绿色高耐久性混凝土的早期塑性收缩与开裂性能研究

论文摘要

进入21世纪,水泥混凝土依然是土木工程建设中最主要的结构材料,其耐久性是国际国内工程界关注的重大科技问题。早期塑性收缩是高性能混凝土出现塑性裂缝的主要原因,也是高性能混凝土普遍存在的问题,混凝土早期裂缝加速了混凝土劣化的进程,对后期裂缝的形成及发展也有着极为重要的影响,严重影响了混凝土的耐久性。为此,各国学者对影响混凝土开裂的早期力学性能、水化规律以及环境因素等做了广泛而深入的试验研究。然而大多数试验都集中于对混凝土某种特性的研究,不同研究者采用的试验方法又各不相同,致使研究结论很难比较,且对早期混凝土迅速而复杂的塑性收缩规律缺乏有效的试验手段和系统分析,因此,这些研究对混凝土早期塑性收缩与开裂的认识并不深入。专门针对复合掺加活性掺合料、高效引气剂、膨胀剂和混杂纤维等材料制备的高耐久性混凝土材料早期塑性收缩和开裂性能的研究还很少。本文在分析高性能混凝土(High performance concrete,HPC)塑性收缩与开裂之间的关系和形成机理的基础上,采用平板约束试验,研究了采用高效减水剂、膨胀剂和混杂纤维等材料及其不同组合制备的系列混凝土的早期塑性收缩和开裂性能,优化出绿色高耐久性混凝土(Green high durable concrete,GHDC)的制备技术。研究过程中,对混凝土的早期塑性收缩裂缝作出分形评价,进一步探讨了膨胀剂的补偿收缩机理、纤维的阻裂机理以及二者多元复合的综合抑制机理。本文取得的主要结论如下:(1)研制出早期塑性收缩小的GHDC材料制备技术,通过综合运用膨胀剂补偿收缩技术和纤维限缩阻裂技术,是获得低收缩、高抗裂混凝土材料的重要技术手段。(2)膨胀剂对聚丙烯(polypropylene,PP)纤维增强高性能混凝土的早期塑抗裂性的影响与减水剂种类相关,聚羧酸高效减水剂与铝酸盐混凝土膨胀剂(Aluminate expansion agent,AEA)的复合效应优于萘系减水剂与AEA膨胀剂的复合效果。(3) AEA膨胀剂与哑铃型钢纤维的二元复合技术是增强GHDC早期抗裂能力的有效措施。(4)单根裂缝的长度、宽度以及其面积与相应裂缝的分形维数值曲线变化大致吻合,单根裂缝的分形维数值越高,对应裂缝的长度、裂缝最大宽度及开裂面积越大。(5)混凝土表面总开裂面积与相应分形维数值曲线变化大致吻合,且与全场裂缝分布的分形维数值成正比,分形维数值越高对应混凝土表面的总开裂面积越大。(6)通过GHDC的SEM图可以看出,膨胀剂的补偿收缩复合钢纤维阻裂的综合作用大大抑制了混凝土塑性裂缝的产生,达到了抗裂的目的,从而大幅度提高混凝土的耐久性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 混凝土早期塑性抗裂研究现状
• 1.2.1 塑性收缩与开裂
• 1.2.2 混凝土塑性抗裂的改善措施
• 1.2.3 混凝土塑性抗裂性能的评价方法
• 1.3 目前研究中存在的主要问题
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 原材料、配合比和试验方法
• 2.1 原材料
• 2.1.1 GHDC 对原材料的要求
• 2.1.2 原材料
• 2.2 GHDC 配合比
• 2.2.1 GHDC 配合比设计
• 2.2.2 GHDC 基本物理力学性能
• 2.3 混凝土早期塑性收缩与开裂性能的实验设计
• 2.3.1 试验仪器
• 2.3.2 裂缝观测与数据处理方法
• 第三章 GHDC 早期塑性收缩与开裂性能
• 3.1 GHDC 早期塑性开裂裂缝分析
• 3.1.1 GHDC 早期塑性收缩开裂裂缝数据
• 3.1.2 GHDC 早期塑性收缩开裂裂缝分布规律
• 3.2 膨胀剂对GHDC 的早期塑性抗裂性能的影响
• 3.2.1 膨胀剂对基准GHDC 早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.2.2 膨胀剂对聚丙烯纤维增强GHDC 早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.2.3 膨胀剂对聚酯纤维增强GHDC 早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.2.4 膨胀剂对钢纤维增强GHDC 早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.3 高效减水剂对掺入不同膨胀剂的GHDC 开裂性影响
• 3.3.1 高效减水剂对掺入AEA 膨胀剂的GHDC 开裂性影响
• 3.3.2 高效减水剂对掺入UEA-N 膨胀剂的GHDC 开裂性影响
• 3.4 不同弹性模量的纤维对GHDC 的早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.4.1 聚丙烯纤维
• 3.4.2 聚酯纤维
• 3.4.3 盾铃型钢纤维
• 3.4.4 哑铃型钢纤维
• 3.5 纤维混杂技术对GHDC 的早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.5.1 聚丙烯纤维与钢纤维的二元复合
• 3.5.2 聚酯纤维与钢纤维的二元复合
• 3.5.3 聚丙烯纤维、聚酯纤维与钢纤维的三元复合
• 3.6 膨胀剂与纤维多元复合对GHDC 早期塑性收缩开裂性能的影响
• 3.6.1 膨胀剂与纤维二元复合
• 3.6.2 膨胀剂与混杂纤维多元复合
• 3.7 GHDC 的早期抗裂性能比较
• 3.7.1 几种系列GHDC 早期抗裂性能比较
• 3.7.2 GHDC 塑性收缩与开裂的相关性
• 3.8 本章小结
• 第四章 GHDC 早期塑性收缩的分形评价
• 4.1 分形理论的概述
• 4.1.1 分形定义
• 4.1.2 分形集的度量尺度――分维
• 4.1.3 分形维数的测定
• 4.1.4 分形理论在混凝土表面裂缝中的应用探讨
• 4.2 GHDC 早期塑性收缩裂缝的分形维数测定方法
• 4.2.1 数字图像处理技术
• 4.2.2 FIPS 分形维数计算
• 4.2.3 不同配合比的GHDC 的分形维数
• 4.3 GHDC 早期收缩裂缝的分形评价
• 4.3.1 单根裂缝分形维数与裂缝参数之间的相关性
• 4.3.2 全场裂缝分形维数与裂缝参数之间的相关性
• 4.4 本章小结
• 第五章 混凝土的早期塑性收缩与开裂机理分析
• 5.1 膨胀剂补偿收缩机理
• 5.1.1 AEA、UEA-N 膨胀剂补偿收缩机理
• 5.1.2 钙矾石膨胀补偿收缩机理
• 5.2 纤维阻裂机理
• 5.2.1 理论背景
• 5.2.2 纤维抗裂增韧作用机理
• 5.3 膨胀剂与混杂纤维多元复合的综合抑制机理
• 第六章 主要结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 附录