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蒸养混凝土的热损伤效应及其改善措施研究

作　者: 贺智敏
导　师: 谢友均
学　校: 中南大学
专　业: 土木工程
关键词: 蒸养混凝土 蒸养热效应 肿胀变形 孔结构 介质传输 脆性
分类号: U214.18
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


论文针对我国铁路预应力混凝土预制构件存在的脆性大和表层易开裂等关键技术难题和当前高速铁路建设中对预应力混凝土预制构件的重大需求,在总结国内外相关最新研究成果的基础上,基于高速铁路工程结构中主要的蒸养混凝土预制构件特点,运用混凝土材料科学、物理化学原理等相关理论知识,就蒸养热效应对混凝土微观结构和性能的损伤及其作用机制进行了较为系统深入的研究,取得的主要创新成果如下：(1)系统研究了蒸汽养护条件下混凝土在预养、升温、恒温及降温阶段的变形规律及其主要影响因素、蒸养混凝土微观结构和宏观性能及其相互关系,将蒸养过程对混凝土微观结构和性能的不利影响归纳为三种热损伤效应：肿胀变形效应、表层伤损效应和热脆化效应。(2)混凝土在蒸养过程中发生的不可恢复的残余变形定义为肿胀变形。基于肿胀变形机理及其关键因素的分析,建立了定量描述蒸养期内各阶段蒸养混凝土的肿胀变形模型,试验验证了模型的有效性；研究表明了蒸养混凝土肿胀变形在蒸养期内各阶段呈现不同特性；明确了蒸养混凝土体系内液(气)相含量是决定其肿胀变形大小的关键因素。(3)通过微观与宏观试验剖析了蒸养过程对水泥混凝土水化物相和微观结构的不利影响,而且这种不利影响对暴露于蒸养室的混凝土表层区尤甚,使得蒸养混凝土的微观结构与宏观性能(如毛细吸水性、氯离子迁移性能以及碳化性能等)由表层至内部呈现更大的梯度分布特征,匀质性降低；相对于标养混凝土和蒸养混凝土内部,蒸养混凝土暴露表层部分(约10mm范围)的微结构较为疏松,而内部结构相对更为致密,即蒸养混凝土表层伤损效应。论文揭示了混凝土蒸养表层区热损伤效应的变化规律及其发生机制,并提出了采用毛细吸水性试验的表征方法和吸水性系数评价指标。(4)通过测量带模养护、单面开放蒸养条件下混凝土内外的温度场分布,计算各截面温差应力,结果表明,近表层区混凝土由于温差过大极易受到损伤,而蒸养混凝土内部各截面处的温差很小,温差应力致使结构受损的可能性大为降低。通过分析蒸养过程中发生的混凝土表里热质传输,表明混凝土暴露表层区由于水分的蒸发而形成贯通毛细孔,表层区处于低约束热膨胀状态和降温阶段的冷缩应力亦增大了损伤程度。蒸养引发的表层与内部热效应不均匀造成了蒸养混凝土表层结构的损伤,是导致蒸养混凝土由表及里微结构梯度变化增大的主要原因。(5)通过测试不同养护温度下混凝土冲击韧性、拉压比及折压比性能,明确了蒸养对混凝土热脆化效应的影响规律。研究表明,蒸养混凝土的热脆化效应是导致蒸养预制构件出现开裂、崩裂及掉块等质量缺陷的主要原因。通过水化物相形貌观察和C-S-H组成分析,认为蒸养混凝土的粗晶结构、新生物比表面降低导致粘结力下降和蒸养降温阶段的冷缩导致过渡区产生应力集中或出现微裂缝是产生热脆化效应的主要机理。(6)基于对蒸养混凝土热损伤效应影响因素及其作用机理分析,研发了显著改善蒸养混凝土性能的胶凝材料体系与技术措施。掺用粉煤灰、矿渣或粉煤灰、矿渣和适量硅灰复掺,显著降低了蒸养混凝土的总孔隙率和最可几孔径；采用保湿蒸养工艺以及蒸养结束后预制构件的后续水养护方法可有效缓解蒸养混凝土的表层伤损效应和热脆化效应的不利影响。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-13
第一章 绪论  13-25
  1.1 研究意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-23
    1.2.1 蒸养混凝土及其预制构件的发展  14-15
    1.2.2 蒸养混凝土的水化  15-19
    1.2.3 蒸养混凝土的结构与性能  19-23
  1.3 本文主要研究工作  23-25
第二章 原材料及试验方法  25-38
  2.1 试验原材料  25-26
    2.1.1 水泥  25
    2.1.2 掺合料  25
    2.1.3 骨料  25-26
    2.1.4 减水剂和拌合水  26
  2.2 试件成型与养护制度  26-27
  2.3 试验方法  27-38
    2.3.1 水泥水化程度  27-29
    2.3.2 水化产物成分和结构分析  29-32
    2.3.3 混凝土的毛细吸水性  32-33
    2.3.4 氯离子在试件内部的扩散迁移性能  33
    2.3.5 混凝土碳化试验  33-34
    2.3.6 混凝土冲击韧性试验  34-35
    2.3.7 蒸养过程中的试件肿胀变形测试  35-38
第三章 混凝土在蒸养过程中的肿胀变形  38-62
  3.1 蒸养混凝土肿胀变形机理及模型  39-49
    3.1.1 蒸养热效应引起的物相体积变化  39-40
    3.1.2 蒸养热效应导致的混凝土内部应力的变化  40-43
    3.1.3 蒸养混凝土肿胀变形模型  43-49
  3.2 蒸养过程中砂浆和混凝土的变形特点  49-52
    3.2.1 试验方案  49-50
    3.2.2 蒸养过程中砂浆试件的变形规律  50-51
    3.2.3 蒸养过程中混凝土的变形规律  51-52
  3.3 蒸养试件肿胀变形的影响因素  52-58
    3.3.1 预养期对蒸养肿胀变形的影响  52-53
    3.3.2 水胶比对蒸养肿胀变形的影响  53-54
    3.3.3 矿物掺合料掺量对蒸养肿胀变形的影响  54-55
    3.3.4 蒸养试件肿胀变形模型的验证  55-57
    3.3.5 蒸养过程中生成其他产物的影响  57-58
  3.4 蒸养混凝土肿胀变形与其关键组成及结构参数的关系  58-61
    3.4.1 试样肿胀变形与自由水含量的关系  58-60
    3.4.2 试样肿胀变形与初始结构强度的关系  60-61
  3.5 小结  61-62
第四章 蒸养混凝土表层伤损及其效应  62-91
  4.1 蒸养混凝土表层伤损现象  62-63
  4.2 试验方案  63-66
    4.2.1 微观结构研究  63-64
    4.2.2 毛细吸水性试验  64
    4.2.3 氯离子扩散性能试验  64-66
    4.2.4 碳化试验  66
  4.3 蒸养混凝土表层区微观结构与表层伤损效应机制  66-80
    4.3.1 水化程度  66-69
    4.3.2 水化物相  69-71
    4.3.3 孔结构  71-72
    4.3.4 蒸养混凝土表层伤损效应的形成机制  72-80
  4.4 表层伤损效应对混凝土毛细水吸附性能的影响  80-83
    4.4.1 蒸养混凝土由表及里的毛细水吸附性能  80-82
    4.4.2 蒸养混凝土近表层区毛细水吸附性能  82-83
  4.5 表层伤损效应对混凝土中氯离子迁移的影响  83-87
    4.5.1 标养和蒸养试件氯离子扩散性能对比  83-84
    4.5.2 不同组成蒸养试件氯离子扩散性能  84-87
  4.6 表层伤损效应对混凝土碳化性能的影响  87-89
    4.6.1 标养和蒸养试件的碳化深度对比  87
    4.6.2 蒸养试件不同位置处的碳化性能  87-89
  4.7 小结  89-91
第五章 蒸养热效应导致的混凝土脆化  91-109
  5.1 试验方案  91-92
    5.1.1 抗冲击性能试验  91-92
    5.1.2 抗拉性能试验  92
  5.2 蒸养混凝土的抗冲击性能  92-97
    5.2.1 养护温度对混凝土抗冲击性能的影响  93-95
    5.2.2 组成材料对蒸养混凝土抗冲击性能的影响  95-97
  5.3 蒸养混凝土的抗拉性能  97-100
    5.3.1 蒸养与标养混凝土的拉压比及折压比  98-99
    5.3.2 温度对折压比的影响  99-100
  5.4 蒸养混凝土的热脆化效应及其发生机制  100-108
    5.4.1 热脆化效应  100
    5.4.2 相关机理探讨  100-108
  5.5 小结  108-109
第六章 改善蒸养混凝土热损伤效应的技术措施  109-148
  6.1 试验方案  109-111
    6.1.1 合理配伍胶凝材料组成研究  109
    6.1.2 表层保湿蒸养工艺研究  109-110
    6.1.3 后续水养护措施研究  110-111
  6.2 组成材料对蒸养混凝土热损伤效应的改善作用  111-116
    6.2.1 蒸养混凝土的孔结构  111-114
    6.2.2 蒸养混凝土的毛细吸水性能  114-116
  6.3 表层保湿蒸养工艺  116-124
    6.3.1 蒸养工艺对混凝土吸水性的改善作用  117-121
    6.3.2 蒸养工艺对混凝土孔结构的改善作用  121-124
  6.4 后续水养护措施  124-137
    6.4.1 后续养护对水化程度的影响  124-126
    6.4.2 后续养护对水化物相的影响  126-128
    6.4.3 后续养护对水化产物形貌的影响  128-131
    6.4.4 后续养护对孔结构的影响  131-133
    6.4.5 后续养护对毛细水吸附性能的改善作用  133-137
    6.4.6 后续养护对蒸养混凝土脆性的改善作用  137
  6.5 钢筋率对蒸养混凝土毛细吸水性的影响  137-139
  6.6 氯盐环境下蒸养混凝土服役寿命预测  139-146
    6.6.1 混凝土氯离子扩散理论模型  140-141
    6.6.2 扩散模型中的参数取值  141-143
    6.6.3 氯离子扩散系数计算方法  143-145
    6.6.4 典型沿海地区环境的蒸养混凝土寿命预测  145-146
  6.7 小结  146-148
第七章 结论与展望  148-152
  7.1 主要结论  148-151
  7.2 研究展望  151-152
参考文献  152-164
致谢  164-165
攻读博士学位期间的主要研究成果  165-166

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中图分类: > 交通运输 > 铁路运输 > 铁路线路工程 > 线路工程材料 > 非金属材料 > 混凝土及混凝土制品
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