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复掺矿物掺合料混凝土性能及抗裂机理、微观特性研究

作　者: 田野
导　师: 金贤玉
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 隧道矿物掺合料高性能混凝土开裂机理微观结构温度场
分类号: TU528.041
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

结构混凝土在正常使用荷载作用之前产生的早期裂缝将严重影响结构物的外观与耐久性，这已经是导致工程结构破坏的重要原因之一。有针对性的配制具有良好抗裂性能的复掺矿物掺合料混凝土，从理论到试验综合研究混凝土早期开裂问题，对于减少甚至避免混凝土结构的早期裂缝的产生、提高混凝土工程耐久性、降低维护成本、延长混凝土结构使用寿命、保证混凝土工程的质量与安全具有重要意义。以往对混凝土早期开裂的研究，着重对混凝土收缩等单方面的研究，而且大多数的研究成果仍处于定性分析阶段，定量的分析研究还很少。因此通过理论分析与试验研究，本文开展了以下几个方面的研究工作：1．从混凝土的早期开裂机理研究入手，分别分析了复掺矿物掺合料混凝土的力学性能、弹性模量、收缩性能、极限拉应变、温度场随龄期发展规律及其对复掺矿物掺合料混凝土早期开裂的影响，推导出混凝土环应力公式，提出了混凝土环应力与龄期发展的增量计算方法，并预测了混凝土环的开裂龄期，建立了分析混凝土早期开裂的理论模型，并通过工程实际验证模型的可行性与可靠性。2．通过碳化深度试验与氯离子渗透试验分析复掺矿物掺合料混凝土的耐久性。3．通过电镜扫描试验与X射线衍射试验，分析复掺矿物掺合料混凝土不同龄期的微观组织结构与化学成分。从微观角度探讨复掺矿物掺合料的高性能混凝土具有良好抗裂性能的机理。通过对复掺矿物掺合料混凝土抗裂性能的综合分析研究，得出如下成果：1．聚丙烯腈纤维混凝土的抗压强度、弹性模量略低于同条件不掺纤维混凝土，但掺入纤维对改善混凝土的收缩性能具有比较明显效果，同时建议采用五参数指数方程表征混凝土干燥收缩随龄期发展规律。2．混凝土弯拉极限拉应变的发展过程可以划分为下降期、上升期与平稳期三个阶段，建议采用指数表达式来表征上升期与平稳期混凝土的弯拉极限拉应变随龄期的发展规律，并提出了特征龄期的概念。研究表明掺入纤维可以缩短混凝土极限拉应变的特征龄期，提高混凝土的早期抗裂性能增长速度。3．建立水泥水化模型时须将水泥颗粒水化微观结构模型与宏观水化动力学有机结合，将本文建立的水泥水化模型与数值模拟方法相结合，可较精确地预测混凝土温度场随时间的演化规律。4．在分析混凝土早期抗裂机理时应综合分析收缩、温度、徐变、极限拉应变、弹性模量等因素的影响，在此基础上本文所推导的混凝土环应力随龄期发展的增量计算方法可准确预测混凝土环的开裂龄期，对实际工程的研究表明，本文采用动态分析方法所建立的混凝土开裂预测模型具有良好的适用性，同时证明本研究配制的混凝土具有良好的抗裂性能。5．适量复掺矿物掺合料，可使混凝土具有良好的抗碳化性能和抗氯离子渗透性能。适量复掺矿物掺合料也可改善混凝土微观结构，改善Ca（OH）₂的形貌。本研究中所取得的研究成果将为隧道、地下工程等基础设施混凝土工程的设计、施工、管理等提供理论与试验依据。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
符号与缩略词表  7-14
第一章绪论  14-32
  1.1 高性能混凝土的发展和定义  14-18
  1.2 结构混凝土早期裂缝成因及机理分析  18-26
    1.2.1 早期开裂成因分析  18-20
    1.2.2 早期开裂机理  20-26
  1.3 研究内容、目标及预期的社会经济效益  26-27
    1.3.1 研究内容  26
    1.3.2 研究目标  26
    1.3.3 预期的社会经济效益  26-27
  1.4 试验内容  27-30
    1.4.1 室内试验  27-28
    1.4.2 现场试验  28-30
  参考文献  30-32
第二章试验原材料与混凝土配合比  32-41
  2.1 原材料性能  32-37
  2.2 混凝土配合比  37-41
    2.2.1 配合比  37-38
    2.2.2 混凝土配合比经济性比较  38-41
第三章复掺矿物掺合料混凝土的基本力学性能  41-63
  3.1 试验内容、方法与设备  42-46
    3.1.1 立方体抗压强度、劈裂抗拉强度试验  42
    3.1.2 轴心抗压强度、弹性模量试验  42
    3.1.3 弯拉强度试验  42-43
    3.1.4 混凝土与钢筋握裹力试验  43
    3.1.5 试验设备  43-46
  3.2 复掺矿物掺合料混凝土力学性能试验结果及分析  46-58
    3.2.1 抗压强度  46-47
    3.2.2 劈拉强度和弯拉强度  47-53
    3.2.3 轴心抗压强度  53-55
    3.2.4 弹性模量  55-57
    3.2.5 混凝土与钢筋握裹力强度  57-58
  3.3 聚丙烯腈纤维对混凝土力学性能的影响  58-60
    3.3.1 抗压强度和弹性模量  58
    3.3.2 抗拉强度  58-59
    3.3.3 脆性  59
    3.3.4 聚丙烯腈纤维对混凝土力学性能影响的机理  59-60
  3.4 本章小结  60-62
  参考文献  62-63
第四章复掺矿物掺合料混凝土收缩性能试验  63-82
  4.1 收缩理论分析  63-69
    4.1.1 温度收缩  63-64
    4.1.2 塑性收缩  64-65
    4.1.3 干燥收缩  65-67
    4.1.4 自收缩  67-68
    4.1.5 碳化收缩  68-69
  4.2 关于收缩的经验公式  69-71
    4.2.1 ACI 209 Code Model  69-70
    4.2.2 Bazant B3 Model  70
    4.2.3 trost方法(所谓“经典方法”)  70
    4.2.4 王铁梦方法  70-71
  4.3 收缩试验方法与仪器设备  71-75
    4.3.1 试验仪器与设备  71-74
    4.3.2 试验方法与步骤  74-75
  4.4 试验结果与分析  75-79
    4.4.1 试验结果  75-77
    4.4.2 分析和讨论  77-79
  4.5 本章小结  79-80
  参考文献  80-82
第五章复掺矿物掺合料混凝土的极限拉应变  82-114
  5.1 混凝土的抗拉性能与试验方法  82-86
    5.1.1 混凝土的受拉应力与应变  82-84
    5.1.2 极限拉应变试验方法  84-85
    5.1.3 混凝土的极限拉应变  85-86
  5.2 研究方法与结果分析  86-110
    5.2.1 试验试件、设备与试验步骤  87-88
    5.2.2 试验结果  88-98
      5.2.2.1 弯拉应力-应变曲线  88-90
      5.2.2.2 混凝土弯拉弹性模量E_f  90-91
      5.2.2.3 混凝土弯拉状态下的不连续点  91-94
      5.2.2.4 混凝土弯拉极限拉应变  94-96
      5.2.2.5 弯拉极限拉应变的数值分析  96-98
    5.2.3 混凝土弯拉破坏与轴拉破坏的关系  98-107
    5.2.4 混凝土抗拉强度σ_R与抗拉应变ε_R  107-110
  5.3 本章小结  110-112
  参考文献  112-114
第六章复掺矿物掺合料混凝土温度场试验研究  114-165
  6.1 混凝土热传导理论  114-118
    6.1.1 混凝土热力学参数  114-115
    6.1.2 混凝土的水化热与绝热温升  115-116
    6.1.3 热传导方程  116-117
    6.1.4 初始条件与边界条件  117-118
  6.2 混凝土温度场的测定  118-132
    6.2.1 测温点布置  118-122
    6.2.2 隧道内部环境温度  122-124
    6.2.3 隧道中隔墙混凝土温度场  124-132
  6.3 水泥水化动力学研究  132-148
    6.3.1 水泥水化反应动力学方程  133-134
    6.3.2 水泥颗粒水化反应微观几何模型  134-140
    6.3.3 水泥水化反应动力学的微观方程式  140-142
    6.3.4 水化反应速率与水泥颗粒粒径分布函数  142-144
    6.3.5 水泥水化反应动力学模型  144-148
  6.4 温度场的数值模拟  148-162
    6.4.1 模型建立与参数的选择  148-149
    6.4.2 数值模拟结果  149-162
  6.5 本章小结  162-163
  参考文献  163-165
第七章复掺矿物掺合料混凝土开裂性能试验研究  165-196
  7.1 混凝土配合比  166-167
  7.2 环形约束试验  167-174
    7.2.1 环形收缩开裂试验方法  167-168
    7.2.2 试验结果及分析  168-174
      7.2.2.1 抗压强度  168-170
      7.2.2.2 环形约束  170-174
  7.3 平板式约束收缩开裂试验  174-178
    7.3.1 平板式约束收缩开裂试验方法  174-176
    7.3.2 平板试验结果  176-178
  7.4 环形开裂理论分析  178-191
    7.4.1 混凝土开裂主要影响因素  178-185
      7.4.1.1 收缩  179-181
      7.4.1.2 约束程度  181
      7.4.1.3 混凝土徐变  181-185
        7.4.1.3.1 徐变的机理  182-183
        7.4.1.3.2 徐变系数和徐变函数  183-184
        7.4.1.3.3 徐变模型的评价  184-185
    7.4.2 混凝土环形约束理论应力  185-188
    7.4.3 破坏准则  188
    7.4.4 开裂预测  188-191
  7.5 本章小结  191-193
  参考文献  193-196
第八章复掺矿物掺合料混凝土开裂特性综合分析  196-217
  8.1 建立复掺矿物掺合料混凝土开裂曲线  196-203
    8.1.1 早龄期混凝土的拉应力  196-197
    8.1.2 计算参数的选择  197-202
    8.1.3 混凝土开裂曲线  202-203
  8.2 建立复掺矿物掺合料混凝土抗裂曲线  203-205
  8.3 复掺矿物掺合料混凝土抗裂分析  205-208
  8.4 复掺矿物掺合料混凝土耐久性  208-215
    8.4.1 抗碳化性能  209-212
    8.4.2 抗氯离子渗透性能  212-215
  8.5 本章小结  215-216
  参考文献  216-217
第九章复掺矿物掺合料混凝土微观结构  217-244
  9.1 水泥基相的凝结硬化  217-230
    9.1.1 水泥的水化过程与产物  217-219
    9.1.2 复掺矿物掺合料混凝土的X衍射分析  219-230
  9.2 复掺矿物掺合料混凝土的微观结构及抗裂机理  230-242
    9.2.1 扫描电镜试验  230
    9.2.2 扫描电镜试验分析  230-242
  9.3 本章小结  242-243
  参考文献  243-244
第十章隧道试验段混凝土开裂情况跟踪分析  244-263
  10.1 试验段现场试验结果  244-251
    10.1.1 施工记录  244-245
    10.1.2 试验段混凝土配合比  245-246
    10.1.3 施工现场混凝土强度  246-251
  10.2 现场混凝土开裂情况跟踪  251-253
  10.3 本章小结  253-263
第十一章结论与展望  263-266
致谢  266-267
攻读学位期间发表的学术论文  267

复掺矿物掺合料混凝土性能及抗裂机理、微观特性研究

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