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混凝土早期收缩开裂理论与控制技术及其在桥梁工程中的应用研究

张登祥  
【摘要】:混凝土桥面板以及桥墩等大体积混凝土的早期开裂现象十分严重,并且因早期变形因素引起的裂缝占大多数。特别是为加快施工进度,现代桥梁施工大多采用预拌混凝土,预拌混凝土使用要求流动性大,配合比中水泥和细骨料比例偏大、粗骨料比例偏小,使得预拌混凝土收缩偏大,更容易出现收缩裂缝。裂缝会导致钢筋锈蚀和混凝土劣化,从而缩短它们的使用寿命。因此,防止或延缓混凝土桥面板、梁等构件早期收缩开裂是个十分重要的问题。 混凝土桥梁各构件早期裂缝产生的主要原因是由于温度变形及干缩变形引起的约束拉应力超过了当时的混凝土抗拉强度。为了避免早期收缩裂缝的发生,不仅要采取有效措施来控制混凝土的温度变形及干缩变形,同时还要掌握混凝土早期的抗裂性能,即混凝土早期的材料力学性能及其随龄期的增长规律。本文对桥梁工程中常用强度等级混凝土的早期力学性能进行了深入研究,分析其发展规律,并通过大量试验研究得到的混凝土早期强度与弹性模量的时域模型;并针对预拌混凝土早期力学性能也进行了大量的试验研究,得到预拌混凝土早期力学性能的发展规律及时域模型。 混凝土材料早期的抗力与收缩拉应力(考虑应力松弛的残余应力)是随时间不断变化的,其变化规律与混凝土中水泥的水化密切相关。而水泥水化过程受到水灰比、水泥化学成分、细度、外界温度、湿度、外加剂等多种因素的影响,是一个十分复杂的问题。本文对混凝土水化动力学理论进行深入研究,建立混凝土水化度与混凝土抗压强度的函数关系,将复杂的混凝土水化问题简单化,且便于应用。在既有试验数据基础上,采用BP神经网络模型得到混凝土早期水化度预测模型。 混凝土内部相对湿度的降低是混凝土产生干燥收缩的主要原因,因此混凝土内部相对湿度的变化规律是干燥收缩研究的关键。本文对混凝土早期收缩机理进行了深入研究,推导出的自干燥引起的内部相对湿度与饱水度之间的关系式;同时对Bangham方程进行修正,提出了混凝土早期自生收缩理论模型,并通过混凝土早期收缩试验对理论模型进行验证,结果表明本文提出的自生收缩模型计算值与试验结果具有很好的一致性;混凝土早期收缩试验还研究了预拌混凝土常用矿物掺合料(粉煤灰、矿渣)对混凝土早期收缩的影响,得到粉煤灰及矿渣对混凝土早期收缩的影响规律及相关关系。 混凝土单纯的变形并不会产生应力和裂缝,只有变形受到约束限制才会产生应力并导致开裂。本文在断裂力学的基础上建立混凝土早期约束收缩开裂机理模型,从理论上对集料嵌销、试件的尺寸效应及几何形状等对裂缝的发生发展的影响提供了一个新的解释方法;在混凝土早期约束收缩开裂机理模型中,应力强度因子K_(IC)及裂缝尖端张开位移CTOD_C的试验室测定结果具有明显的尺寸效应,本文在既有试验数据的基础上,用BP神经网络方法对混凝土断裂参数K_(IC)、CTOD_C进行预测,预测结果能够达到精度要求;采用改进型环形约束收缩试验验证混凝土早期约束开裂机理模型。 高强度大体积混凝土早期开裂现象突出,影响因素也很多。本文以某桥梁承台为计算实例,编制计算程序对桥梁承台施工过程进行三维非线性仿真分析,研究桥梁大体积混凝土施工期混凝土材料特性、入仓温度、冷却水通水流量及通水时间对温度收缩应力的影响,并将仿真计算结果与施工实测结果比较,误差较小。 采用平板开裂试验测试减水剂掺量对混凝土板早期收缩抗裂性能的影响;测试减缩剂、膨胀剂及聚丙烯纤维单掺及复掺对混凝土板早期收缩抗裂性能的影响;测试钢筋特性(配筋率、钢筋直径)对混凝土板收缩抗裂性能的影响。探讨混凝土板早期收缩裂缝的控制方法。


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