高强次轻混凝土的研究与应用

论文摘要

高强次轻混凝土是指表观密度为1950 kg／m3～2300kg／m3，强度在50MPa以上，弹性模量可设计的新型混凝土材料。因其具有轻质、高强、优良的体积稳定性和耐久性，在高层建筑、海洋工程和大跨度桥梁等工程建设中具有巨大的经济优势和广阔的应用前景。本文围绕高强次轻混凝土的组成、结构与性能之间的关系，以及在桥梁工程应用中的关键技术开展了深入系统的研究工作，研究成果为高强次轻混凝土材料的设计、制备与应用提供理论依据和技术支撑。本文进行的主要工作和取得的重要成果有：在系统研究高强混凝土内部湿度与自收缩关系的基础上，提出高强混凝土内部湿度补偿理论与设计方法，揭示了轻集料的湿度补偿作用和普通集料的限制收缩作用是高强次轻混凝土具有优良体积稳定性的本质原因；建立高强次轻混凝土的强度设计理论模型，并提出高强次轻混凝土的配合比设计方法。建立了高强次轻混凝土抗拉强度（ft）与抗压强度(fcu)之间的关系式ft=0.0519fcu1.0467，及弹性模量（E）与其表观密度（ρ）和抗压强度(fcu)的关系式E=0.02554×fcu1.44ρ0.23。为高强次轻混凝土的设计、制备及工程应用奠定了理论基础。系统地研究了次轻混凝土流变性能和工作性能的主要影响因素及其规律，探明了次轻混凝土拌合物具有随着普通集料体积率的增加，屈服剪切应力和粘度系数降低，坍落度和扩展度增加的流变特性；提出了次轻混凝土的匀质性评价方法以及泵送高强次轻混凝土的工作性能控制指标，实现了钢纤维增韧高强次轻混凝上的泵送施工，为次轻混凝土的原材料选择与工作性能设计提供依据。采用XRD、SEM、EDXA等测试手段，结合耐久性试验，研究了高强次轻混凝土的组成、结构与耐久性之间的关系，揭示了水泥石及其与轻集料和普通集料组成的两种界面过渡区在轻集料湿度补偿作用下，水化程度提高、空隙率降低、界面处Ca（OH）2含量与取向指数减小、混凝土结构密实是高强次轻混凝土具有优良耐久性的重要原因。系统研究了SC60高强次轻混凝土梁的抗弯和抗剪力学性能。结果表明：高强次轻混凝土梁和普通混凝土梁受压区混凝土具有相似的破坏特征，高强次轻混凝土梁的挠度、极限承载力与相同强度等级普通混凝土梁接近，裂缝间距小、分布均匀；高强次轻混凝土与钢筋之间的粘结性好，变形协调同步；随着配筋率的增加，高强次轻混凝土梁的极限承载力提高，延性降低；箍筋对斜裂缝的开裂和挠度影响较小；高强次轻混凝土梁的挠度随剪跨比增大而增大。研究成果为高强次轻混凝土的结构工程设计提供参考依据。创新性地开展了高强次轻混凝土在桥梁工程中的应用研究，首次提出了基于高强次轻混凝土的钢箱梁桥面铺装层结构优化设计方法和预应力轻质空心板梁结构材料梯度设计方法。采用有限元法，深入地分析了钢箱梁桥面铺装层和预应力轻质空心板梁端部的受力特性，创建了一种与钢箱梁协同变形的高耐久性钢箱梁桥面铺装层新型组合结构体系和锚固端抗裂性能优良的新型预应力轻质空心板梁的结构形式。研究成果成功应用于孝襄高速公路随州团山河大桥、武汉市中环线钢箱梁高架桥和绕城公路东西湖钢箱梁桥，解决了轻集料混凝土空心板梁端部锚固区易开裂和钢箱梁桥面铺装层易发生推移、拥包、破损等病害的世界性难题，形成了具有自主知识产权的成套技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 水泥混凝土的应用与发展
• 1.2 高强普通集料混凝土的优点及存在问题
• 1.3 高强轻集料混凝土的优点及存在的问题
• 1.4 次轻混凝土的研究现状与存在问题
• 1.5 本文的主要内容
• 1.6 选题的背景与意义
• 第2章 高强次轻混凝土设计理论与方法
• 2.1 高强混凝土内部湿度补偿原理
• 2.1.1 问题提出
• 2.1.2 高强混凝土的收缩
• 2.1.3 高强混凝土自收缩及产生机理
• 2.1.4 高强混凝土的内部湿度及其与自收缩的关系
• 2.1.4.1 混凝土内部湿度的测定方法
• 2.1.4.2 高强混凝土内部湿度变化规律
• 2.1.4.3 内部湿度与自收缩的关系
• 2.1.5 高强混凝土内部湿度补偿理论
• 2.2 高强混凝土内部湿度补偿设计方法
• 2.2.1 内部湿度补偿机制
• 2.2.2 湿度调节材料的选择
• 2.2.3 湿度补偿材料的释水有效距离与粒径的选择
• 2.2.4 轻集料预湿处理方法
• 2.2.5 混凝土内部湿度补偿理论的应用
• 2.2.6 高强混凝土内部湿度补偿的应用效果验证
• 2.3 高强次轻混凝土的理想结构与设计原则
• 2.4 高强次轻混凝土的强度设计理论模型
• 2.5 高强次轻混凝土配合比设计方法
• 第3章 次轻混凝土的流变特性与工作性能评价方法
• 3.1 新拌次轻混凝土的流变特性
• 3.1.1 集料组成对新拌次轻混凝土屈服剪切应力和粘性系数的影响
• 3.1.2 新拌次轻混凝土的结构形成特点
• 3.1.3 新拌次轻混凝土中粒子的运动特点
• 3.2 次轻混凝土工作性的评价方法
• 3.3 次轻混凝土工作性的影响因素
• 3.3.1 振捣时间
• 3.3.2 水胶比、砂率和轻集料掺量对次轻混凝土匀质性的影响
• 3.3.3 轻集料粒径及增强增粘组分对混凝土匀质性的影响
• 3.3.4 各因素对次轻混凝土工作性的影响
• 3.3.4.1 粗集料组成
• 3.3.4.2 集料的最大粒径及级配
• 3.3.4.3 矿物掺和料
• 3.3.4.4 纤维
• 3.3.4.5 高效减水剂
• 3.4 泵送高强次轻混凝土工作性能指标
• 3.5 次轻混凝土匀质性控制技术
• 第4章 高强次轻混凝土的物理力学性能
• 4.1 主要原材料与实验方法
• 4.1.1 原材料
• 4.1.2 试验方法
• 4.2 集料组成对高强次轻混凝土物理力学性能的影响
• 4.2.1 表观密度
• 4.2.2 力学性能
• 4.3 轻集料级配与粒径
• 4.4 水灰比
• 4.5 辅助胶凝材料
• 4.5.1 粉煤灰
• 4.5.2 硅灰
• 4.5.3 矿粉
• 4.6 体积砂率
• 4.7 轻质砂
• 4.8 高强次轻混凝土力学性能之间的关系
• 4.8.1 抗压强度与抗拉强度之间的关系
• 4.8.2 弹性模量与抗压强度和表观密度之间的关系
• 4.9 高强次轻混凝土的韧性
• 4.10 体积变形性能
• 4.10.1 高强次轻混凝土的收缩性能
• 4.10.2 高强次轻混凝土的徐变性能
• 4.10.2.1 试验
• 4.10.2.2 结果分析
• 第5章 高强次轻混凝土的耐久性
• 5.1 抗硫酸盐侵蚀性能
• 5.1.1 试验
• 5.1.2 结果分析
• 5.2 抗冻性能
• 5.2.1 试验
• 5.2.2 结果分析
• 5.3 抗钢筋锈蚀性能
• 5.3.1 试验
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 抗碳化性能
• 5.4.1 试验
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 抗渗性能
• 5.5.1 试验
• 5.5.2 结果分析
• 第6章 高强次轻混凝土构件力学性能
• 6.1 高强次轻混凝土梁抗弯试验
• 6.1.1 原材料性能与试验方法
• 6.1.1.1 原材料性能
• 6.1.1.2 试验梁的设计与制作
• 6.1.1.3 加载方式及试验方法
• 6.1.2 混凝土应变和钢筋的应变
• 6.1.2.1 混凝土应变
• 6.1.2.2 钢筋应变
• 6.1.3 正截面承载力
• 6.1.4 挠度
• 6.1.5 延性
• 6.1.6 试验梁的破坏形式
• 6.1.7 裂缝分布
• 6.2 高强次轻混凝土梁抗剪试验
• 6.2.1 原材料性能与试验方法
• 6.2.1.1 原材料
• 6.2.1.2 试件设计与制作
• 6.2.1.3. 加载方式与试验方法
• 6.2.2 试验梁抗剪承载力分析
• 6.2.3 试验梁抗剪承载力特征值分析
• 6.2.3.1 剪跨比对SC60梁抗剪特征值的影响分析
• 6.2.3.2 不同材料在有、无腹筋时抗剪特征值的影响分析
• 6.2.4 混凝土抗剪承载力分析
• 6.2.5 箍筋应变分析
• 6.2.6 主筋应变
• 6.2.7 挠度
• 6.2.7.1 剪跨比对SC60梁的挠度影响
• 6.2.7.2 腹筋对SC60梁的挠度影响
• 6.2.7.3 不同混凝土试验梁在有无腹筋时的挠度的对比分析
• 6.2.8 裂缝发展和破坏形态分析
• 第7章 高强次轻混凝土在桥梁工程中应用技术研究
• 7.1 基于高强次轻混凝土的钢箱梁桥面铺装层结构优化设计
• 7.1.1 工程概况
• 7.1.2 技术方案
• 7.1.3 钢箱梁桥面高强次轻混凝土铺装层力学分析
• 7.1.4 高强次轻混凝土的设计与施工
• 7.1.5 工程应用效果
• 7.2 基于高强次轻混凝土的预应力空心板梁结构材料梯度设计研究
• 7.2.1 工程概况
• 7.2.2 技术方案
• 7.2.3 技术方案可行性分析
• 7.2.4 高强次轻混凝土配合比设计与板梁施工
• 第8章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 附录 博士期间发表的部分论文及成果
• 致谢