高性能混凝土性能及抗裂细观机理研究

摘要

混凝土是当前工程建设中使用率最高的建筑材料，而混凝土工程也是发生质量或安全事故率最高的分项工程。工程建设经验表明，混凝土自身性能往往在工程建设中起着决定性作用。混凝土结构作为各类建（构）筑物的主要承载体系，要求混凝土结构在抗温变、防蚀抗裂、耐久性等方面具有所改善，以满足其处于各种恶劣环境中带压工作时的正常使用要求，故各类高性能混凝土的研制开发成为建筑材料领域的热点、难点课题之一。本文结合铁道部科研研究开发科研项目(批准号:2010G007-K)、国家自然科学基金项目(批准号:51308477)及贵州省优秀科技教育人才省长专项基金（黔科教办[2012]43号）“隧道衬砌外加剂高性能混凝土抗渗细观机理研究”课题，依托成绵乐高铁、成渝高铁工程、成灌城际及两河口水电站，以改善混凝土性能的外加剂为研究对象，研制了JX-HPC、JX-GBNHY、JX-CNH、碱骨料反应抑制剂等系列高性能混凝土高效外加剂，并从高性能混凝土微观结构、孔结构、热学性能及体积稳定性等方面对研制产品的效能展开分析，再对试验配制高性能混凝土试样进行超声波与CT试验，将常规试验与特色试验相结合，揭示了所研制高性能混凝土产品的开裂细观机理及损伤演化规律等，实现了对研制产品的全方位多角度检测与论证。最后，以两河口电站混凝土结构拱坝为载体，对抗蚀防裂高性能混凝土坝体结构进行了三维流固耦合有限元分析与实用性验证。主要工作及成果如下:
　　1)分析了高性能混凝土微观结构特征，从高效减水剂及碱骨料反应抑制剂两方面着手，研制了配制高性能混凝土的外加剂;
　　2)通过水泥净浆流动度、砂浆减水率、水泥适应性等系列试验，选用烯丙基聚乙二醇醚与马来酸酐为单体，添加引发剂和具有抑泡功能的烯丙基聚乙二醇(聚合度为25)丙二醇（聚合度为5）单体，在90℃的反应温度条件下，采用一步合成工艺，通过水溶液共聚合成聚羧酸高性能减水剂;同时，在优化材料配比和聚合工艺的基础上，合成了一种性能优异的梳型接枝共聚物超塑化剂，并测试了该共聚物不同掺量对水泥净浆及对砂浆流动性能和流动保持性能的影响，讨论了在高强混凝土的应用性能;
　　3)配制了C40、C50及C60三个等级的高性能混凝土，并给出了含胶凝材料总量、矿物掺合料掺量、砂率、用水量及外加剂用量的混凝土配合比;对试制高性能混凝土热学性能试验分析表明:加入矿物掺合料后，早期水泥水化放热速率降低，且放热速率达到最高速率的时间后移，但单掺矿粉、双掺矿粉及粉煤灰只对降低混凝土早期水化温升有成效，对后期无明显作用;
　　4)基于虚拟仪器的声波探测平台，对同型号不同外加剂与不同型号相同外加剂的高性能混凝土分别开展超声波试验分析，验证了混凝土结构受载变化将经历原始裂隙压密、弹性变形、塑性变形及破坏四个阶段;对比时间-压力曲线，得出羧酸和抗裂材料均可提高C40型和C50型混凝土性能，但对C40型混凝土性能提高效果更佳;
　　5)对高性能混凝土开展了CT试验，分析了CT图像、CT数及CT数方差，揭示了混凝土损伤、损伤率、体应变与CT数变化关系及裂纹扩展规律;利用CT试验结果，构建了混凝土内部裂纹扩展CT破裂模型;提出了混凝土在受压时最大设计值为体应变为零时的应力值，如果混凝土受到的应力值大于该值，则就有可能就会破坏开裂。
　　6)对抗蚀防裂高性能混凝土进行了试验研究，分析了掺合料TK-GFZ2对大体积高性能混凝土早期强度、体积稳定性的影响，并将其应用与具体工程实例中，并对该工程实例进行了三维流固耦合分析，检验了试验配制的抗蚀防裂高性能混凝土结构的抗蚀防裂性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义及国内外现状分析

1．1．1 研究意义

1．1．2 国内外研究现状

1．2 主要研究目标及内容

1．2．1 研究目标

1．2．2 研究内容

1．3 研究方法与技术路线

1．3．1 研究方法

1．3．2 技术线路

第2章 高性能混凝土微观结构及其外加剂研制

2．1 高性能混凝土微观结构

2．2．1 胶凝材料基体的微观结构

2．2．2 水泥浆与骨料间过渡层的微观结构

2．2 JX-HPC外加剂研制与分析

2．2．1 减水剂的制备

2．2．2 高效减水剂研制方案

2．2．3 JX-HPC型高性能特种外加剂分析

2．2．4 研制的JX-GBNHY型外加剂性能分析

2．2．5 结果与分析

2．3 碱骨料反应抑制剂试验成果与效果分析

2．3．1 评定碱活性抑制效果的经验与本次研究思路

2．3．2 原材料检测结果

2．3．3 碱活性抑制试验成果与初步评定

2．3．4 下一步建议

2．4 本章小结

第3章 高性能混凝土热学性能与孔结构特性试验分析

3．1 试验主要原材料

3．1．1 水泥

3．1．2 粉煤灰

3．1．3 外加剂

3．1．4 粗集料

3．1．5 细集料

3．1．6 水

3．1．7 混凝土的拌合物性能

3．2 试验混凝土配制原则及配合比

3．2．1 主要配制原则

3．2．2 混凝土配合比

3．3 试验方法

3．3．1 混凝土原材料试验方法

3．3．2 混凝土拌合物性能试验方法

3．3．3 混凝土的力学性能试验方法

3．3．4 混凝土长期及耐久性试验方法

3．4 高性能混凝土热学性能试验结果及分析

3．4．1 原材料试验结果评价

3．4．2 热学性能试验分析

3．4．3 混凝土的孔结构特性试验分析

3．5 本章小结

第4章 高性能混凝土体积稳定性能分析

4．1 超声波及超声探测原理

4．1．1 超声波的形成

4．1．2 超声波类型和传播速度

4．1．3 超声波换能器的声场

4．1．4 超声波的吸收和衰减

4．1．5 超声波检测混凝土试样的原理

4．2 基于虚拟仪器的声波探测平台

4．2．1 虚拟仪器的构成

4．2．2 虚拟仪器的功能

4．2．3 虚拟仪器与传统仪器的比较

4．3 试验介绍

4．3．1 试验仪器及设备

4．3．2 试验内容

4．4 高性能混凝土超声波试验结果分析

4．4．1 传播速率-压力图特征及分析

4．4．2 同型号混凝土不同外加剂的声波特性分析

4．4．3 不同型号混凝土相同外加剂的声波特性分析

4．5 本章小结

第5章 高性能混凝土开裂性能CT实时观测与分析

5．1 实验原材料及配合强度

5．1．1 试验方法及原材料

5．1．2 配合比

5．1．3 外加剂对混凝土的作用机理分析

5．2 高性能混凝土CT试验

5．2．1 CT技术简介

5．2．2 CT检测基本原理

5．2．3 单轴压缩混凝土CT试验

5．3 高性能混凝土CT试验结果分析

5．3．1 CT图像分析

5．3．2 CT数分析

5．3．3 感兴趣区域CT数分析

5．3．4 不同强度混凝土CT数分析

5．4 本章小结

第6章 高性能混凝土开裂细观机理分析

6．1 高性能混凝土CT试验过程损伤演化规律

6．1．1 CT数与损伤变量、损伤演化率的关系

6．1．2 CT数与体应变关系

6．2 高性能混凝土裂纹扩展分析

6．2．1 裂纹尖端应力场分布

6．2．2 裂纹尖端微裂区扩展模型

6．2．3 基于CT技术的破裂模型

6．2．4 CT模型计算

6．3 本章小结

第7章 抗蚀防裂高性能混凝土试验及其应用

7．1 抗蚀防裂增塑剂(TK-GFZ2)试验成果与效果

7．1．1 研究思路

7．1．2 原材料检测

7．1．3 大体积混凝土性能试验结果

7．1．4 初步结论

7．1．5 下一步建议

7．2 高性能混凝土结构三维坝库流固耦合动力分析

7．2．1 流体运动基本方程

7．2．2 流固耦合边界条件

7．2．3 三维流固动力耦合体系有限元方程

7．2．4 流固耦合方程的求解

7．3 工程算例

7．3．1 工程概况

7．3．2 模型建立及网格划分

7．3．3 计算分析参数的确定

7．3．4 计算结果分析

7．3．5 有限元法静力计算分析

7．3．6 拱坝基础处理设计

7．4 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 创新点

8．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果