高性能混凝土早期收缩性能及开裂趋势研究

论文摘要

实际工程条件下,高性能混凝土早期开裂现象屡见不鲜。早期裂缝的出现降低了混凝土结构使用性能,劣化混凝土工程耐久性,缩短了其使用寿命。为优化高性能混凝土结构设计,确保其在实际工程中服役性能及长期耐久性,需深入研究早期开裂现象。结合早期凝结硬化、收缩变形、收缩应力、拉伸徐变、弹性模量及抗裂阻力观测,研究早期开裂机理;建立科学合理的开裂判据,较为准确的进行开裂预测。本文应用超声波无损检测技术,观测了通过高性能混凝土浆体的超声波声学参数随时间发展变化规律,并以此为基础确定高性能混凝土凝结时间。结果表明,超声波主频出现“跳跃式”增长时刻即为浆体初凝时间,波速由快速增长转为缓慢增长时刻为终凝时间;超声波法以胶凝材料水化反应进程及浆体内部微观结构发展为标准监测凝结、硬化,反映了浆体凝结的本质,较贯入阻力法具有操作上、技术上优势。监测了高性能混凝土早期密封条件下内部相对湿度变化,结合成熟度理论、水化程度理论,预测自干燥引发相对湿度变化;改进早期湿度扩散系数计算模型,并基于湿度迁移理论,预测单面干燥条件下高性能混凝土早期内部相对湿度分布。结果表明,水灰比、矿物细掺料对自干燥引发相对湿度变化具有显著影响作用;自干燥引发相对湿度变化与水化程度之间呈简单的线性关系,可基于此关系建立自干燥引发相对湿度变化预测模型,预测结果与试验观测结果具有较高相关性;基于Fick第二定律,结合自干燥与湿度扩散相互影响作用,预测HPC内部相对湿度分布较为合理。应用自行研制非接触式混凝土收缩变形测试仪,观测高性能混凝土早期自生收缩、单面干燥条件下收缩应变分布,研究其影响因素;基于毛细管压力理论,建立早期自生收缩预测模型;基于单面干燥条件下自由收缩与相对湿度线性关系,建立单面干燥条件下收缩应变分布预测模型。结果表明,水灰比、矿物细掺料对自生收缩、单面干燥条件下收缩应变分布具有显著影响作用;水胶比为0.40高性能混凝土,自生收缩预测结果与试验观测结果吻合性较好;低水灰比混凝土中浆体化学减缩明显,凝结过程持续时间较长,化学减缩对自生收缩贡献更为显著,导致毛细水张力预测自生收缩低于实测值;通过收缩应变分布预测结果与试验结果对比,证明受干燥影响区域存在层间约束;考虑层间约束后,收缩应变分布预测结果与试验结果吻合性较好。在观测高性能混凝土早期弹性模量、劈裂抗拉强度随龄期发展基础上,分析受约束高性能混凝土早期开裂敏感性;应用改进环向约束试验,研究高性能混凝土环向约束条件下收缩应力、应力梯度、拉伸徐变及其影响因素;应用显微技术,观测受约束圆环试件表面、内部开裂情况。在上述工作基础上,综合分析受高性能混凝土早期开裂趋势。结果表明,受约束高性能混凝土具有早期开裂敏感性;养护条件、超塑化剂、水灰比及矿物细掺料对收缩应力具有显著影响作用;养护条件、水灰比及矿物细掺料对早期徐变性能具有明显影响作用;降低水灰比、干燥条件作用及硅灰的掺加,增加了受约束高性能混凝土早期开裂趋势;磨细矿渣的掺入,对受约束高性能混凝土早期开裂趋势影响不明显。考虑混凝土早期粘弹性能,预测受约束高性能混凝土收缩应力;基于强度理论及能量理论,建立了早期开裂判据,预测受约束高性能混凝土早期开裂龄期。结果表明,残余收缩应力被释放前,考虑早期粘弹性能的收缩应力预测值与试验观测值较为接近;基于强度理论、能量理论预测的开裂龄期较试验观测结果有所提前,且相差不大,表明预测方法较为有效;能量理论确定的开裂抗力考虑了原始裂纹对早期开裂的影响作用,更适用于受约束高性能混凝土早期开裂预测,预测结果偏安全、可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高性能混凝土早期凝结硬化
• 1.1.1 高性能混凝土早期凝结硬化监测手段
• 1.1.2 超声波技术在混凝土早期性能监测方面的应用研究
• 1.2 混凝土结构早期体积变形
• 1.2.1 化学减缩
• 1.2.2 自生收缩
• 1.2.3 干燥收缩
• 1.2.4 温度收缩
• 1.2.5 非均匀收缩
• 1.3 混凝土早期约束收缩开裂试验
• 1.3.1 轴向受约束梁试验
• 1.3.2 受约束板试验
• 1.3.3 受约束环试验
• 1.4 开裂预测
• 1.5 本论文研究的目的和意义
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 高性能混凝土早期凝结硬化过程监测
• 2.1 高性能混凝土凝结、硬化与早期收缩开裂关系
• 2.1.1 流态阶段
• 2.1.2 固相骨架形成发展阶段
• 2.1.3 硬化阶段
• 2.2 试验
• 2.2.1 原材料及配合比
• 2.2.2 高性能混凝土凝结硬化过程监测
• 2.2.3 贯入阻力试验
• 2.3 超声波速观测结果与讨论
• 2.3.1 水灰比对超声波速的影响作用
• 2.3.2 矿物细掺料对超声波速的影响作用
• 2.3.3 通过超声波速确定凝结时间
• 2.4 超声波主频观测结果与讨论
• 2.4.1 超声波主频发展变化规律
• 2.4.2 超声波在早期浆体中的衰减
• 2.4.3 超声波衰减与接收频率变化的关系
• 2.4.4 通过超声波主频确定凝结时间
• 2.5 超声波法与贯入阻力法对比分析
• 2.5.1 贯入阻力试验结果
• 2.5.2 超声波法、贯入阻力法所确定凝结时间对比
• 2.5.3 超声波法相对于贯入阻力法的优点
• 2.6 本章小结
• 第3章 高性能混凝土早期内部相对湿度分布
• 3.1 高性能混凝土内部相对湿度分布与早期收缩开裂关系
• 3.2 试验
• 3.2.1 原材料及配合比
• 3.2.2 高性能混凝土早期内部相对湿度监测
• 3.2.3 单面干燥条件下试件失重率测定
• 3.2.4 抗压强度测定
• 3.2.5 劈裂抗拉强度测定
• 3.2.6 成熟度测定
• 3.3 密封条件下自干燥引发相对湿度变化
• 3.3.1 自干燥引发相对湿度变化试验结果与讨论
• 3.3.2 密封条件下自干燥引发相对湿度变化预测
• 3.4 单面干燥条件下高性能混凝土内部相对湿度分布预测
• 3.4.1 单面干燥条件下高性能混凝土内部相对湿度变化
• 3.4.2 单面干燥条件下高性能混凝土内部相对湿度分布预测方程
• 3.4.3 单面干燥条件下高性能混凝土早期湿度扩散
• 3.4.4 单面干燥条件下高性能混凝土内部相对湿度分布预测
• 3.5 本章小结
• 第4章 高性能混凝土早期自生收缩及收缩应变分布
• 4.1 引言
• 4.2 试验
• 4.2.1 原材料及配合比
• 4.2.2 密封条件下早期自生收缩测定
• 4.2.3 单面干燥条件下早期收缩变形梯度测定
• 4.2.4 收缩试件内部温度监测
• 4.2.5 早期静力受压弹性模量测试
• 4.2.6 早期动弹性模量测试
• 4.3 高性能混凝土早期自生收缩试验结果与讨论
• 4.3.1 水灰比对自生收缩的影响作用
• 4.3.2 矿物细掺料对自生收缩的影响作用
• 4.4 高性能混凝土早期自生收缩预测
• 4.4.1 湿度下降引发混凝土收缩机理
• 4.4.2 毛细水张力计算
• 4.4.3 毛细水张力引发高性能混凝土自生收缩计算
• 4.4.4 毛细水张力理论预测高性能混凝土早期自生收缩
• 4.5 单面干燥条件下高性能混凝土早期收缩应变分布
• 4.5.1 高性能混凝土早期收缩应变分布试验结果分析
• 4.5.2 单面干燥下高性能混凝土早期收缩应变分布预测
• 4.6 本章小结
• 第5章 环向约束条件下高性能混凝土早期开裂研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验
• 5.2.1 原材料及配合比
• 5.2.2 收缩应力观测
• 5.2.3 收缩应力计算
• 5.2.4 开裂显微观测
• 5.3 高性能混凝土早期力学性能发展趋势与开裂敏感性
• 5.4 环向约束条件下高性能混凝土内部收缩应力及应力梯度
• 5.4.1 养护条件对收缩应力影响
• 5.4.2 外加剂对收缩应力影响
• 5.4.3 水灰比对收缩应力影响
• 5.4.4 矿物细掺料对收缩应力影响
• 5.5 环向约束条件下高性能混凝土拉伸徐变性能
• 5.5.1 环向约束条件下拉伸徐变计算
• 5.5.2 高性能混凝土早期拉伸徐变产生机理
• 5.5.3 养护条件对拉伸徐变影响
• 5.5.4 水灰比对拉伸徐变影响
• 5.5.5 矿物细掺料对拉伸徐变影响
• 5.5.6 早期比徐变
• 5.5.7 早期徐变系数
• 5.6 早期开裂显微观测及开裂趋势分析
• 5.6.1 表面显微观测
• 5.6.2 内部显微结构观测
• 5.6.3 早期开裂趋势研究分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 高性能混凝土早期开裂预测
• 6.1 引言
• 6.2 约束状态下高性能混凝土收缩应力预测
• 6.2.1 理论弹性收缩应力预测
• 6.2.2 高性能混凝土早期实测残余收缩应力
• 6.2.3 高性能混凝土早期拉伸徐变
• 6.2.4 高性能混凝土早期拉伸徐变预测
• 6.2.5 考虑早期粘弹性能的收缩应力预测
• 6.3 基于强度理论预测受约束高性能混凝土早期开裂
• 6.3.1 早期抗拉强度预测
• 6.3.2 早期开裂强度判据及开裂预测
• 6.4 基于能量吸收理论预测受约束高性能混凝土早期开裂
• 6.4.1 裂纹失稳扩展的能量判据
• 6.4.2 R 曲线
• 6.4.3 早期开裂能量判据及开裂预测
• 6.5 强度与能量理论预测早期开裂比较分析
• 6.5.1 早期开裂应力阈值
• 6.5.2 早期开裂预测结果
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历