低水泥用量超高性能混凝土性能和可持续结构设计研究

摘要

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete，简称UHPC)作为一种新型结构材料，以超高强度(抗压强度大于120MPa)、极低的孔隙率和优异的耐久性能而闻名，具有极其广阔的应用前景。超高性能混凝土在配合比设计中剔除了粗骨料，因此每生产1立方米超高性能混凝土需要800～1100kg水泥，是普通混凝土水泥用量的3～4倍。如此巨大的水泥使用量不仅在生产和应用环节释放了大量二氧化碳，而且消耗了极大的资源和能源，在某种程度上背离了中国节能减排和低碳可持续发展的基本原则。如何在大幅度减少水泥用量的前提下，能够生产出具备相同质量的超高性能混凝土，从而保障中国城市化建设工程对混凝土巨大用量的需求，是摆在中国科研工作者面前的一个重要课题。由于超高性能混凝土通常采用蒸汽和蒸压养护，在原材料中采用石英砂和石英粉，导致生产成本较高，降低超高性能混凝土的制备成本成为近年来研究另一热点。另一方面，目前导致超高性能混凝土没能广泛应用的原因之一，是缺乏结构尺度的设计方案比较和可持续的结构设计方法，与普通混凝土在结构尺度的设计比较，才能使超高性能混凝土在成本和碳排放方面的优势充分体现。
　　因此，本文以优化配合比和颗粒级配为基础制备低水泥用量超高性能混凝土为第一目标，以低水泥用量超高性能混凝土性能研究和预测为第二目标，以普通混凝土、高强混凝土、超高性能混凝土（包含和未包含水泥替代材料）的设计方案比较和可持续的结构设计方法研究为第三目标，开展了如下研究工作:
　　1、基于粒径分布、比表面积、颗粒形状等物理指标和氧化物构成、相构成和无定形含量等化学指标的分析，提出了一种替代水泥材料选择的基本方法，并且基于该方法对本文的低水泥用量超高性能混凝土进行水泥替代材料选择。同时从紧密堆积理论计算粒径分布入手，基于最紧密堆积Funk和Dinger方程对采用粉煤灰、石灰和稻壳灰替代水泥后的超高性能混凝土进行配合比设计，运用Excel Solver Tool进行编程，通过建立目标值，调整变量、设定约束和求解等手段，通过变换分布模量后进行验证，提出了Funk和Dinger方程中适合低水泥用量的超高性能混凝土配合比设计的分布模量，经试验验证该方法和易性和力学性能最优。
　　2、采用常温养护方式和普通标准砂作为骨料，将粉煤灰、石灰、稻壳灰和硅灰按不同比例替代水泥（最比例高达50％）制备低水泥用量超高性能混凝土。采用控制扩展度反算减水剂需求量的方法研究了和易性;通过测量热释放速率、释放总热量和Ca(OH)2含量的方法研究了水化程度;利用氮气吸附法研究了低水泥用量超高性能混凝土的孔结构特征;采用SEM电镜扫描的方式分析了试件的微观结构形态;通过测定各组试件在7天、28天、90天和365天后的抗折和抗压强度，提出了力学性能最优的配合比例和两种替代材料混合后的水泥替代系数。基于试验结果，对粉煤灰、石灰和稻壳灰替代水泥的制备低水泥用量超高性能混凝土的各方面性能（和易性、力学性能、水化和孔结构）进行充分比较，给出设计建议。
　　3、基于试验结果，采用神经网络的方法，以Matlab作为平台，建立了反向传播的低水泥用量超高性能混凝土力学性能预测模型。模型采用11个输入变量，除了包含基本的水泥、水、砂、粗细骨料、水泥替代材料，减水剂，水灰比以外，创新性地采用当量水泥比例、细骨料比例和材料的最大粒径差（Dmax-Dmin）作为输入变量来提高预测的精度。通过将预测值与试验值的充分比较，预测结果采用均方误差(RMSE)、平均绝对百分比误差(MAPE)和绝对的方差分数(R2)来评价模型的精确度。
　　4、基于Ontology和OWL语言编写程序的方法，以Protégé为平台，Ontology Development101规则开发了一种的可持续低水泥用量超高性能混凝土结构设计方法。将本文研制的三种低水泥用量超高性能混凝土，联合普通混凝土(NSC)和高强混凝土(HPC)作为结构设计备选材料，采用CommonKAD方法建立知识库，利用SWRL语义规则模拟结构规范公式，通过建立等级(Classes)、定义关系(Relationship)和属性(Properties)，将结构设计，可持续评价和成本三方面的知识一体化。最后通过结构设计实例验证方法的有效性，在结构设计的同时产生框架结构的碳排放和成本等相关数据，为结构工程师多目标设计和决策提供了一种新思路和新方法。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1超高性能混凝土

1．2．2含有水泥替代材料的超高性能混凝土

1．2．3可持续结构设计

1．3本文主要内容

第2章材料特性和试验方法

2．1水泥替代材料选择的方法

2．1．1水泥替代材料简介

2．1．2水泥替代材料选择方法

2．2原材料

2．3试验方法

2．3．1和易性

2．3．2力学性能

2．3．3水化

2．3．4微观结构与孔结构

2．4本章小结

第3章低水泥用量超高性能混凝土配合比设计方法

3．1颗粒尺寸分布与堆积理论

3．1．1颗粒堆积模型

3．1．2优化曲线

3．1．3离散单元模型

3．2低水泥用量超高性能混凝土配合比设计

3．2．1建立目标值

3．2．2设定变量

3．2．3设定约束

3．2．4优化的解和本试验配合比

3．3本章小结

第4章低水泥用量超高性能混凝土性能研究

4．1和易性研究

4．1．1粉煤灰和硅灰对和易性的影响

4．1．2石灰和硅灰对和易性的影响

4．1．3稻壳灰和硅灰对和易性的影响

4．1．4粉煤灰、石灰和稻壳灰对和易性的影响比较

4．2抗折性能研究

4．2．1粉煤灰和硅灰对抗折性能的影响

4．2．2石灰和硅灰对抗折性能的影响

4．2．3稻壳灰和硅灰对抗折性能的影响

4．2．4粉煤灰、石灰和稻壳灰对抗折性能影响的比较

4．3抗压性能研究

4．3．1粉煤灰和硅灰对抗压性能的影响

4．3．2石灰和硅灰对抗压性能的影响

4．3．3稻壳灰和硅灰对抗压性能的影响

4．3．4粉煤灰、石灰和稻壳灰对抗压性能影响的比较

4．4水化研究

4．4．1粉煤灰和硅灰对水化的影响

4．4．2石灰和硅灰对水化的影响

4．4．3稻壳灰和硅灰对水化的影响

4．4．4粉煤灰、石灰和稻壳灰对水化影响的比较

4．5微观结构研究

4．5．1粉煤灰和硅灰对微观结构影响

4．5．2石灰和硅灰对微观结构影响

4．5．3稻壳灰和硅灰对微观结构影响

4．5．4粉煤灰、石灰和稻壳灰对孔结构影响的比较

4．6本章小结

第5章低水泥用量超高性能混凝土性能预测

5．1方法与原理

5．2输入和输出变量

5．3模型的建立

5．4预测结果评价与讨论

5．5本章小结

第6章基于Ontology可持续UHPC结构设计方法

6．1建设行业信息化一体化

6．1．1信息互用性和标准化

6．1．2语义网技术和Ontology

6．2研究方法

6．2．1知识工程

6．2．2 Ontology开发方法

6．3 Ontology开发步骤

6．3．1 Ontology结构

6．3．2 Ontology开发步骤

6．3．3 SWRL语言编写

6．4 Ontology方法验证和设计实例

6．5本章小结

第7章结论与展望

7．1本文结论

7．2建议与展望

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介