨氏模量。
三轴试验所需样品采用直径1 in (1 in=25.4 mm) 、长2 in的圆柱体。巴西试验样品采用直径为1.5 in、厚0.75 in。非泡沫水泥浆根据API RP 10B配制, 泡沫水泥按照API RP l0B-4进行配制。
将样品放在带压养护容器中, 100 g 20/40目石英砂放入釜体。将密封的养护容器放在340 ℃的烘箱中, 养护过程保持恒温。由蒸汽压表推算, 养护容器中温度为340 ℃, 压力为2 133 psi (1 psi=6.895 kPa) 。每1、2、4、8、12和24个月将养护容器从烘箱中取出。
2.2 三轴应力试验
本试验测定有效抗压强度 (ECS) 、杨氏模量和泊松比。用不透明薄膜将样品包裹起来。施加额定压力200 psi, 泄压至常压, 围压以0.5 psi/s的速率增长到1 500 psi后保持不变。
当可控应变速率为1×10-6 s-1时引入轴向应力差, 连续加载至破裂, 样品表现出刚性或塑形特性。
2.3 破裂抗拉强度 (STS) 试验
采用STS试验方法 (熟知的巴西实验方法) 测定水泥样品的间接抗拉强度。压缩载荷采用恒定速率, 经过1～10 min, 样品破坏。间接抗拉强度可由下式计算:
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式中 σt__破裂抗拉强度, psi;
F__最大施加载荷, lbf;
L__样品的厚度, in;
D__样品的直径, in。
由于井底水泥环暴露于压力与张力的共同作用下, 因此采用STS进行研究更合理。
3 讨论
所有样品在340 ℃下进行养护, 从5种体系的三轴试验可以得出应力与应变的关系。
3.1 抗压强度趋势
图1可以看出体系1的有效抗压强度趋势稳步增长。第二年开始有些降低, 但强度仍高达8 000 psi以上。体系2和体系3的强度较低是因为密度较低, 但其他性能与体系1较相似。体系4和体系5在340 ℃下, 一个月后强度有明显下降, 然而在剩余两年时间内其强度保持平稳将近2 000 psi。这5种体系的有效抗压强度均能够承受周期注蒸汽井下的压力。
3.2 杨氏模量走势
从图2可以看出杨氏模量与有效抗压强度的走势相似。体系4和体系5的杨氏模量在300 000和400 000 psi之间较低, 表现出柔性。体系2和体系3在前4个月杨氏模量上升, 然后一直保持在800 000～1 000 000 psi之间, 大约为体系1的一半。
3.3 破裂抗拉强度走势
经过2年养护期, STS参数评价可以判断出5种水泥体系哪种具有相对较高的张应力。体系1的ECS同STS值都较高。体系2的STS值明显比体系3泡沫水泥的STS值高, 尽管两种水泥体系的ECS较相似。体系4和体系5在200～300 psi之间表现出较低的STS。
3.4 杨氏模量与STS比值
在拉力作用下具有低杨氏模量和高抗拉强度的水泥石抗破坏能力更好。在给定应力条件下低杨氏模量可提高水泥石的应变能力, 而高抗张强度在材料破坏前提高了应力张量, 因而杨氏模量与STS的比值可作为水泥体系抗破坏效力的一个表征。所研究5种体系其中的两个体系, 掺混触变材料的体系2和掺混了弹性颗粒的体系5, 都始终具有最高的STS/ 杨氏模量比。
3.5 应变与应力
5种水泥浆体系在室温条件下应力与应变的斜率为轴向应变刚性特性。体系1随温度变化表现出明显的脆性, 在样品达到初始屈服后应力急剧降低。而体系2、4、5表现为塑性形变, 在达到初始屈服后随轴向应力的增大轴向形变持续增加。体系3加温养护1个月的样品表现出易于形变的延展性, 而养护后期表现为脆性。
4 结论
◇ 室温下或长期处于340 ℃, ECS和杨氏模量参数值明显不同, 在340 ℃下养护2年, 其机械性能没有明显降低。
◇ 水泥浆体系 (含有非胶结颗粒, 如柔性颗粒或微珠) 与常规和泡沫水泥体系相比, 其杨氏模量较低, 轴向加压表现出径向收缩。
◇ 由三轴加压试验难以确定各水泥体系的泊松比。
◇ 在室温条件下养护, 水泥石均表现出塑性。
◇ 常规水泥和泡沫性水泥在340 ℃条件下养护表现出脆性, 而其他水泥体系在长期高温条件下仍然表现出塑性。
◇ 本研究数据可供超高温井模拟试验 (CSS) 应力分析, 所研究的机械性能可采用有限元分析, 由此确定水泥浆体系。