大跨径超缓凝自应力钢管混凝土研制及其仿真分析

摘要

钢管混凝土是将混凝土灌入钢管内而形成的一种组合结构。它具有优良的性能，现已成为大跨度桥梁中有竞争力的桥型。本课题以正在建设中的国家重点工程沪蓉西高速公路支井河特大钢管混凝土拱桥为背景。该桥梁全长543．37米，主桥为上承式430m钢管混凝土拱桥，大桥主拱圈计算跨径430m，为目前世界上同类型桥跨度第一、施工难度第一的特大钢管混凝土拱桥。结合当前在钢管混凝土材料设计和施工方面存在的问题，开展了大跨径超缓凝自应力高强钢管混凝土的研制及灌注仿真研究，为钢管混凝土的材料设计与施工提供了重要依据和理论指导。 本文进行的主要工作和取得的重要成果有： 针对当前钢管混凝土中所用减水剂在引气量、减水率、保坍性不能满足工程要求等问题，以及支井河特大桥钢管混凝土对混凝土凝结时间超长的要求，采用改性剂A和改性剂B对现有LK聚羧酸减水剂进行改性，研制出了引气量小、减水率高、保坍性好、缓凝时间超过20h的聚羧酸超缓凝高性能减水剂LKS。LKS的适宜配比为LK：A：B-88：6：6，可以根据工程的需求通过调节LKS掺量来满足不同缓凝时间的要求。系统研究了LKS对水泥的凝结时间、水化热、流变性能、ζ-电位、强度以及钢筋锈蚀的影响。结果表明，LKS能有效调控水泥的水化过程，与水泥的适应性良好，不会对水泥性能产生负面影响；通过XRD、SEM等微观研究方法，阐明了LKS的缓凝作用机理。 依据钢管混凝土对膨胀性能要求，提出了利用MgO的延迟膨胀性能来作为钢管混凝土的膨胀源。系统研究了适用于钢管混凝土的MgO膨胀剂的制备技术，探讨了煅烧制度和细度控制对MgO膨胀剂的水化及膨胀性能的影响，确定了MgO膨胀剂的制备技术参数：煅烧温度1000℃，保温时间1h，细度控制在45μm

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景与意义

1.2钢管混凝土发展概况

1.3钢管混凝土国内外研究现状

1.4存在问题和研究方向

1.4.1研制适于大跨径钢管混凝土的超缓凝高效减水剂

1.4.2研制适用于钢管混凝土的新型膨胀剂

1.4.3钢管混凝土的自应力分析与设计理论

1.4.4钢管混凝土的脱空分析与解决方法

1.4.5钢管混凝土的灌注及施工质量控制方法

1.5本文的主要研究内容

第2章超缓凝聚羧酸减水剂的配制及性能研究

2.1 LK聚羧酸减水剂的改性研究

2.1.1试验原材料及方法

2.1.2改性剂A对LK聚羧酸减水剂的改性研究

2.1.3改性剂B对LK聚羧酸减水剂的改性研究

2.1.4复合改性剂对LK聚羧酸减水剂的改性研究

2.2超缓凝聚羧酸减水剂LKS性能研究

2.2.1 LKS对水泥的凝结时间的影响

2.2.2超缓凝聚羧酸减水剂LKS对水泥水化历程的影响

2.2.3超缓凝聚羧酸减水剂LKS对新拌水泥浆流变性能的影响

2.2.4 LKS对水泥颗粒表面电位的影响

2.2.5 LKS对普通硅酸盐水泥胶砂性能的影响

2.2.6缓凝机理探讨

2.3超缓凝聚羧酸减水剂LKS在高性能混凝土的应用

2.3.1 C50高性能混凝土的设计

2.3.2多元复掺对混凝土的工作性能影响

2.3.3多元复掺对混凝土的力学性能影响

2.4本章小结

第3章MgO膨胀剂的制备技术及性能研究

3.1原材料分析及工艺

3.2MgO的活性指标测定

3.3氧化镁煅烧制度的研究

3.3.1试验方法

3.3.2煅烧温度对MgO的影响

3.3.3煅烧制度对MgO水泥净浆膨胀的影响

3.4氧化镁膨胀剂膨胀性能研究

3.5MgO膨胀剂对水泥的性能影响研究

3.5.1 MgO膨胀剂对水泥的水化热的影响

3.5.2 MgO膨胀剂对水泥强度的影响

3.5.3 MgO膨胀剂对水泥水化的孔隙率及孔径分布的影响

3.5.4 MgO膨胀剂对水泥耐蚀性能的影响

3.6 MgO膨胀剂对混凝土性能影响研究

3.6.1实验原材料与方法

3.6.2 MgO膨胀剂对混凝土强度影响

3.6.3 MgO膨胀剂对混凝土绝热温升性质的影响

3.6.4掺MgO膨胀剂混凝土的安定性研究

3.6.5 MgO膨胀剂对混凝土耐久性能影响

3.6.6 MgO膨胀剂对混凝土自生体积变形的影响

3.6.7 MgO膨胀剂对混凝土徐变性能的影响

3.7MgO膨胀剂的作用机理

3.7.1MgO在不同养护温度和龄期下的水化微观分析

3.7.2MgO-cement-H2O体系水化分析

3.8氧化镁膨胀剂膨胀性能的分析

3.9本章小结

第4章超缓凝自应力钢管混凝土的配制及性能研究

4.1大跨径钢管混凝土性能要求及原材料

4.1.1大跨径钢管混凝土性能要求

4.1.2大跨径自应力C50钢管混凝土原材料

4.2 C50钢管混凝土的配制

4.2.1配合比设计

4.2.2 C50混凝土的试配

4.2.3粉煤灰掺量的确定

4.2.4掺加膨胀剂对混凝土性能的影响

4.2.5超缓凝聚羧酸减水剂LKS对钢管混凝土工作性能影响

4.3钢管氧化镁混凝土体积稳定性的研究

4.3.1钢管氧化镁混凝土的自由膨胀性能

4.3.2钢管氧化镁混凝土的限制膨胀性能

4.3.3钢管氧化镁混凝土的徐变性能

4.4超缓凝自应力钢管混凝土力学性能研究

4.4.1 MgO自应力混凝土在钢管约束下的性能

4.4.2 MgO自应力钢管混凝土短柱轴压试验研究

4.5氧化镁自应力钢管混凝土微观特征

4.5.1显微硬度分析

4.5.2孔结构分析

4.5.3钢管限制对水泥石微观形貌影响

4.6本章小结

第5章自应力钢管混凝土自应力计算与脱空分析

5.1自应力钢管混凝土自应力理论计算

5.1.1应力分析

5.1.2自应力混凝土膨胀的理论分析

5.1.3钢管自应力混凝土自应力值计算公式推导

5.1.4核心混凝土径向有效膨胀率计算

5.1.5实验分析与讨论

5.2钢管混凝土因热膨胀而脱空理论分析与计算

5.2.1钢管混凝土因热膨胀而脱空理论分析

5.2.2钢管混凝土因热膨胀而脱空计算

5.3本章小结

第6章钢管混凝土灌注仿真分析

6.1钢管混凝土自密实性仿真分析

6.1.1国内外自密实性检测方法

6.1.2基于BP神经网络的钢管混凝土的自密实预测模型

6.1.3预测结果分析

6.2钢管中混凝土运动状态的仿真分析

6.2.1泵送混凝土在输送管道内的受力分析

6.2.2流体计算软件FLUENT及其应用

6.2.3基于FLUENT的钢管中混凝土运动流场的模型建立

6.2.4基于FLUENT的钢管中混凝土运动流场的计算结果与分析

6.3本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

博士期间发表文章、专利申请及参加科研情况

致谢