基于系统论的道路混凝土多指标组成设计方法

论文摘要

道路水泥混凝土组成设计是一项系统性工程,不仅涉及到先进的设计理念及方法,而且要考虑到我国不同等级道路和地域的交通荷载状况、环境气候条件、原材料技术性状及施工管理水平。本文依托国家西部交通建设科技项目《道路水泥混凝土组成设计研究》,借鉴国内外先进理念,针对现行设计方法中存在的不足,对道路混凝土的组成设计方法进行了深入而系统的研究。论文通过引入系统方法论新理念,提出了基于道路混凝土独特的结构、材料特点和实际工作状态的分阶段性能设计思路,建构了分层次体积设计模型,采用了基于设计分区的多指标和多参数设计方法,从而提出了道路混凝土组成设计体系的基本组成和设计流程。针对道路混凝土的内部结构特点,建立了以砂浆体积分量Vm为核心的分层次体积设计模型。论文首先进行了砂浆层次设计,确定了净浆性能设计参数和体积设计参数;为了使得粗集料混合体系的空隙率最小,研究了粗集料主骨架设计方法,推荐了集料级配、公称最大粒径NMPS和关键粒径的合理取值;基于砂浆对粗集料骨架的干涉作用,研究了混凝土层次设计,并通过分析Vm与道路混凝土各项路用性能关系的显著性,提出了Vm的确定方法。通过分析道路混凝土的工作环境及其作用特点,并考虑混凝土的材料特性,提出了道路混凝土设计分区理念。设计分区体系包括交通荷载分级、耐久性气候分区和施工环境分级,根据各类环境因子区分工作环境的显著性和有效性,分别采用交通量、最冷月平均温度和年降水量、强度变异系数和蒸发率作为交通、气候、施工三类设计分区的分区指标。并结合我国的应用现状,界定了具体设计分区并阐述了相关路用性能要求,建立了设计分区的基本框架体系。不同设计分区下的多指标和多参数体系构成了本文所建立的道路混凝土组成设计方法的基础。论文采用多指标体系控制道路混凝土的组成设计,结合理论分析和试验研究,分析了不同指标评价道路混凝土路用性能的准确性,推荐采用坍落度和VB稠度作为施工流变性设计指标,抗弯拉强度作为力学性能设计指标,选取氯离子抗渗性、抗冻性和耐磨性作为耐久性设计指标,并建议了各类路用性能指标的合理取值。多参数体系的建立实现了道路混凝土组成设计过程的有效控制。本文在分析道路混凝土内部结构状态和材料组成关系的基础上,优选了试验研究对象与测试方法,设计了科学合理的室内试验方案,研究了道路混凝土的关键材料组成参数和施工流变性、力学性能、耐久性及抗裂性之间的关系。试验结果表明,水灰比作为最重要的组成设计参数,与抗弯拉强度及耐久性的关系是配合比设计的基础,即使保持相同的水灰比,变化水泥用量或用水量对混凝土路用性能的影响有着显著差异,因此,设计时必须同时控制这三个参数;此外,道路混凝土中适当的含气量和净浆体积分量对提高耐久性和抗裂性至关重要。论文通过分析不同路用性能对材料设计要求的共性和差异,充分考虑道路混凝土的应用现状,并借鉴国内外已有研究成果,推荐了对应于不同设计分区的道路混凝土关键材料组成参数的合理取值范围。最后,在全面分析和总结相关研究成果的基础上,建立了基于路用性能的道路混凝土配合比设计方法,开发了相关设计软件,并结合试验路工程验证了道路混凝土组成设计方法的可操作性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及必要性
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究必要性
• 1.2 国内外研究现状及相关评述
• 1.2.1 混凝土设计技术的发展史
• 1.2.2 普通混凝土配合比设计方法
• 1.2.3 高性能混凝土设计理念
• 1.2.4 道路混凝土设计方法
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容与实施方案
• 1.3.2 研究技术路线
• 第二章 道路混凝土组成设计新理念
• 2.1 道路混凝土组成设计的系统论方法
• 2.1.1 系统论定义和研究规律
• 2.1.2 道路混凝土系统的组成、结构层次和工作环境
• 2.1.3 系统论方法对道路混凝土组成设计的指导性
• 2.2 分层次体积设计理念
• 2.2.1 普通混凝土的结构特征
• 2.2.2 道路混凝土的结构特征
• 2.2.3 道路混凝土分层次体积设计模型
• 2.3 分阶段性能设计理念
• 2.3.1 道路混凝土的结构形成和性能劣化过程
• 2.3.2 施工性能设计阶段
• 2.3.3 强度设计阶段
• 2.3.4 耐久性设计阶段
• 2.4 基于工作环境的多指标和多参数设计控制理念
• 2.4.1 工作环境的辨识
• 2.4.2 设计分区的建立
• 2.4.3 多指标和多参数控制体系的提出
• 2.5 基于路用性能的道路混凝土组成设计方法体系框架
• 2.6 本章小结
• 第三章 道路混凝土分层次体积设计方法
• 3.1 砂浆设计
• 3.1.1 砂浆的分层次体积设计概念
• 3.1.2 净浆性能设计参数
• 3.1.3 细集料的堆积密实状态和最佳灰率
• 3.1.4 水泥净浆对细集料的撑开作用
• 3.2 粗集料主骨架设计
• 3.2.1 研究目标
• 3.2.2 粗集料公称最大粒径（NMPS ）
• 3.2.3 粗集料的堆积和级配理论
• 3.2.4 粗集料级配范围
• 3.2.5 粗集料级配关键粒径
• 3.3 道路混凝土结构设计
• 3.3.1 砂浆对粗集料的撑开作用
• 3.3.2 砂浆-粗集料过渡层对道路混凝土性能的影响
• m的求解'>3.3.3 砂浆体积分量V_m的求解
• 3.3.4 道路混凝土分层次体积设计方法框架
• 3.4 本章小结
• 第四章 道路混凝土组成设计分区及路用性能控制指标
• 4.1 道路混凝土的工作环境及其影响
• 4.1.1 自然环境
• 4.1.2 化学环境
• 4.1.3 使用环境
• 4.1.4 施工环境
• 4.1.5 道路混凝土的工作环境分类
• 4.2 设计分区的定义与界定
• 4.2.1 设计分区的定义、体系构成和原则
• 4.2.2 设计分区的适用范围
• 4.2.3 设计分区指标的选取
• 4.2.4 设计分区的界定及特征
• 4.2.5 与已有相关研究的比较
• 4.3 基于设计分区的道路混凝土多指标控制体系
• 4.3.1 选取原则
• 4.3.2 施工性能控制指标
• 4.3.3 强度控制指标
• 4.3.4 耐久性控制指标
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于不同设计分区的道路混凝土组成参数控制研究
• 5.1 道路混凝土的结构、性能及与材料组成的关系
• 5.1.1 道路混凝土结构的复杂性
• 5.1.2 道路混凝土内部各组成相的结构与性能
• 5.1.3 材料组成与道路混凝土结构及性能的关系
• 5.2 试验方案与原材料技术性质
• 5.2.1 研究思路与试验方案
• 5.2.2 试验方法选择
• 5.2.3 原材料技术性质
• 5.3 水灰比、水泥用量和用水量控制
• 5.3.1 施工性能设计要求
• 5.3.2 水灰比与抗弯拉强度的关系
• 5.3.3 水灰比、用水量、水泥用量与耐久性、抗裂性的关系
• 5.3.4 水灰比、水泥用量和用水量控制建议值和相关讨论
• 5.4 含气量控制
• 5.4.1 含气量对施工流变性的影响
• 5.4.2 含气量对抗弯拉强度的影响
• 5.4.3 含气量对耐久性、抗裂性的影响
• 5.4.4 含气量控制建议值与相关讨论
• 5.5 净浆体积分量控制
• 5.5.1 净浆体积分量与施工抗裂性的关系
• 5.5.2 净浆体积分量与早期收缩抗裂性的关系
• 5.5.3 净浆体积分量控制建议值
• 5.6 本章小结
• 第六章 道路水泥混凝土配合比设计方法及工程应用
• 6.1 道路水泥混凝土配合比设计方法与示例
• 6.1.1 设计方法
• 6.1.2 设计示例
• 6.2 道路混凝土配合比设计软件
• 6.2.1 软件简介
• 6.2.2 软件界面与操作
• 6.3 工程应用
• 6.3.1 工程概况
• 6.3.2 施工准备措施
• 6.3.3 施工铺筑工作
• 6.3.4 试验路检测与分析
• 6.3.5 配合比设计方法应用效果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 7.1 主要研究结论
• 7.1.1 道路混凝土组成设计新理念
• 7.1.2 道路混凝土分层次体积设计方法
• 7.1.3 道路混凝土组成设计分区及路用性能控制指标
• 7.1.4 基于不同设计分区的道路混凝土组成参数控制研究
• 7.1.5 道路水泥混凝土配合比设计方法及工程应用
• 7.2 主要创新点
• 7.3 下一步研究建议
• 参考文献
• 续附录 全国典型城市的地理与气候信息
• 续附录 全国典型城市的地理与气候信息
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢