掺粉煤灰陶粒混凝土断裂力学参数对路面疲劳寿命影响研究

摘要

掺粉煤灰陶粒混凝土是以陶粒取代传统碎石并加入一定比例的粉煤灰按照配合比配制而成的混凝土。因其干表观密度相对较低，所以视其为轻骨料混凝土的一种。本文采用理论分析、试验研究和有限元数值模拟相结合的方法，研究掺粉煤灰陶粒混凝土断裂力学参数及其对路面疲劳寿命的影响。通过以上研究及分析工作，以期进一步明确掺粉煤灰陶粒混凝土的力学性能、断裂力学参数及其作为路面混凝土的疲劳寿命，指导带初始裂缝的掺粉煤灰陶粒混凝土路面板的疲劳寿命预估及陶粒混凝土的实际工程应用。
　　文章提出了掺粉煤灰陶粒混凝土混合料拌和过程中拌和机具的选择、拌和和试件振动成型工序以及最优时间的控制;通过抗压、抗折试验及断裂韧性、断裂能试验研究了掺粉煤灰陶粒混凝土的强度增长规律和不同龄期的断裂力学参数。研究发现，陶粒混凝土作为路面混凝土其相关力学指标均满足规范要求，并且有相当量的富余值，可应用于道路工程。但是其抗折强度不高，极易在早龄期和使用过程中造成损伤，形成缺陷。此外，试验研究发现，随着标准养护条件持续时间的增长，试件最终获得的起裂断裂韧度值、失稳断裂韧度值和断裂能均越大，表明结构抵抗裂纹起裂及发展的能力越强。因此，需要尽可能地使新铺筑的陶粒混凝土路面处于标准养护条件下，保证其温度与湿度的供应，并且尽可能地延长养护的时间。
　　本文通过采用以扩展有限元法为理论构架的ABAQUS6.11版有限元软件，并结合试验所得相关参数对陶粒混凝土单边切口三点弯曲梁进行数值模拟，在此基础上研究分析了带初始裂缝的掺粉煤灰陶粒混凝土路面板在不同养护龄期下的应力强度因子，研究表明应力强度因子随着养护龄期和路面板弹性模量的增长而增大，并且路面板的最终抗裂能力是由其刚度劣化与韧度强化二者的耦合作用所决定的。而后，通过理论分析，将应力强度因子与对应的起裂断裂韧度值相联系，研究带初始裂缝的路面板的疲劳寿命，并对不同养护龄期下带初始裂缝的路面板的疲劳寿命进行预估，以期针对陶粒混凝土路面的病害做早期的、有规划的养护和修复以防止病害的蔓延而影响道路的正常使用或者降低其使用寿命，增加修复难度和费用，为陶粒混凝土路面的设计、养护、修补、换板提供实际理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外轻骨料混凝土研究现状

1．2．1 国外轻骨料混凝土研究现状

1．2．2 国内轻骨料混凝土研究现状

1．3 陶粒混凝土的应用现状和发展前景

1．3．1 页岩陶粒及陶粒制品简介

1．3．2 页岩陶粒生产工艺

1．4 混凝土断裂力学的产生与发展

1．4．1 混凝土线弹性断裂力学

1．4．2 混凝土弹塑性断裂力学

1．5 国内外混凝土断裂模型及试验方法

1．5．1 国内外混凝土断裂模型

1．5．2 国内外混凝土断裂力学参数试验方法

1．6 基于断裂力学的路面板疲劳寿命预估

1．7 本文研究目的意义及内容

1．7．1 研究目的和意义

1．7．2 研究内容

第二章 掺粉煤灰陶粒混凝土配合比设计与试件成型方法

2．1 陶粒混凝土配合比设计

2．1．1 试验用原材料

2．1．2 陶粒混凝土配合比设计

2．2 陶粒混凝土拌和与试件成型方法

2．2．1 陶粒混凝土的拌和

2．2．2 陶粒混凝土试件的振捣与成型方法

第三章 掺粉煤灰陶粒混凝土早期力学性能研究

3．1 基本力学性能试验方法

3．1．1 试件的制备

3．1．2 测试方法及强度计算

3．2 试验结果及分析

3．2．1 试验结果

3．2．2 结果分析

3．3 陶粒混凝土力学性能对比分析

第四章 掺粉煤灰陶粒混凝土断裂力学参数研究分析

4．1 试验准则介绍

4．1．1 断裂韧性试验

4．1．2 断裂能试验

4．2 试验规定

4．2．1 断裂韧性试验规定

4．2．2 断裂能试验规定

4．3 试件制作及试验方法

4．3．1 试件尺寸的规定

4．3．2 试件的制作

4．3．3 试验过程

4．4 断裂参数求解

4．4．1 失稳断裂韧度求解

4．4．2 起裂断裂韧度求解

4．5 断裂能求解

4．6 试验结果及分析

4．6．1 试验结果

4．6．2 结果分析

4．7 本章小结

第五章 带裂纹陶粒混凝土路面板XFEM分析及疲劳寿命预估

5．1 扩展有限元模型适用性验证

5．1．1 模型的建立

5．1．2 模型的裂缝扩展过程

5．1．3 结果对比验证和分析

5．2 带裂纹的陶粒混凝土路面板应力强度因子分析

5．2．1 模型的建立

5．2．2 模型工况

5．2．3 结果对比和分析

5．3 带裂纹的陶粒混凝土路面板疲劳寿命预估及损伤分析

5．3．1 基于断裂力学的疲劳方程的建立

5．3．2 疲劳寿命近似预估和分析

5．3．3 路面板损伤度分析

5．4 本章小结

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果