变负温条件下混凝土内部应力发展规律研究

摘要

寒冷地区建筑工程中，混凝土在变负温条件下的内部应力变化是影响其工程质量及结构寿命的重要因素，尽管国内外关于混凝土抗冻性方面的理论与实验研究已经很成熟，但是关于变负温条件下混凝土内部应力变化对混凝土性能影响的系统研究目前并不多见。本研究将针对目前寒冷地区混凝土研究现状，利用传统试验、自制测试系统、显微分析及数学模拟等方法，从负温混凝土水化、早期受冻到成熟混凝土在温变条件下的冻胀应力及温度应力进行系统研究，为解决全面评定混凝土寿命问题提供补充。
　　本研究主要工作如下：(1)不同变负温条件下，混凝土的水化程度、水化产物及其显微结构与混凝土主要力学性能的关系。(2)混凝土冻胀应力测试装置的研制。(3)不同预养条件下，不同水胶比、外加剂及掺合料混凝土早期受冻,其内部冻胀应力变化规律及其与混凝土主要力学性能的关系。(4)受冻条件下，不同水胶比、掺合料的成熟混凝土内部冻胀应力变化规律及其与混凝土主要力学性能的关系。(5)温变条件下，有限元模拟分析不同水灰比、含气量的成熟混凝土内部温度应力变化规律及其与混凝土主要力学性能的关系。
　　研究结果表明：(1)与负温普通混凝土相比，负温增钙粉煤灰混凝土-7d时抗压强度和动弹性模量都很低，但转入正温后均迅速增长。其-7d+28d时抗压强度均可达到甚至超过同配比标准养护28d时抗压强度。其-7d+7d可达标准养护28d混凝土动弹性模量的80％以上，后期稳步增长，-7d+28d已完成标准养护28d混凝土动弹性模量的90%～94%。与恒负温养护相比，自然变负温养护混凝土的强度和动弹性模量都有更大幅度的增加，这种现象尤其体现于早期处于自然变负温的条件下，其中动弹性模量的增长规律更加稳定。(2)XRD及SEM分析可知：负温增钙粉煤灰混凝土-7d为水化初期，以水泥矿物为主，粉煤灰颗粒为孤立状态；-7d+28d为过渡时期，出现多种水化产物，粉煤灰颗粒被C-S-H凝胶所包裹；-7d+56d为强度继续增长时期，水化产物以C-S-H凝胶为主，粉煤灰颗粒均以镶嵌式出现在水泥石结构中。(3)利用自制混凝土冻胀应力装置，可以明显测得：早期受冻混凝土内部的冻胀应力随水胶比的增加而增大；但掺防冻剂、引气剂的混凝土早期受冻后均未表现出冻胀，其中掺引气剂混凝土体积相对稳定，而掺防冻剂混凝土相反有收缩的现象产生；掺粉煤灰的混凝土早期冻胀应力比普通混凝土的冻胀应力大。(4)早期受冻混凝土-7d+28d的各项力学性能损失率随水胶比的增大而增大。掺引气剂和防冻剂的混凝土-7d+28d的各项力学性能损失率普遍低于基准混凝土的，掺粉煤灰的混凝土的各项力学性能弱于基准混凝土的各项力学性能。但2d-7d+28d的各混凝土的力学性能与标准养护28d混凝土的力学性能相近。(5)利用自制混凝土冻胀应力装置，可以明显测得：受冻条件下，成熟混凝土内部的冻胀应力随水胶比的增加而增大。本研究范围内的矿物掺合料能使混凝土的冻胀应力减小，其中高水胶比混凝土减小幅度较大。相对于基准混凝土，本研究范围内的矿物掺合料能降低受冻成熟混凝土的力学性能损失。(6)有限元模拟分析结果显示：随着含气量的增加，混凝土内外最大温差和最大温度应力逐渐增大。本研究条件下，低水灰比混凝土最大温差为10.5℃，最大温度应力为2.76MPa；高水灰比混凝土最大温差为15℃，最大温度应力为3.83MPa。不掺引气剂时，水灰比越低，混凝土传热时间越短，最大温度应力越小。(7)混凝土抗压强度等力学性能均随着含气量的增加而下降，抗冻性能均随着含气量的增加而提高。本研究条件下，含气量2%的混凝土，温变循环50次后的强度指标损失率均在15%～35%之间；温变循环100次后均高于40%，而动弹性模量损失率高于25%。含气量4%以上的混凝土，温变循环100次时的强度指标损失率在5%～10%之间；循环200次后可达20%～30%，动弹性模量损失率在10%左右。含气量相同时，低水灰比混凝土的受冻损伤程度比高水灰比混凝土的受冻损伤程度小。(8)含气量分别为2%、4%、6%的低水灰比混凝土在温变疲劳作用下模拟的最大温度应力均低于各自相应的劈裂抗拉强度；高水灰比混凝土在温变疲劳作用下模拟的最大温度应力均高于各自相应的劈裂抗拉强度。

目录

变负温条件下混凝土内部应力发展规律研究

STUDY ON DEVELOPMENT OF INTERNAL STRESS OF CONCRETE AT CHANGED NEGATIVE TEMPERATURE CONDITIONS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外在该方向的研究现状

1.3 本课题研究的目的和意义

1.4 本课题主要研究内容

第2章 试验材料、试验方案及试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验方案

2.3 试验方法

第3章 负温混凝土基本力学性能与显微结构分析

3.1 混凝土养护制度及混凝土配合比的确定

3.2 负温混凝土的强度发展

3.3 负温混凝土的动弹性模量

3.4 负温增钙粉煤灰混凝土的水化过程

3.5 负温增钙粉煤灰混凝土的显微结构

3.6 本章小结

第4章 混凝土早期冻胀应力与其基本力学性能关系

4.1 混凝土冻胀应力测试方法研究

4.2 混凝土冻结模式及配合比的确定

4.3 混凝土早期的冻胀应力

4.4 早期受冻混凝土的力学性能

4.5 混凝土冻胀应力与其力学性能的关系

4.6 本章小结

第5章 成熟混凝土冻胀应力与其基本力学性能关系

5.1 成熟混凝土冻胀应力的测试方法

5.2 混凝土温变条件及配合比的确定

5.3 受冻成熟混凝土的冻胀应力

5.4 受冻成熟混凝土的显微结构

5.5 受冻成熟混凝土的力学性能

5.6 本章小结

第6章 成熟混凝土温度应力与其基本力学性能关系

6.1 温度应力测试方法

6.2 温度应力模拟的理论基础

6.3 混凝土配合比及热力学参数的确定

6.4 温变条件下混凝土温度应力模拟分析

6.5 温变条件下混凝土的力学性能

6.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历