高性能現(xiàn)代混凝土本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬

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1、第一章緒論1．1研究背景混凝土是一種由填充料與膠凝材料組成的復(fù)合材料，實(shí)際上是一種人造石材。從其字面上理解，要形成這種材料，首先要將各組成部分混在一起，然后經(jīng)過膠凝材料的凝結(jié)作用，形成統(tǒng)一的材料：在混凝土中，填充料起骨架作用，稱為骨料，膠凝材料與水形成漿體，稱為膠凝漿體，膠凝漿體包裹在骨料表面并填充骨料之間的空隙；在硬化前，膠凝漿體起潤滑作用，使得拌合物具有一定的和易性，便于施工；膠凝漿體硬化后，將骨料膠結(jié)為一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體?。翻閱混凝土的發(fā)展史，可以得到這樣一個(gè)結(jié)論：混凝土總是伴隨不斷出現(xiàn)的問題而發(fā)展進(jìn)步：建造房屋需要抗壓能力較強(qiáng)的材料，混凝土得以問世；當(dāng)人們希望它具有

2、一定抗拉能力時(shí)，鋼筋混凝土旋即誕生；當(dāng)一系列核電站建成后，人們不希望混凝土外包層有裂縫時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土也就應(yīng)運(yùn)而生。然而從20世紀(jì)70年代起，發(fā)達(dá)國家投入使用的諸多基礎(chǔ)建設(shè)和重大工程，已逐漸顯示出過早破壞的問題：美國有2530000座混凝土橋梁，橋面板使用不到20年就開始破壞，美國土木工程學(xué)會在其2005基建工程狀態(tài)報(bào)告中估計(jì)至少需花費(fèi)1．6萬億美元才能在5年間將基建工程恢復(fù)到正常使用狀態(tài)；英國英格蘭的中環(huán)城快車道上有八座高架橋，全長21km，總造價(jià)只有2800萬英鎊，而2004年修補(bǔ)費(fèi)用達(dá)1．2億英鎊，接近造價(jià)的6倍；我國房屋與基礎(chǔ)設(shè)施的使用年限低于世界平均水平，且遠(yuǎn)

3、遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，有的公路橋梁甚至僅使用3～5年就出現(xiàn)破損，個(gè)別的橋梁建成后尚未投入使用已需要維修，甚至邊建邊修，大大縮短了混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命[21。以上所有問題產(chǎn)生的原因，不是因?yàn)榛炷恋膹?qiáng)度不足，而是由于混凝土的材質(zhì)劣化、耐久性降低導(dǎo)致了混凝土建筑過早的退役。要解決這個(gè)難題，就必須加速混凝土高性能化研究，通過摻入摻合料和夕l-,Dii劑大力提高混凝土的耐久性，因此高性能現(xiàn)代混凝土也就成為國際上近年來的熱門研究課題。(a)紫峰大廈(中國)(b)墨爾本中心(澳洲)(c)英吉利海峽(英國)圖1．1高性能混凝土的廣泛應(yīng)用東南大學(xué)碩士學(xué)位論文高性能現(xiàn)代混凝土是以工業(yè)化生產(chǎn)

4、的預(yù)拌混凝土為基礎(chǔ)，以高效減水劑和礦物摻合料的大規(guī)模使用為特征?，F(xiàn)代混凝土的強(qiáng)度減小了對水泥強(qiáng)度的依賴，拌合物的流變性能更加突出，其結(jié)構(gòu)耐久性也日益增強(qiáng)；現(xiàn)代混凝土最重要的特征是具有較高的均質(zhì)性，且是否包含哪種組分，需要依據(jù)混凝土客觀需要的使用功能來確定；比如說對于高效羧酸類減水劑的使用，在配制高強(qiáng)度大流動性混凝土?xí)r，使用高減水率的聚羧酸減水劑有很大優(yōu)勢；但對于低強(qiáng)度等級的混凝土，由于膠凝材料用量小，水膠比大，使用聚羧酸減水劑反而難以保證拌合物的均質(zhì)性吲。傳統(tǒng)混凝土一般由水泥、砂、石、水四種原料拌和而成：而現(xiàn)代混凝土除了上述四種原料外，還需要摻加礦物摻合料和多種化學(xué)外加

5、劑，其組分可以達(dá)到十種以上，某些組分的摻量只有膠凝材料用量的萬分之幾；如此多的組分、如此少的摻量，如不采用高精度的計(jì)量裝置和強(qiáng)力的機(jī)械攪拌設(shè)備，很難做到快速均勻攪拌；現(xiàn)代混凝土對于均質(zhì)性的要求很高，除了要求原材料的品質(zhì)穩(wěn)定外，嚴(yán)格的生產(chǎn)過程控制是重要措施，這些只能在自動化程度高的混凝土攪拌站才能實(shí)現(xiàn)14J。我國非常重視高性能現(xiàn)代混凝土的發(fā)展，并希望其能與環(huán)境工程相結(jié)合，符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此在國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“973"立項(xiàng)中，專門設(shè)立了“環(huán)境友好現(xiàn)代混凝土的基礎(chǔ)研究”這一項(xiàng)目，將混凝土轉(zhuǎn)變?yōu)榈臀廴?、低能耗及高性能的環(huán)境友好建筑材料。高性能現(xiàn)代混凝土的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了

6、輔料(主要是工業(yè)廢渣)的充分和高效利用，降低了環(huán)境污染，節(jié)約了能源和資源，同時(shí)大幅度的提高了抗壓強(qiáng)度與流動性。但是現(xiàn)代混凝土又具有膠凝材料用量大，組分復(fù)雜，水膠比低的特點(diǎn)，早期易開裂，為有害物質(zhì)侵入創(chuàng)造了條件，導(dǎo)致了其性能的嚴(yán)重衰減，甚至過早地退出服役，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失、能源與資源的嚴(yán)重浪費(fèi)及大量廢棄物的污染。因此，要真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代混凝土的環(huán)境友好性能，必須有效地提高現(xiàn)代混凝土的服役壽命。1．2國內(nèi)外對混凝土在多軸應(yīng)力作用下的試驗(yàn)研究概況混凝土本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)依據(jù)試件所承受的應(yīng)力特點(diǎn)可以分為：單軸壓縮、單軸拉伸、雙軸壓．壓、雙軸拉．壓、雙軸拉、三軸壓．壓．壓、三軸拉．拉．

7、拉、三軸拉．拉．壓以及三軸拉．壓．壓等。普通混凝土的單軸壓縮試驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)作為所有本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)的基礎(chǔ)，目前研究成果已經(jīng)成熟，而其雙軸和三軸應(yīng)力試驗(yàn)也在中外學(xué)者100多年的努力下日臻完善，然而尚未有人系統(tǒng)地開展過高性能現(xiàn)代混凝土的所有應(yīng)力狀態(tài)本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)。20世紀(jì)初，德國的研究者Foppl就進(jìn)行了水泥砂漿的二軸受壓試驗(yàn)，同時(shí)美國的研究者Riehart也進(jìn)行了混凝土圓柱體的常規(guī)三軸受壓試驗(yàn)。之后由于混凝土本構(gòu)關(guān)系在結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用尚不迫切，混凝土的多軸強(qiáng)度的研究停滯了一段時(shí)間。20世紀(jì)50、60年代，石油危機(jī)的爆發(fā)促使西方國家大力發(fā)展核電