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钢-STC轻型组合桥面——设计原理与工程实例 版权信息
- ISBN：9787030680143
- 条形码：9787030680143 ; 978-7-03-068014-3
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
钢-STC轻型组合桥面——设计原理与工程实例 内容简介
钢-超高韧性混凝土（STC）轻型组合桥面是一种新的桥面体系，由正交异性钢桥面+薄层STC+柔性铺装面层所组成，具有自重轻、抗疲劳能力强、维护费用低等优点。本书介绍了作者科研团队在此领域所做的系统性原创成果及在大型桥梁工程中的应用。 本书可供桥梁工程专业的高年级本科生、研究生、教师，以及从事桥梁工程科研、设计、管理和施工的技术人员参考。
钢-STC轻型组合桥面——设计原理与工程实例 目录
目录
序
前言
第1章 超高性能混凝土的基本性能及其在桥梁工程中的应用 1
1.1 超高性能混凝土的概念 1
1.2 超高性能混凝土的力学性能 2
1.2.1 抗压性能 2
1.2.2 抗拉性能 13
1.2.3 疲劳性能 54
1.2.4 收缩性能 71
1.2.5 徐变性能 82
1.3 超高性能混凝土的耐久性 89
1.3.1 抗冻性 89
1.3.2 抗碳化性能 94
1.3.3 抗渗性 96
1.4 超高性能混凝土在桥梁工程中的应用 101
1.4.1 超高性能混凝土应用概述 101
1.4.2 超高性能混凝土桥梁工程应用统计 101
1.5 本章小结 110
参考文献 111
第2章 钢-STC轻型组合桥面结构的研发背景及性能机理 118
2.1 本章概述 118
2.2 正交异性钢桥面板的构造和受力特点 118
2.3 传统钢桥面典型病害问题及对策 119
2.3.1 病害问题概况 119
2.3.2 病害一：正交异性钢桥面疲劳开裂 120
2.3.3 病害二：钢桥面沥青铺装层易损 124
2.4 常规对策：钢桥面水泥混凝土铺装方案 129
2.4.1 钢筋混凝土铺装 129
2.4.2 轻质混凝土铺装 130
2.4.3 密配筋高性能混凝土铺装 131
2.4.4 钢纤维混凝土铺装 133
2.4.5 超高性能纤维增强混凝土铺装 134
2.5 钢-超高韧性混凝土轻型组合桥面结构及其性能机理 135
2.5.1 轻型组合桥面结构形式 135
2.5.2 轻型组合桥面结构性能机理 136
2.6 本章小结 144
参考文献 144
第3章 结合面多种抗剪连接件及设计理论 148
3.1 本章概述 148
3.2 短栓钉剪力键的抗剪性能及设计 148
3.2.1 短栓钉的抗剪静力性能 148
3.2.2 短栓钉的抗剪疲劳性能 158
3.2.3 短栓钉设计计算实例 174
3.3 焊网剪力键的抗剪性能及设计 187
3.3.1 焊网剪力键研发目的 187
3.3.2 焊网剪力键的抗剪静力性能 188
3.3.3 焊网剪力键的抗剪疲劳性能 201
3.3.4 焊网剪力键设计计算实例 208
3.4 短钢筋头剪力键的抗剪性能及设计 214
3.4.1 焊接短钢筋头剪力键的研发目的 214
3.4.2 焊接钢筋头的抗拉拔静力性能 214
3.4.3 焊接钢筋头的抗剪静力性能 225
3.4.4 焊接钢筋头的抗剪疲劳性能 233
3.4.5 焊接钢筋头剪力键设计计算实例 237
3.5 花纹钢板的抗剪性能及设计 242
3.5.1 花纹钢板抗剪性能研究目的 242
3.5.2 花纹钢板的抗剪静力性能试验 242
3.5.3 花纹钢板的抗剪静力试验结果及分析 248
3.5.4 花纹钢板设计计算实例 252
3.6 本章小结 254
参考文献 255
第4章 组合桥面抗弯静力性能及设计理论 259
4.1 本章概述 259
4.2 钢-STC轻型组合桥面结构横桥向抗弯试验及结果分析 259
4.2.1 试验方案 259
4.2.2 试验结果和分析 264
4.2.3 STC层名义开裂应力分析 276
4.2.4 试件承载力结果分析 281
4.3 钢-STC轻型组合桥面结构纵桥向抗弯试验及分析 286
4.3.1 试验方案 286
4.3.2 试验结果分析 290
4.3.3 主要设计参数对开裂应力的影响 298
4.4 轻型组合桥面结构STC层裂缝宽度计算方法 300
4.4.1 普通配筋混凝土的裂缝宽度计算理论及对比 300
4.4.2 配筋纤维混凝土的裂缝宽度计算方法及适用性验证 303
4.4.3 配筋UHPC的裂缝宽度计算方法及适用性验证 311
4.4.4 钢-STC轻型组合桥面结构STC裂缝宽度计算公式 320
4.4.5 钢-STC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算理论适用性验证 332
4.5 轻型组合桥面结构横桥向抗弯足尺模型试验 333
4.5.1 钢-STC轻型组合桥面板足尺模型试验 333
4.5.2 有限元模型建立 335
4.5.3 钢-STC轻型组合桥面板横向受力分析 336
4.6 轻型组合桥面结构高抗裂性能机理分析 342
4.6.1 研究目的 342
4.6.2 钢-STC组合结构试验介绍 343
4.6.3 有限元计算分析 346
4.6.4 计算结果与分析 348
4.7 本章小结 354
参考文献 355
第5章 组合桥面疲劳性能及计算理论 358
5.1 本章概述 358
5.2 栓钉焊趾处钢面板的疲劳性能及设计 358
5.2.1 研究现状 358
5.2.2 计算思路 360
5.2.3 影响热点应力集中因子的参数分析 361
5.2.4 基于热点应力法的栓钉焊趾处钢面板疲劳评估 373
5.3 基于疲劳评估的轻型组合桥面结构参数分析及试验验证 375
5.3.1 计算目的 375
5.3.2 钢桥面疲劳验算细节 376
5.3.3 钢桥面疲劳验算方法 376
5.3.4 钢桥面疲劳有限元分析 376
5.3.5 参数分析及结果 380
5.3.6 轻型组合桥面结构横桥向抗弯疲劳性能 384
5.4 轻型组合桥面结构纵肋构造优化研究 387
5.4.1 研究目的 387
5.4.2 纵肋优化形式一：球扁钢开口肋 387
5.4.3 足尺模型静力试验 396
5.4.4 足尺模型疲劳试验 425
5.4.5 纵肋优化形式二：板型开口肋 431
5.4.6 纵肋优化方案形式三：大U肋 449
5.5 本章小结 458
参考文献 459
第6章 多种强化接缝及设计理论 461
6.1 本章概述 461
6.2 加密钢筋湿接缝静力弯曲受拉性能 461
6.2.1 方案构造 461
6.2.2 试验模型设计与制作 461
6.2.3 试验加载方案及测点布置 464
6.2.4 试验结果与分析 466
6.2.5 钢-STC加密钢筋湿接缝抗裂计算方法 473
6.3 加强钢板强化湿接缝静力弯曲受拉性能 482
6.3.1 方案构造 482
6.3.2 试验模型设计与制作 483
6.3.3 试验加载方案及测点布置 485
6.3.4 试验结果与分析 488
6.3.5 钢-STC加强钢板强化湿接缝静力弯曲拉伸性能 494
6.4 企口接缝湿接缝静力弯曲受拉性能 503
6.4.1 方案构造 503
6.4.2 试验模型设计与制作 503
6.4.3 试验加载方案及测点布置 505
6.4.4 试验结果与分析 508
6.4.5 钢-STC企口接缝静力弯曲拉伸性能 511
6.5 异形钢板湿接缝静力弯曲受拉性能及接缝设置 518
6.5.1 方案构造 518
6.5.2 试验模型设计与制作 519
6.5.3 试验加载方案及测点布置 521
6.5.4 试验结果与分析 523
6.5.5 钢-STC异形钢板湿接缝静力弯曲拉伸性能 529
6.6 各典型湿接缝弯曲拉伸性能比较及接缝设置位置 535
6.6.1 各典型湿接缝弯曲拉伸性能比较 535
6.6.2 各典型湿接缝位置设置 537
6.7 本章小结 539
参考文献 540
第7章 特殊构造性能及计算理论 542
7.1 本章概述 542
7.2 栓接钢桥螺栓带超高韧性混凝土强化构造 542
7.2.1 构造思路 542
7.2.2 试验研究 542
7.2.3 有限元计算 549
7.2.4 礐石大桥桥面维修方案设计计算 551
7.3 钢-混结合段构造 552
7.3.1 构造思路 552
7.3.2 钢-混结合段节段模型计算 552
7.3.3 节段模型计算结果与分析 556
7.3.4 钢-混结合段多尺度有限元模型计算 569
7.3.5 多尺度有限元模型计算结果与分析 570
7.3.6 实桥应用 593
7.4 高烈度区桥梁桥面连续抗震构造 594
7.4.1 构造思路 594
7.4.2 试验研究 594
7.4.3 有限元计算分析 604
7.5 本章小结 612
参考文献 613
第8章 STC--薄面层黏结性能及设计理论 615
8.1 本章概述 615
8.2 薄面层 616
8.2.1 沥青薄面层 617
8.2.2 聚合物混凝土薄面层 617
8.3 黏结层 623
8.3.1 STC-沥青薄面层 623
8.3.2 STC-TPO 628
8.4 STC表面糙化处理 628
8.4.1 表面糙化 628
8.4.2 STC-沥青面层复合试件试验研究 629
8.4.3 STC-TPO复合试件试验研究 636
8.5 STC-沥青薄面层界面黏结性能 641
8.5.1 试件制备与试验 642
8.5.2 试验结果与分析 645
8.6 STC-TPO耐久性研究 648
8.6.1 环氧铺面材料耐老化研究现状 648
8.6.2 环境条件模拟 651
8.6.3 TPO水稳定性 652
8.6.4 TPO耐老化性能 653
8.6.5 STC-TPO层间水稳定性 660
8.6.6 STC-TPO层间耐老化性 662
8.7 STC-沥青面层新铺与重铺界面性能对比研究 668
8.7.1 国内外研究综述 669
8.7.2 剪切破坏能量分析 670
8.7.3 STC-新铺沥青面层界面性能 671
8.7.4 STC-重铺沥青面层界面性能 683
8.7.5 重铺与新铺薄面层界面性能比较 689
8.8 钢-STC-TPO组合板静力试验研究 692
8.8.1 试验模型的设计与制作 692
8.8.2 试验方案 694
8.8.3 试验结果与分析 695
8.9 钢-STC-TPO组合板弯拉疲劳性能试验研究 702
8.9.1 疲劳破坏标准 702
8.9.2 疲劳试验 703
8.9.3 疲劳试验结果与分析 704
8.9.4 组合板剩余弯拉强度 709
8.9.5 组合板剩余抗弯刚度 710
8.9.6 疲劳试验前后*大裂缝宽度 711
8.10 STC-薄面层设计与计算 713
8.10.1 结构设计指标与要求 713
8.10.2 STC-薄面层典型结构 715
8.10.3 STC-面层有限元分析 719
8.10.4 STC-面层结构强度分析 725
8.11 本章小结 728
参考文献 729
第9章 钢--STC轻型组合桥面设计施工方法 733
9.1 本章概述 733
9.2 材料 733
9.2.1 STC原材料 733
序
前言
第1章 超高性能混凝土的基本性能及其在桥梁工程中的应用 1
1.1 超高性能混凝土的概念 1
1.2 超高性能混凝土的力学性能 2
1.2.1 抗压性能 2
1.2.2 抗拉性能 13
1.2.3 疲劳性能 54
1.2.4 收缩性能 71
1.2.5 徐变性能 82
1.3 超高性能混凝土的耐久性 89
1.3.1 抗冻性 89
1.3.2 抗碳化性能 94
1.3.3 抗渗性 96
1.4 超高性能混凝土在桥梁工程中的应用 101
1.4.1 超高性能混凝土应用概述 101
1.4.2 超高性能混凝土桥梁工程应用统计 101
1.5 本章小结 110
参考文献 111
第2章 钢-STC轻型组合桥面结构的研发背景及性能机理 118
2.1 本章概述 118
2.2 正交异性钢桥面板的构造和受力特点 118
2.3 传统钢桥面典型病害问题及对策 119
2.3.1 病害问题概况 119
2.3.2 病害一：正交异性钢桥面疲劳开裂 120
2.3.3 病害二：钢桥面沥青铺装层易损 124
2.4 常规对策：钢桥面水泥混凝土铺装方案 129
2.4.1 钢筋混凝土铺装 129
2.4.2 轻质混凝土铺装 130
2.4.3 密配筋高性能混凝土铺装 131
2.4.4 钢纤维混凝土铺装 133
2.4.5 超高性能纤维增强混凝土铺装 134
2.5 钢-超高韧性混凝土轻型组合桥面结构及其性能机理 135
2.5.1 轻型组合桥面结构形式 135
2.5.2 轻型组合桥面结构性能机理 136
2.6 本章小结 144
参考文献 144
第3章 结合面多种抗剪连接件及设计理论 148
3.1 本章概述 148
3.2 短栓钉剪力键的抗剪性能及设计 148
3.2.1 短栓钉的抗剪静力性能 148
3.2.2 短栓钉的抗剪疲劳性能 158
3.2.3 短栓钉设计计算实例 174
3.3 焊网剪力键的抗剪性能及设计 187
3.3.1 焊网剪力键研发目的 187
3.3.2 焊网剪力键的抗剪静力性能 188
3.3.3 焊网剪力键的抗剪疲劳性能 201
3.3.4 焊网剪力键设计计算实例 208
3.4 短钢筋头剪力键的抗剪性能及设计 214
3.4.1 焊接短钢筋头剪力键的研发目的 214
3.4.2 焊接钢筋头的抗拉拔静力性能 214
3.4.3 焊接钢筋头的抗剪静力性能 225
3.4.4 焊接钢筋头的抗剪疲劳性能 233
3.4.5 焊接钢筋头剪力键设计计算实例 237
3.5 花纹钢板的抗剪性能及设计 242
3.5.1 花纹钢板抗剪性能研究目的 242
3.5.2 花纹钢板的抗剪静力性能试验 242
3.5.3 花纹钢板的抗剪静力试验结果及分析 248
3.5.4 花纹钢板设计计算实例 252
3.6 本章小结 254
参考文献 255
第4章 组合桥面抗弯静力性能及设计理论 259
4.1 本章概述 259
4.2 钢-STC轻型组合桥面结构横桥向抗弯试验及结果分析 259
4.2.1 试验方案 259
4.2.2 试验结果和分析 264
4.2.3 STC层名义开裂应力分析 276
4.2.4 试件承载力结果分析 281
4.3 钢-STC轻型组合桥面结构纵桥向抗弯试验及分析 286
4.3.1 试验方案 286
4.3.2 试验结果分析 290
4.3.3 主要设计参数对开裂应力的影响 298
4.4 轻型组合桥面结构STC层裂缝宽度计算方法 300
4.4.1 普通配筋混凝土的裂缝宽度计算理论及对比 300
4.4.2 配筋纤维混凝土的裂缝宽度计算方法及适用性验证 303
4.4.3 配筋UHPC的裂缝宽度计算方法及适用性验证 311
4.4.4 钢-STC轻型组合桥面结构STC裂缝宽度计算公式 320
4.4.5 钢-STC轻型组合桥面结构裂缝宽度计算理论适用性验证 332
4.5 轻型组合桥面结构横桥向抗弯足尺模型试验 333
4.5.1 钢-STC轻型组合桥面板足尺模型试验 333
4.5.2 有限元模型建立 335
4.5.3 钢-STC轻型组合桥面板横向受力分析 336
4.6 轻型组合桥面结构高抗裂性能机理分析 342
4.6.1 研究目的 342
4.6.2 钢-STC组合结构试验介绍 343
4.6.3 有限元计算分析 346
4.6.4 计算结果与分析 348
4.7 本章小结 354
参考文献 355
第5章 组合桥面疲劳性能及计算理论 358
5.1 本章概述 358
5.2 栓钉焊趾处钢面板的疲劳性能及设计 358
5.2.1 研究现状 358
5.2.2 计算思路 360
5.2.3 影响热点应力集中因子的参数分析 361
5.2.4 基于热点应力法的栓钉焊趾处钢面板疲劳评估 373
5.3 基于疲劳评估的轻型组合桥面结构参数分析及试验验证 375
5.3.1 计算目的 375
5.3.2 钢桥面疲劳验算细节 376
5.3.3 钢桥面疲劳验算方法 376
5.3.4 钢桥面疲劳有限元分析 376
5.3.5 参数分析及结果 380
5.3.6 轻型组合桥面结构横桥向抗弯疲劳性能 384
5.4 轻型组合桥面结构纵肋构造优化研究 387
5.4.1 研究目的 387
5.4.2 纵肋优化形式一：球扁钢开口肋 387
5.4.3 足尺模型静力试验 396
5.4.4 足尺模型疲劳试验 425
5.4.5 纵肋优化形式二：板型开口肋 431
5.4.6 纵肋优化方案形式三：大U肋 449
5.5 本章小结 458
参考文献 459
第6章 多种强化接缝及设计理论 461
6.1 本章概述 461
6.2 加密钢筋湿接缝静力弯曲受拉性能 461
6.2.1 方案构造 461
6.2.2 试验模型设计与制作 461
6.2.3 试验加载方案及测点布置 464
6.2.4 试验结果与分析 466
6.2.5 钢-STC加密钢筋湿接缝抗裂计算方法 473
6.3 加强钢板强化湿接缝静力弯曲受拉性能 482
6.3.1 方案构造 482
6.3.2 试验模型设计与制作 483
6.3.3 试验加载方案及测点布置 485
6.3.4 试验结果与分析 488
6.3.5 钢-STC加强钢板强化湿接缝静力弯曲拉伸性能 494
6.4 企口接缝湿接缝静力弯曲受拉性能 503
6.4.1 方案构造 503
6.4.2 试验模型设计与制作 503
6.4.3 试验加载方案及测点布置 505
6.4.4 试验结果与分析 508
6.4.5 钢-STC企口接缝静力弯曲拉伸性能 511
6.5 异形钢板湿接缝静力弯曲受拉性能及接缝设置 518
6.5.1 方案构造 518
6.5.2 试验模型设计与制作 519
6.5.3 试验加载方案及测点布置 521
6.5.4 试验结果与分析 523
6.5.5 钢-STC异形钢板湿接缝静力弯曲拉伸性能 529
6.6 各典型湿接缝弯曲拉伸性能比较及接缝设置位置 535
6.6.1 各典型湿接缝弯曲拉伸性能比较 535
6.6.2 各典型湿接缝位置设置 537
6.7 本章小结 539
参考文献 540
第7章 特殊构造性能及计算理论 542
7.1 本章概述 542
7.2 栓接钢桥螺栓带超高韧性混凝土强化构造 542
7.2.1 构造思路 542
7.2.2 试验研究 542
7.2.3 有限元计算 549
7.2.4 礐石大桥桥面维修方案设计计算 551
7.3 钢-混结合段构造 552
7.3.1 构造思路 552
7.3.2 钢-混结合段节段模型计算 552
7.3.3 节段模型计算结果与分析 556
7.3.4 钢-混结合段多尺度有限元模型计算 569
7.3.5 多尺度有限元模型计算结果与分析 570
7.3.6 实桥应用 593
7.4 高烈度区桥梁桥面连续抗震构造 594
7.4.1 构造思路 594
7.4.2 试验研究 594
7.4.3 有限元计算分析 604
7.5 本章小结 612
参考文献 613
第8章 STC--薄面层黏结性能及设计理论 615
8.1 本章概述 615
8.2 薄面层 616
8.2.1 沥青薄面层 617
8.2.2 聚合物混凝土薄面层 617
8.3 黏结层 623
8.3.1 STC-沥青薄面层 623
8.3.2 STC-TPO 628
8.4 STC表面糙化处理 628
8.4.1 表面糙化 628
8.4.2 STC-沥青面层复合试件试验研究 629
8.4.3 STC-TPO复合试件试验研究 636
8.5 STC-沥青薄面层界面黏结性能 641
8.5.1 试件制备与试验 642
8.5.2 试验结果与分析 645
8.6 STC-TPO耐久性研究 648
8.6.1 环氧铺面材料耐老化研究现状 648
8.6.2 环境条件模拟 651
8.6.3 TPO水稳定性 652
8.6.4 TPO耐老化性能 653
8.6.5 STC-TPO层间水稳定性 660
8.6.6 STC-TPO层间耐老化性 662
8.7 STC-沥青面层新铺与重铺界面性能对比研究 668
8.7.1 国内外研究综述 669
8.7.2 剪切破坏能量分析 670
8.7.3 STC-新铺沥青面层界面性能 671
8.7.4 STC-重铺沥青面层界面性能 683
8.7.5 重铺与新铺薄面层界面性能比较 689
8.8 钢-STC-TPO组合板静力试验研究 692
8.8.1 试验模型的设计与制作 692
8.8.2 试验方案 694
8.8.3 试验结果与分析 695
8.9 钢-STC-TPO组合板弯拉疲劳性能试验研究 702
8.9.1 疲劳破坏标准 702
8.9.2 疲劳试验 703
8.9.3 疲劳试验结果与分析 704
8.9.4 组合板剩余弯拉强度 709
8.9.5 组合板剩余抗弯刚度 710
8.9.6 疲劳试验前后*大裂缝宽度 711
8.10 STC-薄面层设计与计算 713
8.10.1 结构设计指标与要求 713
8.10.2 STC-薄面层典型结构 715
8.10.3 STC-面层有限元分析 719
8.10.4 STC-面层结构强度分析 725
8.11 本章小结 728
参考文献 729
第9章 钢--STC轻型组合桥面设计施工方法 733
9.1 本章概述 733
9.2 材料 733
9.2.1 STC原材料 733
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钢-STC轻型组合桥面——设计原理与工程实例 节选
第1章 超高性能混凝土的基本性能及其在桥梁工程中的应用 1.1 超高性能混凝土的概念 超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)被认为是过去30年中*具创新的水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性。根据定义，UHPC一般是指抗压强度在120MPa 以上、具有超长耐久性的水泥基复合材料。目前世界上已有法国和中国颁布了UHPC材料或结构规范，澳大利亚、日本、美国、瑞士等国家则颁布了相关设计指南。UHPC的发展可以分为以下四个阶段。 (1)20世纪80年代以前，在这一阶段，受技术限制，只能通过一些特殊手段来提高混凝土的致密性和强度。当时主要通过真空拌合和高温养护，可获得抗压强度达510MPa 的混凝土[1]。虽然这种混凝土具有高抗压强度，但韧性很差，且制作过程的能耗较高，难以应用于实际工程。 (2)20世纪80年代，研发了MDF(micro-defect-free cement)[2;3]，这种材料由水泥和特制的聚合物组成。MDF的抗压强度可超过200MPa，但是由于原材料昂贵且制作过程复杂，MDF的工程应用极少。随后，丹麦学者Bache 研发成功DSP(densify system containing homogenously arranged ultrafine particles)[4;5]，这种材料中加入了超塑化剂和硅灰。DSP的抗压强度可以达到345MPa，但材料很脆，因此，往往通过掺入钢纤维来改善其韧性，衍生出两个典型的例子，即密实增强复合材料(compact reinforced composite，CRC)[5]和水泥砂浆注浆钢纤维混凝土(slurry infiltrated fiber concrete，SIFCON)[6]。这两种材料表现出优异的力学性能和耐久性，但施工和易性较差，因此工程应用同样不多。 (3)20世纪90年代，活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)被研发成功[7]，RPC 是以DSP为胶凝材料，配以较小粒径、间断级配的石英砂和钢纤维所组成。抗压强度可达200～800MPa，具有良好的施工和易性，便于在实际工程中应用。同年，法国Larrard 等[8]首次将基于DSP配制而成的混凝土材料统称为UHPC，此后这一概念被广泛采用。目前国际上报道的UHPC，通常就是RPC。1997年，世界上首座RPC 结构——位于加拿大的Sherbrooke 市的人行桥建成[9]。 (4)2000年以后，UHPC得到快速发展，性能不断改进，组分也不断优化。现在UHPC中往往加入粉煤灰等掺合料，可以代替一部分水泥，从而降低水泥用量。UHPC的价格也逐渐降低，应用越来越广泛。可以预见，在未来的土木工程领域，UHPC将具有更大的优势和更广阔的的应用空间。 1.2 超高性能混凝土的力学性能 1.2.1 抗压性能 1.2.1.1 概述 早在1993年[7]，法国学者Richard 等研发了RPC，这是一种*常见的UHPC。按照抗压强度划分，RPC 分为200MPa 和800MPa 两个等级(表1.1)，目前RPC的*高抗压强度达到了810MPa。 表1.1 RPC200和RPC800的主要特点和力学性能 研究表明[7]，UHPC的抗压强度不仅与材料组分有关，还与养护制度密切相关。当采用常温自然养护或蒸汽养护(一般为90℃)时，UHPC的抗压强度多为120～230MPa；当浇筑后预压成型并终凝后蒸压养护(一般为175～250)时，其抗压强度可达250～400MPa；当以钢砂作为细骨料，施以预压成型和高温热养护(250～400)时，其抗压强度可达650MPa 以上。 同样是水泥基复合材料，为什么普通混凝土的抗压强度仅约为20～50MPa，而UHPC的抗压强度可达120～230MPa，甚至是810MPa？这与UHPC的配制机理有关。在水泥基复合材料中，水泥基体和骨料间存在界面过渡区(interfacial transitionzone，ITZ)，成为受力的短板。普通混凝土中水胶比较高(0.4～0.7)，且粗骨料体积占比可达75％，使得ITZ 中孔隙率高、氢氧化钙(CH)含量高，受力时成为*薄弱的环节，导致抗压强度难以突破。而UHPC基于*大堆积密度配制，剔除了粗骨料，各组分间相互填充，且水胶比较低(一般为0.16～0.2)，降低了ITZ 中的孔隙尺寸和孔隙率；同时，所掺入的如硅灰等矿物掺合料可与CH 进行火山灰反应，形成水化硅酸钙(C-S-H)，使得ITZ 如同水泥基体一样致密。这些措施提高了材料的致密性(图1.1)，受力时具有更好的均一性，这也是UHPC具有高强度和高耐久性的根本原因。 图1.1 细观形貌对比 UHPC(左)、普通混凝土(右) 1.2.1.2 抗压强度的主要影响因素 1.材料组分 UHPC按*大堆积密度原理配制，主要由水泥、细骨料、硅灰、石英粉、减水剂、钢纤维和水等组成，材料组分对UHPC的抗压强度有显著影响。 1)细骨料 UHPC的抗压强度与细骨料的强度密切相关。因此，若要提高UHPC的抗压强度，必须选用高强细骨料。常规UHPC一般以细石英砂作为细骨料，此时UHPC的抗压强度多为120～230MPa。丹麦学者Bache 以煅烧的铝矾土或精选的玄武岩作为细骨料，配制出了抗压强度为140～400MPa 的UHPC；法国学者Richard 等以细钢砂作为细骨料，浇筑后采用预压成型，并终凝后进行250～400℃高温热养护，使得UHPC的抗压强度高达650～810MPa。 2)钢纤维 钢纤维对UHPC的抗压强度提高有限，但对其变形和破坏模式影响显著。不含钢纤维UHPC的受压破坏过程具有突然性，甚至呈爆炸性；而适量掺入钢纤维后，UHPC的破坏过程变得缓和，无严重的切口、剥离等脆性破坏现象。同时，含钢纤维UHPC的受压应力-应变曲线具有明显的下降段，伴随着短而细的裂缝，且裂缝不连贯，而引起这些效果的根本原因是钢纤维的桥接作用提高了UHPC的横向变形能力。 当UHPC钢纤维含量较低时，受压试件的裂缝主要呈竖向分布，且裂缝数量较少；当UHPC钢纤维含量较高时，裂缝主要沿对角斜向分布，且试件破坏时的应变更高。图1.2对比了不同钢纤维含量下UHPC受压破坏时的照片。 图1.2 UHPC的受压破坏形态 3)水胶比 水泥基复合材料一般通过水胶比来衡量用水量，这里的“胶”是指胶凝材料(包括水泥、硅灰和其他超细火山灰掺合料)。总体而言，水胶比越低，水泥基复合材料的抗压强度越高(图1.3)，原因是水泥基体-骨料界面过渡区的孔隙数量减少，提高了材料受力时的均一性。UHPC的水胶比一般为0.16～0.2，远低于普通混凝土(0.4～0.7)。由于组分级配合理，且水胶比低，UHPC内部孔隙细小且不连通，提高了材料的致密性，从而改善了其力学性能和耐久性[10]。 图1.3 不同水胶比下水泥基复合材料的抗压强度 由于水胶比低，即使达到强度后，UHPC中也有相当一部分的水泥未水化。研究表明，当水胶比为0.2时，约有74％的水泥未水化，这部分水泥充当填料，进一步提高了材料的致密度。在使用过程中，未水化的水泥会继续水化，使得UHPC的抗压强度持续增加。Toutlemonde 等[11]通过对世界首座UHPC公路桥(位于法国Bourg-Lμes-Valence 的OA4和OA6桥，修建于2000年)钻芯取样测试了UHPC的抗压强度，结果发现，UHPC在12年后的抗压强度比28天时的抗压强度增加了20％。无独有偶，Kono 等[12]基于日本首座UHPC桥——Sakata-Mirai 人行桥(修建于2002年)，对通过实桥钻芯获取的试件和建桥时同期制作的、置于实桥环境中的试件进行定期测试。试验结果表明，UHPC的抗压强度在10年间持续增长(图1.4)，同时，这些试件的氯离子扩散系数低于试验时在实验室准备的试件。 图1.4 UHPC在长期运营中的抗压强度增长现象 此外，由于UHPC未完全水化，开裂后这部分水泥可以继续水化，使得UHPC表现出良好的自愈合能力。 4)养护制度 UHPC的力学性能和耐久性均与养护制度密切相关。一般而言，UHPC有自然养护、蒸汽养护、蒸压养护和高温热养护等四种养护方法(图1.5)。从UHPC的抗压强度角度来看，这四种养护方法的效果依次为：高温热养护>蒸压养护>蒸汽养护>自然养护。 自然养护是指UHPC浇筑后置于自然环境中养护28天。在这种养护条件下，UHPC组分的反应活性较弱，强度发展缓慢，且水化反应和火山灰反应形成的C-S-H 链较短，但是当养护时间合理延长时，其抗压强度仍然可达200MPa。 图1.5 UHPC的四种养护方法示意 蒸汽养护是指UHPC浇筑完成并终凝后，以90℃的水蒸气(也可采用热水)进行养护，一般持续48h。蒸汽养护可以加速水泥的水化反应，使得强度迅速发展，并能够提高硅灰等掺合料的火山灰活性，产生额外的硅酸钙水化物，延长C-S-H 链的长度，以填充细微空隙，进一步提高力学性能。与自然养护相比，90℃蒸汽养护可将UHPC的抗压强度平均提高约20％～40％。研究还表明，蒸汽养护的开始时间对UHPC的抗压强度影响不大，利用这一特性，可以对不同时段浇筑的UHPC进行统一养护，以节约施工成本。此外，蒸汽养护还可以使收缩变形在养护期间基本完成，并显著降低徐变系数，从而改善UHPC的长期性能。 蒸压养护是指在UHPC终凝后以175～250℃的水蒸气进行养护，一般持续4～8h。这种养护方法可以让UHPC的抗压强度迅速发展，4～8h 内可达200MPa。同时，蒸压养护可提高水泥基体-钢纤维间的黏结强度，进一步改善UHPC的受力。但应该认识到，对于每一个蒸汽压力和温度，存在一个临界蒸压时间，蒸压时间过长，反而会使得UHPC的力学性能有所下降。 高温热养护是指在终凝后对UHPC进行250～400℃的高温养护，但不通入水蒸气，换言之，这种养护方式仅加温不保湿。当高温热养护温度超过250℃时，使得C-S-H脱水，形成一种新的晶体水化产物——硬硅钙石，有助于进一步提高UHPC的抗压强度。目前以高温热养护制备的UHPC的抗压强度*高。Richard等研发
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