微膨胀钢管超高性能混凝土设计及短柱力学性能研究

发布时间：2020-07-19 17:04

【摘要】：建、构筑物的超高化、大跨度化和长耐久是建筑行业重要发展方向,将力学性能优异的超高性能混凝土与钢管结合,可以充分发挥两种材料的优势、弥补彼此缺点,具有极大的承载能力,降低构件自重的同时提升耐久性能,在国防工程、海洋工程、防护工程及桥梁工程领域具有良好的应用前景。但是超高性能混凝土(UHPC)由于胶凝材料用量大、超低水灰比和无粗骨料等特征使得其存在较高的收缩值,不但影响其体积稳定性,也难以实现两者的结合,阻碍了钢管UHPC的发展和工程应用。本文依托国家重点研发计划“长寿命混凝土制品关键材料及制备技术”和国家自然科学基金项目“超高性能混凝土制备及工程应用基础研究”,从UHPC组成和收缩特性出发,揭示了UHPC收缩发生机制,探明了UHPC膨胀难以实现的本质,提出膨胀设计理论方法,实现膨胀剂有效窗口和内养护水释放窗口有机统一,制备出了力学性能和耐久性能优异的微膨胀UHPC,并形成了微膨胀、宏观性能增强的理论机制;解决了UHPC收缩大、易开裂的难题,实现钢管和UHPC的有机结合,制备出了新型微膨胀钢管UHPC,并系统研究了钢管UHPC膨胀应力设计和短柱力学性能,为其今后工程设计、应用提供理论支持。论文进行的主要研究工作和取得的主要创新成果有:(1)在最紧密堆积设计方法分析的基础上,提出使用湿堆积密度表征颗粒堆积密实度,针对钢管混凝土施工工艺特殊,无法通过振动密实的问题,在兼顾UHPC力学性能的基础上,使用响应面法开展UHPC最紧密和流动性能设计,通过数学方法模拟,确定最优胶凝材料体系组成,在此基础上,研究了水胶比、钢纤维和减水剂对UHPC流变性、力学性能的影响规律。系统建立了自密实UHPC设计制备方法,制备出了一种自密实UHPC。(2)系统开展了UHPC自收缩特性研究,揭示了UHPC收缩发生机制。针对UHPC自收缩特性及产生机理开展了深入研究,低水胶比使得UHPC早期水化所需水分严重不足,降低了内部湿度,对收缩具有重要作用的介孔数量显著增加,由于此时其强度相对较低,极易受到毛细孔负压影响而产生收缩。同时在凝结硬化之前平均毛细孔负压可达-1.95MPa,使得早期自干燥收缩效应大。(3)揭示了UHPC膨胀难以实现的本质,提出膨胀设计理论方法,制备出了膨胀可控的微膨胀UHPC。膨胀窗口与内部相对湿度演变及混凝土收缩窗口不统一是UHPC膨胀难以实现的根本原因,较低的内部相对湿度在初期限制了膨胀剂膨胀作用发挥,且收缩的集中爆发不利于膨胀反应及膨胀的产生。针对UHPC收缩特性,研究实现“微膨胀”两步设计:引入额外水降低UHPC的自身收缩,同时促进膨胀剂发挥作用;然后通过膨胀窗口和内养护水释放窗口匹配设计,制备出了力学性能和耐久性能优异的微膨胀UHPC。(4)探明了微膨胀UHPC膨胀机制,揭示了其性能增强的本质。从水化产物组成、形貌结构、孔结构演变出发,基于微纳米尺度力学特性分析,结合内养护材料养护区域形成机制,对UHPC膨胀、增强机制有了新的认识。研究表明,内养护水在水泥凝结之后快速释放出来,界面周围形成了致密的水化产物层和氢氧化钙晶体,且氢氧化钙晶体呈板状多层聚集,起到优异的补偿收缩效果。微膨胀UHPC微观结构密实,水化产物链长、各元素结合能显著提高,水泥基体孔隙率降低50%以上,且在内养护材料周围形成了100μm致密水化层,补偿了内养护材料引入的孔洞对强度、耐久性能产生的不利影响,使得微膨胀UHPC不但具有优异的体积稳定性能,也具有更优异的宏观力学性能和耐久性能。(5)利用上述理论研究成果,将其与钢管结合,首次制备出了微膨胀钢管UHPC,系统研究了钢管UHPC膨胀应力设计和短柱力学性能。对于普通UHPC,由于收缩大,造成钢管与UHPC之间的界面极限粘结强度低,钢管无法充分发挥约束作用,界面结合性能和短柱承载力差。而本文制备的UHPC,由于膨胀作用,增强了界面摩擦力,界面组合性能优异,两种材料协同发挥作用,提高了试件的抗压等力学性能。基于实验研究,提出了微膨胀钢管UHPC界面粘结性能和轴压性能退化模型,并对极限承载力进行了分析和计算,为工程设计、应用提供依据。本文研究形成的系统理论与技术成果可以促进UHPC收缩、膨胀理论与控制技术进步,对于微膨胀UHPC设计、应用具有重要意义。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

艺术美感[104]，在广东省深茂铁路上，在穿越生态区域设置超高性能混凝土声屏障，既美观又降低成本[105]。如图 1-1 是超高性能混凝土国内外应用典型实例。由于超高性能优异的力学性能，在实际应用中发现，在极端条件下如地震后仍然能保持良好的性能，减轻了灾害对人类生命财产的威胁[106,107]。当然在公路、海洋等领域也有着越来越广泛的应用，本文也不一一枚举，超高性能混凝土因其优异的力学性能和耐久性能在未来也将得到越来越广泛的应用。马来西亚兰陶公路桥 法国马赛地中海文化博物馆

图 1-2 普通和超高性能混凝土构件对比[109]）韧性好、断裂能高超高性能混凝土中含有大量细钢纤维，其断裂能可达 20000-40的韧性。但是超高性能混凝土基体强度高、脆性大，呈脆性破作用下，使核心混凝土的破坏形态由脆性变为韧性，呈塑性破害、冲击能力提高，在地震多发地、军事掩体等工程具有较好管超高性能混凝土研究现状钢管超高性能混凝土中的钢管和超高性能混凝土均具有优异上在受压时，超高性能混凝土受到钢管三个方向的约束力，限展，且超高性能混凝土弹性变形小，可以限制钢管的变形。两理论上可以充分发挥两者的优势[112,113]，国内外大量学者将超进入钢管，制备钢管超高性能混凝土。然而目前国内外学者主

利用响应面法建立各变量变化曲面，在堆积密实度曲面中选优区域，并在此区域内求得工作性能影响变量的最优值，制备高又工作性能优异的超高性能混凝土。心组合设计应面法中，针对响应值与变量之间的关系，需要选择合适的方设计，优化试验安排。通常，国内外学者常用实验设计方法有方法、析因设计、单纯形设计、中心组合设计、Box-Behak Matrix 设计等。为实现实验设计的最优化，采用中心组合设由 Box 和 Wilson 最早提出，也是在响应面法中最常用的设计能水泥基材料考虑三元（水泥、硅灰、粉煤灰）体系的最优配组合设计的方法，其设计示意图如图 2-9 所示，图中立方体的计中+1 和-1 在空间分布上的可能性，轴中心点代表了立方体距离。其中+1 和-1 是在 2.4.1 计算的基础上进行比例范围内取如表 2-6 所示。

本文编号：2762700