基于多基预应力复合管的混凝土试验研究与开裂模拟

摘要

该项目来源于多基结构材料复合技术及在高压管制造中的应用(国家高技术研究发展计划863项目(2013AA031306))。多基复合管是在PCCP管的基础上改良而成的新型材料管道。该管道由玻璃钢内衬层、玻璃钢结构层、混凝土结构层等组成，其中混凝土在多基复合管材料中占据着重要的地位，因此，对混凝土的生产制备及性能研究显得至关重要。由于生产多基复合管所用模具价格较贵，为加快模具周转速度，提高生产效率，节约生产成本，就要求在尽可能短的时间内脱模。另外，为满足后续施工的需要，还要求混凝土脱模强度不低于20MPa，同时，也不能明显削弱后期强度。
　　 基于此，本文针对混凝土各组分的配合比、蒸养制度等对其强度的影响进行了试验研究，并对开裂问题进行了数值模拟。具体研究内容及结论如下:
　　 1.在常温条件下生产制备混凝土。通过试验调整混凝土各组分的用量，制备试样，分别测试各组试样的脱模强度，得到满足脱模强度的最佳配合比;按满足脱模强度的最佳配合比制备试样，试验并分析蒸养参数对脱模强度的影响，在尽量缩短蒸养时间的情况下，得到脱模强度不小于20MPa的最佳蒸养制度;综合考虑配合比及蒸养参数对混凝土3d、7d、28d及90d强度的影响，找到满足混凝土在常温条件下生产时的最佳配比和蒸养制度:
　　 (1)小规模生产时，混凝土最佳配比为:水胶比为0.34，砂率为0.42，减水剂掺量为1.1％，速凝剂掺量为1.75％，膨胀剂掺量为10％。蒸养制度为:静养0.5h，升温速度20℃/h，恒温温度为65℃，恒温时间为2.5h，降温时间0.5～1h，蒸养的总时间不超过6h;
　　 (2)大规模生产时，混凝土最佳配比为:水胶比0.34，砂率0.37，不掺加速凝剂，减水剂掺量为0.5％，膨胀剂掺量为10％。蒸养制度为:静养1h，升温速度20℃/h，恒温温度为65℃，恒温时间为3.5h，自然降温(时间大概为1～1.5h)，蒸养总时间约为7.5h～8h。
　　 2.在负温条件下生产制备混凝土。负温情况下，在混凝土中添加不同类型、不同掺量的防冻剂(主要采用NaNO2、K2CO3)，静养期分别置于-1℃、-2℃、-3℃环境下，研究混凝土脱模强度、3d、7d、28d及90d强度随防冻剂掺量变化而变化的规律，得到防冻剂的最佳掺量、掺量系数及混凝土的最佳蒸养制度。综合考虑得出:防冻剂选K2CO3较为合适，其掺量系数为0.735，在-1℃、-2℃、-3℃温度条件下，其最佳掺量分别为0.25％、0.5％、0.75％。
　　 3.混凝土的开裂问题:采用有限元软件ANSYS分别模拟多基复合管用混凝土在吊装及后期使用中开裂问题。模拟结果表明:管道在吊装过程中混凝土不会出现开裂，在后期使用中，管内极限水压力为1.3MPa。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 多基复合管的研究现状

1．2．2 管道数值模拟的研究现状

1．3 研究内容

1．3．1 常温生产条件下的研究内容

1．3．2 负温生产条件下的研究内容

1．3．3 混凝土开裂问题

1．4 采用的研究方法

1．4．1 常温生产条件下的研究方法

1．4．2 负温生产条件下的研究方法

1．4．3 混凝土开裂模拟

1．5 预期研究成果和创新点

第二章 原材料、试样制备与试验方法

2．1 原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 粗细集料

2．1．3 外加剂

2．1．4 拌合水

2．2 试验方法

2．2．1 混凝土拌和物工作性能的试验方法

2．2．2 混凝土抗压强度试验方法

2．2．3 混凝土蒸汽养护的试验方法

2．3 试样制备

2．4 试验仪器

第三章 常温下混凝土制备工艺对抗压强度的影响

3．1 试验原材料及试验养护方法的选择

3．1．1 试验原材料

3．1．2 试验养护方法的选择

3．1．3 蒸汽养护的简介

3．2 混凝土脱模强度的试验研究

3．2．1 配合比对脱模强度的影响

3．2．2 蒸养参数对脱模强度的影响

3．3 混凝土早期及后期强度的试验研究

3．3．1 试验方案的选择

3．3．2 试验结果分析与讨论

3．4 混凝土生产制度的最终确定

3．4．1 砂率的调整

3．4．2 蒸养制度的调整

3．4．3 外加剂的调整

3．5 本章小结

第四章 负温下混凝土制备工艺对抗压强度的影响

4．1 混凝土受冻破坏模式

4．2 混凝土受冻破坏机理

4．2．1 水与冰的相变

4．2．2 混凝土中水的存在形式

4．2．3 静水压和渗透压假说

4．2．4 冻融临界饱水值

4．2．5 水分迁移及干燥

4．3 冬季施工的措施

4．4 防冻剂各组分的作用机理

4．5 配合比中加入抗冻剂亚硝酸钠

4．5．1 试验依据

4．5．2 试验方案

4．5．3 试验结果及讨论

4．6 配合比中加入抗冻剂碳酸钾

4．6．1 试验方案

4．6．2 试验结果及讨论

4．7 本章小结

第五章 混凝土开裂性能数值分析

5．1 混凝土的破坏准则

5．2 数值模拟中用到的单元类型

5．3 材料参数

5．4 管道吊装过程中混凝土开裂性能数值模拟

5．4．1 计算模型

5．4．2 有限元分析

5．5 混凝土后期开裂性能数值模拟

5．5．1 预应力层的模拟

5．5．2 计算模型

5．5．3 内水压试验有限元分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文及参加的项目