【摘要】：建、構(gòu)筑物的超高化、大跨度化和長(zhǎng)耐久是建筑行業(yè)重要發(fā)展方向,將力學(xué)性能優(yōu)異的超高性能混凝土與鋼管結(jié)合,可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)、彌補(bǔ)彼此缺點(diǎn),具有極大的承載能力,降低構(gòu)件自重的同時(shí)提升耐久性能,在國(guó)防工程、海洋工程、防護(hù)工程及橋梁工程領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但是超高性能混凝土(UHPC)由于膠凝材料用量大、超低水灰比和無(wú)粗骨料等特征使得其存在較高的收縮值,不但影響其體積穩(wěn)定性,也難以實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合,阻礙了鋼管UHPC的發(fā)展和工程應(yīng)用。本文依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“長(zhǎng)壽命混凝土制品關(guān)鍵材料及制備技術(shù)”和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“超高性能混凝土制備及工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究”,從UHPC組成和收縮特性出發(fā),揭示了UHPC收縮發(fā)生機(jī)制,探明了UHPC膨脹難以實(shí)現(xiàn)的本質(zhì),提出膨脹設(shè)計(jì)理論方法,實(shí)現(xiàn)膨脹劑有效窗口和內(nèi)養(yǎng)護(hù)水釋放窗口有機(jī)統(tǒng)一,制備出了力學(xué)性能和耐久性能優(yōu)異的微膨脹UHPC,并形成了微膨脹、宏觀性能增強(qiáng)的理論機(jī)制;解決了UHPC收縮大、易開(kāi)裂的難題,實(shí)現(xiàn)鋼管和UHPC的有機(jī)結(jié)合,制備出了新型微膨脹鋼管UHPC,并系統(tǒng)研究了鋼管UHPC膨脹應(yīng)力設(shè)計(jì)和短柱力學(xué)性能,為其今后工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供理論支持。論文進(jìn)行的主要研究工作和取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果有:(1)在最緊密堆積設(shè)計(jì)方法分析的基礎(chǔ)上,提出使用濕堆積密度表征顆粒堆積密實(shí)度,針對(duì)鋼管混凝土施工工藝特殊,無(wú)法通過(guò)振動(dòng)密實(shí)的問(wèn)題,在兼顧UHPC力學(xué)性能的基礎(chǔ)上,使用響應(yīng)面法開(kāi)展UHPC最緊密和流動(dòng)性能設(shè)計(jì),通過(guò)數(shù)學(xué)方法模擬,確定最優(yōu)膠凝材料體系組成,在此基礎(chǔ)上,研究了水膠比、鋼纖維和減水劑對(duì)UHPC流變性、力學(xué)性能的影響規(guī)律。系統(tǒng)建立了自密實(shí)UHPC設(shè)計(jì)制備方法,制備出了一種自密實(shí)UHPC。(2)系統(tǒng)開(kāi)展了UHPC自收縮特性研究,揭示了UHPC收縮發(fā)生機(jī)制。針對(duì)UHPC自收縮特性及產(chǎn)生機(jī)理開(kāi)展了深入研究,低水膠比使得UHPC早期水化所需水分嚴(yán)重不足,降低了內(nèi)部濕度,對(duì)收縮具有重要作用的介孔數(shù)量顯著增加,由于此時(shí)其強(qiáng)度相對(duì)較低,極易受到毛細(xì)孔負(fù)壓影響而產(chǎn)生收縮。同時(shí)在凝結(jié)硬化之前平均毛細(xì)孔負(fù)壓可達(dá)-1.95MPa,使得早期自干燥收縮效應(yīng)大。(3)揭示了UHPC膨脹難以實(shí)現(xiàn)的本質(zhì),提出膨脹設(shè)計(jì)理論方法,制備出了膨脹可控的微膨脹UHPC。膨脹窗口與內(nèi)部相對(duì)濕度演變及混凝土收縮窗口不統(tǒng)一是UHPC膨脹難以實(shí)現(xiàn)的根本原因,較低的內(nèi)部相對(duì)濕度在初期限制了膨脹劑膨脹作用發(fā)揮,且收縮的集中爆發(fā)不利于膨脹反應(yīng)及膨脹的產(chǎn)生。針對(duì)UHPC收縮特性,研究實(shí)現(xiàn)“微膨脹”兩步設(shè)計(jì):引入額外水降低UHPC的自身收縮,同時(shí)促進(jìn)膨脹劑發(fā)揮作用;然后通過(guò)膨脹窗口和內(nèi)養(yǎng)護(hù)水釋放窗口匹配設(shè)計(jì),制備出了力學(xué)性能和耐久性能優(yōu)異的微膨脹UHPC。(4)探明了微膨脹UHPC膨脹機(jī)制,揭示了其性能增強(qiáng)的本質(zhì)。從水化產(chǎn)物組成、形貌結(jié)構(gòu)、孔結(jié)構(gòu)演變出發(fā),基于微納米尺度力學(xué)特性分析,結(jié)合內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料養(yǎng)護(hù)區(qū)域形成機(jī)制,對(duì)UHPC膨脹、增強(qiáng)機(jī)制有了新的認(rèn)識(shí)。研究表明,內(nèi)養(yǎng)護(hù)水在水泥凝結(jié)之后快速釋放出來(lái),界面周圍形成了致密的水化產(chǎn)物層和氫氧化鈣晶體,且氫氧化鈣晶體呈板狀多層聚集,起到優(yōu)異的補(bǔ)償收縮效果。微膨脹UHPC微觀結(jié)構(gòu)密實(shí),水化產(chǎn)物鏈長(zhǎng)、各元素結(jié)合能顯著提高,水泥基體孔隙率降低50%以上,且在內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料周圍形成了100μm致密水化層,補(bǔ)償了內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料引入的孔洞對(duì)強(qiáng)度、耐久性能產(chǎn)生的不利影響,使得微膨脹UHPC不但具有優(yōu)異的體積穩(wěn)定性能,也具有更優(yōu)異的宏觀力學(xué)性能和耐久性能。(5)利用上述理論研究成果,將其與鋼管結(jié)合,首次制備出了微膨脹鋼管UHPC,系統(tǒng)研究了鋼管UHPC膨脹應(yīng)力設(shè)計(jì)和短柱力學(xué)性能。對(duì)于普通UHPC,由于收縮大,造成鋼管與UHPC之間的界面極限粘結(jié)強(qiáng)度低,鋼管無(wú)法充分發(fā)揮約束作用,界面結(jié)合性能和短柱承載力差。而本文制備的UHPC,由于膨脹作用,增強(qiáng)了界面摩擦力,界面組合性能優(yōu)異,兩種材料協(xié)同發(fā)揮作用,提高了試件的抗壓等力學(xué)性能�；趯�(shí)驗(yàn)研究,提出了微膨脹鋼管UHPC界面粘結(jié)性能和軸壓性能退化模型,并對(duì)極限承載力進(jìn)行了分析和計(jì)算,為工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供依據(jù)。本文研究形成的系統(tǒng)理論與技術(shù)成果可以促進(jìn)UHPC收縮、膨脹理論與控制技術(shù)進(jìn)步,對(duì)于微膨脹UHPC設(shè)計(jì)、應(yīng)用具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU528
【圖文】：

藝術(shù)美感[104]，在廣東省深茂鐵路上，在穿越生態(tài)區(qū)域設(shè)置超高性能混凝土聲屏障，既美觀又降低成本[105]。如圖 1-1 是超高性能混凝土國(guó)內(nèi)外應(yīng)用典型實(shí)例。由于超高性能優(yōu)異的力學(xué)性能，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，在極端條件下如地震后仍然能保持良好的性能，減輕了災(zāi)害對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)的威脅[106,107]。當(dāng)然在公路、海洋等領(lǐng)域也有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，本文也不一一枚舉，超高性能混凝土因其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能在未來(lái)也將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。馬來(lái)西亞蘭陶公路橋 法國(guó)馬賽地中海文化博物館

圖 1-2 普通和超高性能混凝土構(gòu)件對(duì)比[109]）韌性好、斷裂能高超高性能混凝土中含有大量細(xì)鋼纖維，其斷裂能可達(dá) 20000-40的韌性。但是超高性能混凝土基體強(qiáng)度高、脆性大，呈脆性破作用下，使核心混凝土的破壞形態(tài)由脆性變?yōu)轫g性，呈塑性破害、沖擊能力提高，在地震多發(fā)地、軍事掩體等工程具有較好管超高性能混凝土研究現(xiàn)狀鋼管超高性能混凝土中的鋼管和超高性能混凝土均具有優(yōu)異上在受壓時(shí)，超高性能混凝土受到鋼管三個(gè)方向的約束力，限展，且超高性能混凝土彈性變形小，可以限制鋼管的變形。兩理論上可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)[112,113]，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者將超進(jìn)入鋼管，制備鋼管超高性能混凝土。然而目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主

利用響應(yīng)面法建立各變量變化曲面，在堆積密實(shí)度曲面中選優(yōu)區(qū)域，并在此區(qū)域內(nèi)求得工作性能影響變量的最優(yōu)值，制備高又工作性能優(yōu)異的超高性能混凝土。心組合設(shè)計(jì)應(yīng)面法中，針對(duì)響應(yīng)值與變量之間的關(guān)系，需要選擇合適的方設(shè)計(jì)，優(yōu)化試驗(yàn)安排。通常，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有方法、析因設(shè)計(jì)、單純形設(shè)計(jì)、中心組合設(shè)計(jì)、Box-Behak Matrix 設(shè)計(jì)等。為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，采用中心組合設(shè)由 Box 和 Wilson 最早提出，也是在響應(yīng)面法中最常用的設(shè)計(jì)能水泥基材料考慮三元（水泥、硅灰、粉煤灰）體系的最優(yōu)配組合設(shè)計(jì)的方法，其設(shè)計(jì)示意圖如圖 2-9 所示，圖中立方體的計(jì)中+1 和-1 在空間分布上的可能性，軸中心點(diǎn)代表了立方體距離。其中+1 和-1 是在 2.4.1 計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行比例范圍內(nèi)取如表 2-6 所示。

本文編號(hào)：2762700