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钢纤维聚合物高强结构混凝土的力学性能研究

郑顺潮  
【摘要】:对于大型混凝土桥梁结构,在施工或运营期间,结构局部例如连续刚构桥的0号块、跨中合拢段等,处于复杂应力状态并会出现较大的拉应力,造成开裂或影响结构的耐久性。较多的工程实践表明,采用普通的高强混凝土材料,仅仅靠提高材料强度还不能满足桥梁结构的抗裂性及耐久性要求,高强、高韧化是土木建筑及交通领域对材料性能要求的发展趋势。为此,本研究将从材料的力学性能着手,对已有自主知识产权的“钢纤维增强聚合物改性混凝土”进行二次开发,研发一种能够应用于大跨度桥梁结构的新型复合材料——钢纤维聚合物高强结构混凝土,并以C60混凝土作为参照材料,探讨新材料的基本力学性能、抗裂性能、温度疲劳性能及耐久性等,研究成果对于在建及成桥后运营阶段大跨度混凝土桥梁结构的病害防治、提高结构耐久性等具有重要的科学意义和工程应用价值。本文的主要研究内容及结论如下: 1)一种能够应用于大跨度桥梁结构的新型复合材料“钢纤维聚合物高强结构混凝土(SPHSC)”的研发。在保证桥梁结构的基本力学性能和使用功能的前期下,通过大量的配合比设计、材料组分及其力学性能的宏微观分析,研发了一种与现有高强结构混凝土(例如C60混凝土)的强度相仿、抗裂、抗疲劳及耐久性能更好的改性混凝土材料"SPHSC"。 2)钢纤维聚合物高强结构混凝土的抗裂性能研究。考虑到混凝土材料的固有缺陷,本文以断裂韧性作为新材料的主要抗裂性能指标,采用实验研究与理论分析相结合的方法,对非几何相似条件下SPHSC的断裂韧性进行测试,探讨了试件特征尺寸(梁高H)、初始裂缝相对高度α0及材料组分对断裂韧性的影响;分析了钢纤维及聚合物乳胶的微观增韧机理;基于Bazant尺度律推导了高强混凝土的单K和双K断裂韧度在非几何相似条件下的尺寸效应公式,并进行了实验验证。研究结果表明,SPHSC比C60混凝土具有更好的抗裂性能;本文推导的断裂韧度尺寸效应公式是有效的,而且其预测值与实验值吻合得较好。 3)钢纤维聚合物高强结构混凝土的抗疲劳性能研究。以实验研究为主,采用对比分析的方法,在室温环境和5级载荷水平下,对实桥上应用的SPHSC及其静力学性能相近的C60混凝土的疲劳性能、以及添加材料的抗疲劳机理进行了探讨。研究结果表明,由于钢纤维和聚合物乳胶的掺入,SPHSC比C60混凝土具有更好的抗疲劳性能。由S~N实验曲线推定的SPHSC的疲劳极限比C60混凝土的提高了31.3%,这对桥梁结构的抗疲劳性能及其耐久性将是一个很大的贡献。 4)钢纤维聚合物高强结构混凝土的温度疲劳性能研究。首先,根据经典的疲劳强度理论和假定,推导了SPHSC材料的温度疲劳寿命表达式。然后,对于该表达式中的常系数,系按照亚热带地区的气候条件设定了3种工作环境温度(20℃,50℃,80℃),在4级载荷水平下,对实桥上应用的SPHSC材料实施温度疲劳实验来确定。研究结果表明,SPHSC材料的抗疲劳性能会随着工作环境温度的改变而变化,当工作环境温度较高时,其抗疲劳性能会降低。采用本文提出的半经验公式,可有效地、方便地推定在亚热带地区的气候条件下工作的SPHSC材料的温度疲劳寿命及其疲劳极限。 5)SPHSC箱梁的结构力学性能分析。在某高速公路上一座特大跨径连续刚构桥主桥的0#块、跨中合拢段及其附近的几个节段箱梁采用了本研究成果——SPHSC新材料。通过对SPHSC箱梁结构的抗弯承载力、抗剪承载力、抗变形能力及抗裂性能分析,进一步证实了本课题组研发的SPHSC材料具有优异的结构力学性能和施工性,以及应用于桥梁主体结构的可行性,实现了该材料研发的目的。


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