基于多相夹杂理论的水泥混凝土热膨胀系数研究

摘要

水泥混凝土作为一种重要的建筑工程结构材料，在建筑、桥梁、水利等方面应用广泛。目前水泥混凝土路面在我国公路建设中应用也很普遍，但是由温度应力引起的水泥混凝土路面开裂问题严重，制约了水泥路面的应用和发展。热膨胀系数是影响温度应力的重要热物性参数之一，对其研究有助于减小水泥混凝土路面板内温度应力、减少水泥混凝土路面板温度裂缝、提高水泥混凝土路面使用寿命。因此探索一种经济适用、准确度高的热膨胀系数预测方法具有重大的理论和实际意义。
　　本文将水泥混凝土视为多相夹杂复合材料，建立细观尺度下水泥混凝土模型，基于细观力学基本理论，推导出水泥混凝土材料宏观上热膨胀系数显示表达式，并且通过试验验证模型及计算结果的准确性，最后在理论模型的基础上探究影响水泥混凝土热膨胀系数的主要因素。本文主要研究内容和成果如下：
　　首先对比分析不同种细观力学模型优缺点和适用性，选择考虑夹杂之间相互作用的广义自洽模型，区别于常见的圆形骨料假设，分别建立椭圆形和长方形骨料形状假设下的水泥混凝土细观力学模型；根据细观力学基本理论，推导出两种骨料形状假设下用混凝土细观组分材料性质表达的宏观有效热膨胀系数显式表达式；为了方便计算，利用MATLAB软件建立水泥混凝土热膨胀系数计算的用户操作界面。
　　其次实验室测定水泥混凝土热膨胀系数。为了从多方面研究理论计算值与试验结果的吻合程度，制作了不同水灰比、不同级配、不同骨料类型的混凝土试件。制定测试水泥混凝土热膨胀系数的试验方案，试验装置是改进的低温三轴试验装置，利用温度传感器和位移传感器自动采集不同温度下水泥混凝土试件高度方向的变形量，将温度数据和线膨胀率线性拟合得到混凝土的热膨胀系数。
　　为了分析骨料形状，通过拍照或者扫描的方式得到试验中所用骨料的平面图像，利用图像分析处理软件，对骨料形状进行分析，得到每种骨料形状数据。确定骨料形状参数、力学参数以及热物性参数的输入，得到不同水泥混凝土热膨胀系数的理论计算值，并将理论计算值与试验值进行对比，验证了在椭圆形和方形两种骨料形状假设模型下，都能较准确的预测水泥混凝土材料的热膨胀系数，相对误差可以控制在15％以内。
　　最后，对影响水泥混凝土材料热膨胀系数的影响因素进行探究。基于理论模型，通过改变理论计算公式参数的输入，分别从夹杂相、基体相和等效夹杂相三个方面，分析不同组分材料性质对热膨胀系数影响。结果表明，水泥混凝土材料热膨胀系数会随着骨料和砂浆热膨胀系数的增加而增加；随着骨料体积分数和弹性模量的增加而减小。最后通过影响因素分析，从材料角度提出减小热膨胀系数的措施。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

1.4研究方案及研究路线

第2章 基于细观力学的水泥混凝土热膨胀系数理论解

2.1细观力学模型

2.2水泥混凝土细观力学模型

2.3复合材料宏观应变与细观组分的关系

2.4热膨胀系数理论解

2.5本章小结

第3章 水泥混凝土细观力学模型验证

3.1骨料形状分析

3.2热膨胀系数试验

3.3不同水灰比下模型验证

3.4不同级配下模型验证

3.5不同骨料类型模型验证

3.6本章小结

第4章 基于理论模型的影响因素分析

4.1夹杂相对热膨胀系数的影响

4.2基体相对热膨胀系数的影响

4.3等效夹杂相对热膨胀系数的影响

4.4减小热膨胀系数的建议

4.5本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢