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关键词： 3D打印混凝土   倾斜建造   结构失稳预测   可打印性   优化方法  

摘要： 传统现浇混凝土存在资源浪费、环境污染、效率低下、施工安全等问题。混凝土3D打印技术具有无模化、自动化、灵活化和快速化的优势,已经成为一种发展趋势,并在装配式桥梁、建筑景观、房屋建造等领域广泛应用。倾斜3D打印混凝土,即结构边界线与结构建造方向存在夹角的3D打印混凝土结构,展示了3D打印形状自由灵活的独特优势,然而,3D打印无模建造的特点给快速稳定的打印成型带来了挑战,在混凝土3D打印过程中,由于缺少模板对结构的支撑,打印结构易因早期刚度不足而倒塌。为增强3D打印对灵活化和非标准化预制结构的适用性,本文建立了倾斜3D打印结构的建造性评估方法,优化了3D打印混凝土材料早龄期的硬化特性,以推进该先进建造技术的推广和应用。 本文总结了3D打印混凝土建造失稳预测模型、早期性能测试方法及优化方法的国内外发展动态和最新成果,并明确了倾斜3D打印混凝土早期性能优化及建造失稳预测的可行性;建立了倾斜3D打印混凝土建造失稳的理论预测模型,并揭示了打印结构倾斜角度对建造失稳的影响机制;提出了复掺缓凝剂和速凝剂的来提高混凝土拌合物早期性能与打印工艺的协调适应性,并量化分析了所制备的3D打印混凝土材料的早期刚度发展规律;同时,通过数值模拟计算和打印实验分析验证了所提出的可建造性评价准则的正确性和有效性。 研究发现:(1)3D打印混凝土快速稳定建造成型是几何参数、材料参数与打印参数协同优化的结果。基于Pascal固体压强理论、力的分解与叠加原理和结构稳定计算建立的可建造性评价准则可以预测打印结构失效形式及临界高度,从而降低打印失败概率并缩短施工时间;(2)优化早期刚度的最佳HB-CSA替代率为15%;通过复掺速凝剂与缓凝剂,3D打印混凝土材料的初、终凝时间可控制在35～96 min;(3)通过数值模拟计算验证和打印实验分析验证,本文所提出的可建造性评价准则的误差可控制在9.7%以内;当其他工艺参数相同的条件下,倾斜角度是影响倾斜3D打印可打印高度的主要原因,对于复杂的截面形状,可以转换为圆形截面进行近似计算;本文提出的倾斜3D打印混凝土建造失稳预测方法对指导协调调控各打印参数、实现3D打印混凝土结构的稳定快速成型具有重要意义。

关键词： 海工混凝土   氯盐   冻融   耐久性   寿命预测  

摘要： 近年来,我国沿海地区交通基础设施建设不断加快,已经建成的跨海桥梁,如港珠澳大桥、青岛胶州湾大桥等,已成为推动区域经济发展的关键基础设施。为提高这类基础设施在海洋腐蚀环境作用下的耐久性,海工混凝土被应用到实际工程建设中。然而,海工混凝土结构在服役期间不仅遭受海水中盐分的侵蚀,而且对于北方冰冻海域的结构还要受到冻融破坏影响,这些因素共同导致其耐久性显著降低、使用寿命大幅缩短。为了解决这一复杂问题,研究海工混凝土材料的耐久性能,对于提高海工混凝土结构在服役期间的安全性和可持续性具有重要意义。首先,针对单一因素(冻融、氯盐)作用下海工混凝土耐久性进行研究,得到单一因素作用下损伤规律和参数影响程度。研究表明:采用0.26水胶比,粉煤灰、矿粉和硅灰占比分别为30%、30%和5%的海工混凝土抗冻性能更优;采用0.26水胶比,粉煤灰、矿粉和硅灰占比分别为30%、30%和15%的海工混凝土抗渗性能较优,而且硅灰对其抗渗性能影响程度最大。相较于普通混凝土,海工混凝土能够将材料严重冻融损伤延缓200次以上,抗渗性提升80%以上。其次,针对冻融氯盐双因素耦合作用进行分析,得到双因素耦合作用材料劣化规律。研究表明:盐冻和水冻损伤主要差异出现在冻融后期阶段;与水冻相比,海工混凝土盐冻300次质量损失增大1.45倍,动弹性模量损失增大2.3倍;水冻和盐冻条件下的海工混凝土氯离子扩散系数分别是未冻材料的1.76～4.21倍和1.85～4.43倍。再次,构建了海工混凝土盐冻环境下的劣化模型,通过测试不同温度水平下材料的抗冻性,建立室内试验温度与实际环境的转化关系,消除现场实际环境与标准试验条件之间的差异,进一步统计北方沿海地区环境温度,给出不同地区平均年当量冻融循环次数推荐表。最后,结合建立的盐冻环境下海工混凝土劣化模型,分析了模型中具体参数分布类型,并基于可靠度理论,对北方地区某跨海大桥在现有腐蚀环境条件下的寿命进行了科学评估。

关键词： 硅烷浸渍   混凝土   表面性质   耐久性   影响与改善  

摘要： 混凝土是现代建筑工程中最常用的建筑材料之一，其表面性质和耐久性对于建筑物的安全性、使用寿命和维护成本具有重要意义。由于混凝土孔隙结构的复杂性，其表面易受环境因素侵蚀，导致性能逐渐降低。近年来，硅烷浸渍剂因其在提高混凝土表面性质和耐久性方面的优异表现，逐渐受到了广泛关注。通过对硅烷浸渍剂的研究，探讨其在改善混凝土表面性质和耐久性方面的作用机制，为实际工程应用提供理论支持。

关键词： 负温环境   海水海砂   碳纤维   欧姆热养护   耐久性  

摘要： 在负温环境下,冬季混凝土结构的受冻破坏一直是制约其冬季施工的难点。目前已有的传统冬季施工方法仍有许多不足,欧姆热养护作为一种新型养护方式,可以使普通混凝土具有抵抗超低温环境作用的能力。严寒沿海地区淡水、河砂资源短缺,只能采用海水、海砂作为制备混凝土的原材料,在这种情况下,欧姆热养护能够在负温环境下制备水泥基材料的特点有望应用于海水海砂混凝土(SSC)。处在严寒沿海环境下的混凝土,会受到离子侵蚀、冻融、碳化、干湿循环等多种作用的影响,混凝土劣化尤为严重,其耐久性随时间显著下降,难以达到设计使用寿命,这样会造成巨大的经济损失,为沿海区域的可持续发展带来隐患。所以对负温环境海水海砂混凝土耐久性的研究尤其重要。本文通过添加碳纤维作为导电填料,采用优化后的制备工艺,在负温环境下通过欧姆热养护制备SSC,并在不同养护制度下对SSC的抗氯离子侵蚀性能、抗盐冻破坏性能及抗碳化性能进行了探讨。主要研究内容及成果如下: 为保证利用欧姆热养护制备SSC的顺利进行,对碳纤维掺量及制备工艺进行了研究。根据碳纤维掺量对SSC初始电阻率及流动度的影响,确定碳纤维最优掺量为1.25vol%;通过试验对比采用进一步优化的同掺法制备SSC,保证碳纤维在SSC中有良好的分散程度。 为探究欧姆热养护对SSC的强度影响及保证SSC有良好的强度基础进行后续的耐久性试验,研究养护至28天SSC的力学性能发展规律。结果表明通过欧姆热养护的SSC,其早期强度相比于标养试件提高了7.6%,且长期强度与标养试件相当,这说明欧姆热养护能促进SSC早期强度快速形成,且长期强度发展良好利于后续耐久性试验的进行。 为探究欧姆热养护对SSC抗氯离子侵蚀性能的影响,采用自然浸泡法进行试验,结果表明采用欧姆热养护的SSC在浸泡90 d后的氯离子渗透深度仅为2.1 mm,相比标养试件减少1 mm,抗压强度高出标养试件的30.3%,说明采用欧姆热养护的SSC抗氯离子渗透性能优异;为探究欧姆热养护对SSC抗盐冻性能的影响,采用快冻法进行试验,结果表明前期采用欧姆热养护,并经过负温环境(-20℃)受冻的SSC,其抗压强度在盐冻循环300次后为45.3 MPa,与标养试件相当,说明欧姆热养护可应用于严寒环境下的SSC;为探究欧姆热养护对SSC抗碳化性能的影响,采用加速碳化试验,结果表明通过采用欧姆热养护的SSC,加速碳化7 d后的碳化深度仅为0.2 mm,相比标养试件减少了0.7 mm,说明通过欧姆热养护可以提高SSC早期的抗碳化性能。为研究进行耐久性试验后试件的劣化机制,采用扫描电镜(SEM)及压汞(MIP)分析手段对SSC的孔结构及微观形貌进行评价。

关键词： 脱硫石膏基自流平砂浆   外加剂   氯离子   养护机制   宏观性能   微观形貌  

摘要： 随着中国经济和工业化进程的加快,火力发电会产生大量二氧化硫气体等有害气体,脱硫石膏（主要成分为Ca SO4·2H2O）则成为消除燃煤时产生的SO2、SO3等气体的工业副产品。将脱硫石膏转化为基于脱硫石膏的自流平材料,提高了石膏作为工业副产品的整体利用率。作为地面找平层,脱硫石膏基自流平材料具有透气、轻质、耐高温、低碳、环保、体积稳定、找平性能高等特点。脱硫石膏自流平材料的开发和合理利用具有重要意义,它为工业副产品石膏的大规模利用铺设了一条新的途径,促进我国经济社会的可持续、循环、绿色发展。本文主要研究内容及结论如下:研究不同外加剂对脱硫石膏基自流平砂浆流动度、凝结时间、强度等影响,并结合X射线衍射、扫描电镜对水化产物和形貌进行分析。结果表明:可再分散乳胶粉可以改善脱硫石膏基自流平砂浆的流动度,提高砂浆的韧性和抗裂性,降低硬化体强度,在掺量为1%时流动度最大,达到153mm,掺量为2%强度最低,1d抗折、抗压强度1.82MPa、3.49MPa,绝干抗折、抗压强度分别为4.98 MPa、12.16 MPa。使用普通硅酸盐水泥,最佳添加量为7%,改善了脱硫石膏基自流平砂浆的流动性、延长凝结时间、提高强度和耐水性,1d抗折、抗压强度分别为3.14 MPa、7.91 MPa,绝干抗折、抗压强度分别为9.52MPa、22.27 MPa。单掺两种缓凝剂及两者复掺对脱硫石膏基自流平砂浆的影响,流动度方面:植物蛋白类缓凝剂>复掺>柠檬酸;凝结时间方面:植物蛋白类缓凝剂>复掺>柠檬酸;强度损失方面:柠檬酸>植物蛋白类缓凝剂>复掺,综合考虑在本试验中,缓凝剂选取植物蛋白类最合适,掺量为0.1%,其次是复掺,最差是柠檬酸。随纤维素掺量增加或分子量越大,脱硫石膏基自流平砂浆的流动性越差、凝结时间越长、强度越差。本实验掺量为0.05%。研究氯离子对脱硫石膏基自流平砂浆强度、吸水率、软化系数等影响,并结合X射线衍射、扫描电镜对水化产物和形貌进行分析。结果显示,脱硫石膏基自流平砂浆的抗折、抗压强度随氯离子的增加而降低。空白组1d抗折、抗压强度分别为3.25MPa、8.53MPa,绝干抗折、抗压强度分别为9.64MPa、22.6 MPa。氯离子掺量最高组1d抗折、抗压强度分别为2.28MPa、7.77MPa,绝干抗折、抗压强度分别为8.61MPa、21.63 MPa。脱硫石膏基自流平砂浆中氯离子含量越高,最终硬化体的吸水率越大、吸水性越好,软化系数越小、脱水能力越差、耐水性越差。空白组吸水率0.12%,软化系数0.8;氯离子掺量最高组吸水率0.21%,软化系数0.65。研究养护机制对脱硫石膏基自流平砂浆性能的影响,并结合X射线衍射、扫描电镜对水化产物和形貌进行分析。结果显示,养护温度60±2%℃达到最大值,1d抗压强度9.11MPa、1d抗折强度3.15MPa,绝干抗压强度22.31MPa、绝干抗折强度8.42MPa。养护湿度60±2%RH达到最大值,1d抗压强度9.24MPa、1d抗折强度3.25MPa,绝干抗压强度22.51MPa、绝干抗折强度8.49MPa。养护时间24±0.5h达到最大值,绝干抗压强度22.35MPa、绝干抗折强度8.37MPa。

关键词： 土木工程  

ISBN: (纸本)9787562373056

摘要： 本书介绍了分12章介绍了常用土木工程材料的基本成分、生产工艺、技术性能和应用，并对新型土木工程材料进行了较为详细的介绍。此次第三版是对第二版的修订，根据最新国家标准和行业标准对书稿内容进行更新。

关键词： 超高性能混凝土   硫酸盐-干湿循环   耐久性能   损伤层厚度   微观分析  

摘要： 我国地域辽阔,有大量的盐湖和盐碱地,这些地区的土壤及水中含有大量的SO42-,加之干湿循环的影响使得混凝土结构长期受到硫酸盐-干湿循环的影响提前退役,对高性能、高强度及高耐久性混凝土的研究迫在眉睫。超高性能混凝土是一种强度、耐久性、延性、韧性极高,体积稳定性良好的新型水泥基复合材料。同时,超高性能混凝土中含有的钢纤维有效抑制了混凝土构件裂缝的萌生和发展,改变了混凝土内应力的分布,一定程度上提升了混凝土的韧性。超高性能混凝土的问世为桥梁、道路及隧道等大型混凝土工程的建设提供了更加优异的材料性能,构件的使用寿命也得到了提高。但结构在使用过程中往往受到严酷复杂的自然环境的影响,超高性能混凝土材料现阶段一般用于大跨度、超高层、大体积的结构中,服役过程中结构的损伤会造成严重的社会危害。因此对超高性能混凝土建筑在多方面因素耦合作用下损伤性能的分析及全生命周期劣化趋势的监测显得尤为重要,本文对超高性能混凝土做了硫酸盐-干湿循环方面的一系列耐久性试验,研究内容及取得的结果如下:(1)试验采用了四种不同浓度的硫酸盐溶液:A组(清水组)、B组(5%Na2SO4溶液)、C组(10%Na2SO4溶液)、D组(15%Na2SO4溶液),进行了超高性能混凝土试件硫酸盐-干湿循环耦合试验,试验过程中对试件质量、抗压强度、动弹模量进行了数据分析,并对不同浓度溶液中试件的质量变化率、抗压强度变化率、相对动弹模量做出对比研究。结果表明:超高性能混凝土质量、抗压强度和动弹性模量值均呈现先增后减的趋势。且浓度较高的溶液中,变化趋势较明显,D组(15%Na2SO4溶液)中试件经540d干湿循环后试块质量损失率为0.83%,抗压强度损失率为3.65%,质量较未循环前降低了13.8g,抗压强度降低了4.1MPa,A组(清水组)质量损失率及抗压强度损失率分别为0.36%和0.3 2%,质量损失了8.7g,抗压强度降低了1.0MPa。通过分析全循环周期中立方体的抗压强度,超高性能混凝土力学性能受硫酸盐溶液侵蚀影响较低。(2)利用超声波平测法对干湿循环机制下,置于四种浓度不同的硫酸盐溶液中超高性能混凝土试件的声时、声速、测距等参数进行分析,得出超高性能混凝土的损伤层厚度的变化规律。结果表明:四种浓度不同的硫酸盐溶液中,棱柱体试件的损伤层厚度均表现出随着循环周期的增加而逐渐增大的趋势,溶液浓度最高的D组(15%Na2SO4溶液)中试件的损伤层厚度达到了 7.26mm,而A组(清水组)、B组(5%Na2SO4溶液)、C组(10%Na2SO4 溶液)分别为 5.97mm、6.03mm、6.44mm。(3)通过粘贴式声发射试验对损伤全过程进行实时监测,利用振铃计数、能量及幅值三个特征参数分别与荷载发展曲线进行对比分析,研究超高性能混凝土受压破坏过程中试件的内部损伤特性。结果如下:声发射特征参数曲线变化试件所处硫酸盐溶液浓度越高,声发射特征参数曲线波动时间越长,峰值出现越早,经浓度高的硫酸盐溶液侵蚀过后的超高性能混凝土棱柱体试块声发射信号反应相对剧烈。声发射特征参数曲线在四种浓度不同的硫酸盐溶液中均表现出阶段性振荡趋势,说明钢纤维在混凝土损伤过程中对裂缝的发展起着明显的阻滞作用。(4)通过SEM试验对超高性能混凝土在硫酸盐-干湿循环耦合作用下的损伤过程做了微观结构分析,研究了微观形态变化对混凝土宏观损伤的影响,研究结果表明:超高性能混凝土基体本身十分密实,钢纤维与混凝土粘结紧密,随着干湿循环周期的增加,水化产物和结晶逐渐填充于混凝土内部孔隙,直至膨胀应力过大导致微小裂缝的出现。SO42-进入混凝土内部的通道不断扩展,造成混凝土侵蚀加剧,微观层面的分析验证了宏观层面超高性能混凝土的劣化机理。