【摘要】：建、構(gòu)筑物的超高化、大跨度化和長耐久是建筑行業(yè)重要發(fā)展方向,將力學性能優(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、彌補彼此缺點,具有極大的承載能力,降低構(gòu)件自重的同時提升耐久性能,在國防工程、海洋工程、防護工程及橋梁工程領(lǐng)域具有良好的應用前景。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,也難以實現(xiàn)兩者的結(jié)合,阻礙了鋼管UHPC的發(fā)展和工程應用。本文依托國家重點研發(fā)計劃“長壽命混凝土制品關(guān)鍵材料及制備技術(shù)”和國家自然科學基金項目“超高性能混凝土制備及工程應用基礎(chǔ)研究”,從UHPC組成和收縮特性出發(fā),揭示了UHPC收縮發(fā)生機制,探明了UHPC膨脹難以實現(xiàn)的本質(zhì),提出膨脹設計理論方法,實現(xiàn)膨脹劑有效窗口和內(nèi)養(yǎng)護水釋放窗口有機統(tǒng)一,制備出了力學性能和耐久性能優(yōu)異的微膨脹UHPC,并形成了微膨脹、宏觀性能增強的理論機制;解決了UHPC收縮大、易開裂的難題,實現(xiàn)鋼管和UHPC的有機結(jié)合,制備出了新型微膨脹鋼管UHPC,并系統(tǒng)研究了鋼管UHPC膨脹應力設計和短柱力學性能,為其今后工程設計、應用提供理論支持。論文進行的主要研究工作和取得的主要創(chuàng)新成果有:(1)在最緊密堆積設計方法分析的基礎(chǔ)上,提出使用濕堆積密度表征顆粒堆積密實度,針對鋼管混凝土施工工藝特殊,無法通過振動密實的問題,在兼顧UHPC力學性能的基礎(chǔ)上,使用響應面法開展UHPC最緊密和流動性能設計,通過數(shù)學方法模擬,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UHPC流變性、力學性能的影響規(guī)律。系統(tǒng)建立了自密實UHPC設計制備方法,制備出了一種自密實UHPC。(2)系統(tǒng)開展了UHPC自收縮特性研究,揭示了UHPC收縮發(fā)生機制。針對UHPC自收縮特性及產(chǎn)生機理開展了深入研究,低水膠比使得UHPC早期水化所需水分嚴重不足,降低了內(nèi)部濕度,對收縮具有重要作用的介孔數(shù)量顯著增加,由于此時其強度相對較低,極易受到毛細孔負壓影響而產(chǎn)生收縮。同時在凝結(jié)硬化之前平均毛細孔負壓可達-1.95MPa,使得早期自干燥收縮效應大。(3)揭示了UHPC膨脹難以實現(xiàn)的本質(zhì),提出膨脹設計理論方法,制備出了膨脹可控的微膨脹UHPC。膨脹窗口與內(nèi)部相對濕度演變及混凝土收縮窗口不統(tǒng)一是UHPC膨脹難以實現(xiàn)的根本原因,較低的內(nèi)部相對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)不利于膨脹反應及膨脹的產(chǎn)生。針對UHPC收縮特性,研究實現(xiàn)“微膨脹”兩步設計:引入額外水降低UHPC的自身收縮,同時促進膨脹劑發(fā)揮作用;然后通過膨脹窗口和內(nèi)養(yǎng)護水釋放窗口匹配設計,制備出了力學性能和耐久性能優(yōu)異的微膨脹UHPC。(4)探明了微膨脹UHPC膨脹機制,揭示了其性能增強的本質(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特性分析,結(jié)合內(nèi)養(yǎng)護材料養(yǎng)護區(qū)域形成機制,對UHPC膨脹、增強機制有了新的認識。研究表明,內(nèi)養(yǎng)護水在水泥凝結(jié)之后快速釋放出來,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)異的補償收縮效果。微膨脹UHPC微觀結(jié)構(gòu)密實,水化產(chǎn)物鏈長、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)護材料周圍形成了100μm致密水化層,補償了內(nèi)養(yǎng)護材料引入的孔洞對強度、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膨脹應力設計和短柱力學性能。對于普通UHPC,由于收縮大,造成鋼管與UHPC之間的界面極限粘結(jié)強度低,鋼管無法充分發(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性能�；趯嶒炑芯�,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,并對極限承載力進行了分析和計算,為工程設計、應用提供依據(jù)。本文研究形成的系統(tǒng)理論與技術(shù)成果可以促進UHPC收縮、膨脹理論與控制技術(shù)進步,對于微膨脹UHPC設計、應用具有重要意義。
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：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內(nèi)外應用典型實例。由于超高性能優(yōu)異的力學性能，在實際應用中發(fā)現(xiàn)，在極端條件下如地震后仍然能保持良好的性能，減輕了災害對人類生命財產(chǎn)的威脅[106,107]。當然在公路、海洋等領(lǐng)域也有著越來越廣泛的應用，本文也不一一枚舉，超高性能混凝土因其優(yōu)異的力學性能和耐久性能在未來也將得到越來越廣泛的應用。馬來西亞蘭陶公路橋 法國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)件對比[109]）韌性好、斷裂能高超高性能混凝土中含有大量細鋼纖維，其斷裂能可達 20000-40的韌性。但是超高性能混凝土基體強度高、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，超高性能混凝土受到鋼管三個方向的約束力，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[112,113]，國內(nèi)外大量學者將超進入鋼管，制備鋼管超高性能混凝土。然而目前國內(nèi)外學者主

利用響應面法建立各變量變化曲面，在堆積密實度曲面中選優(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。心組合設計應面法中，針對響應值與變量之間的關(guān)系，需要選擇合適的方設計，優(yōu)化試驗安排。通常，國內(nèi)外學者常用實驗設計方法有方法、析因設計、單純形設計、中心組合設計、Box-Behak Matrix 設計等。為實現(xiàn)實驗設計的最優(yōu)化，采用中心組合設由 Box 和 Wilson 最早提出，也是在響應面法中最常用的設計能水泥基材料考慮三元（水泥、硅灰、粉煤灰）體系的最優(yōu)配組合設計的方法，其設計示意圖如圖 2-9 所示，圖中立方體的計中+1 和-1 在空間分布上的可能性，軸中心點代表了立方體距離。其中+1 和-1 是在 2.4.1 計算的基礎(chǔ)上進行比例范圍內(nèi)取如表 2-6 所示。

本文編號：2762700