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《太原理工大学》 2009年
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玻化微珠保温混凝土及其结构的基本性能试验与理论分析研究

张泽平  
【摘要】: 随着全球能源危机的日益加剧和我国节能减排等相关政策的大力推行,开发研制抗震、经济并节能省地型的新的建筑结构体系成为土木工程领域的重要课题。在此背景下,对玻化微珠保温混凝土这一新型建筑保温节能材料及其结构进行试验与理论分析研究具有重要意义。 目前工程建设市场上所用的建筑保温材料主要以EPS板、XPS板、胶粉EPS颗粒、硬泡聚氨酯等有机材料为主;而且保温工程作法主要是建筑物主体结构形成后,再进行保温材料的粘贴或涂抹施工。这些保温系统的作法,增加了建筑施工过程,加大了建造成本,且不利于建筑物结构受力和安全;有些建筑物由于选用的保温材料是有机材料,不仅容易老化,影响寿命,而且还会造成不同程度的室内外环境污染,甚至加重建筑物火灾隐患。基于上述原因,本文从玻化微珠保温混凝土原材料、配合比、及其基本力学、保温性能开展了试验研究工作,结合具体工程项目对玻化微珠保温混凝土结构的抗震与热工性能进行了理论模拟分析。本文研究的具体工作如下: (1)对玻化微珠材料从其生产研制、改性方面进行了理论分析与试验,为玻化微珠保温混凝土的试验研究奠定了基础。 (2)基于正交设计理论,试验测定了18组不同配合比的玻化微珠保温混凝土试件抗压强度和导热系数,并对试验数据进行了分析。得出了影响玻化微珠保温混凝土抗压强度和导热系数的主次因素及排序结果;经回归分析,建立了玻化微珠在混凝土中掺量与导热系数的关系方程。 (3)在正交试验的基础上,选定配合比最优组合的方案做进一步试验,试验测定了采用不同玻化微珠掺量时,强度等级为32.5硅酸盐水泥、强度等级为52.5铝酸盐水泥、掺加粗细铁矿砂、掺加粗细松脂岩尾砂、掺加Ⅰ型外加剂等配制的玻化微珠保温混凝土的导热系数、抗压强度等性能指标,成功研制出C10~C35强度等级、导热系数0.206~0.850W/(m·K)的玻化微珠保温混凝土;并针对试件破坏特征进行了分析,得出玻化微珠作为保温混凝土材料是可行的,能与混凝土的其他组成材料结合良好,具有施工可操作性。 (4)选定导热系数、抗压强度满足保温节能工程要求的三种配合比方案,对其棱柱体试件进行了单轴受压状态下的强度和变形试验研究;系统地分析了玻化微珠保温混凝土强度与变形的关系,得出了C25、C30、C35三种不同强度等级玻化微珠保温混凝土的单轴受压应力-应变本构关系,以及棱柱体抗压强度、应变、初始弹性模量、残余强度、延性等数值,为工程项目结构设计采用玻化微珠保温混凝土提供了理论依据。 (5)应用ANSYS大型分析软件,以太原市某21层剪力墙结构住宅为例,采用谱分析方法,对比了玻化微珠保温混凝土和普通混凝土剪力墙结构的抗震动力性能;为保证分析结果的可靠性,采用三条地震波数据对玻化微珠保温混凝土剪力墙结构进行了抗震时程分析。通过计算得到玻化微珠保温混凝土剪力墙结构的自振周期与对应的同阶普通混凝土剪力墙结构自振周期的关系;在反应谱和地震波作用下,玻化微珠保温混凝土剪力墙结构最大弹性层间位移角与规范规定的位移角限值的关系,底部最大剪力与对应的普通混凝土剪力墙结构底部最大剪力的关系。计算结果表明,玻化微珠保温混凝土剪力墙结构不仅能够满足抗震设计规范要求,而且有比普通混凝土剪力墙结构更好的抗震性能。 (6)应用DeST-h软件,针对寒冷地区与严寒地区的典型建筑物为研究对象,建立热工分析理论模型。模拟和对比了围护结构分别采用玻化微珠保温混凝土和普通混凝土结构时,空调季、采暖季及全年的单个房间、单个系统和整栋建筑的能耗情况。得出围护结构为玻化微珠保温混凝土建筑与对应的普通混凝土建筑在整个采暖季、整个空调季和全年热能消耗的关系,表明与课题所研制的玻化微珠保温混凝土建筑目前能够满足我国寒冷地区建筑节能65%、严寒地区建筑节能50%目标的要求。 (7)对玻化微珠保温混凝土结构的建筑物进行了技术经济分析计算。应用年成本法,对比分析了玻化微珠保温混凝土自保温系统与常用EPS板、XPS板、玻化微珠保温砂浆等保温系统的经济性;得出玻化微珠保温混凝土自保温系统比目前常用的其他保温节能系统技术先进、年成本大幅度降低的结论,从而证明玻化微珠保温混凝土具有很高的经济价值与推广应用价值。 通过理论分析和试验证明,玻化微珠保温混凝土是一种既具有一般混凝土的物理力学性能,同时又具有保温性能、绿色、环保的高效益生态建筑材料。建立在工程结构及热工性能设计基本理论和方法基础上,玻化微珠保温混凝土是一种同时满足工程结构受力以及保温节能要求的新型自保温建筑节能材料;使用玻化微珠保温混凝土保温系统具有整体性好、保温性能佳、综合性强等技术先进性,应用于有保温节能要求的多层及高层建筑物中是可行的。 本文研究的“玻化微珠保温混凝土”已获得国家知识产权局发明专利授权(ZL200610012726.2);该课题做为系列研究课题玻化微珠保温砂浆应用研究的重要组成部分,研究成果经山西省科技厅组织全国知名专家鉴定达到国际先进水平,并获山西省科技进步二等奖。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TU551

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