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鋼-STC輕型組合橋面——設計原理與工程實例 版權信息
- ISBN：9787030680143
- 條形碼：9787030680143 ; 978-7-03-068014-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
鋼-STC輕型組合橋面——設計原理與工程實例 內容簡介
鋼-超高韌性混凝土（STC）輕型組合橋面是一種新的橋面體系，由正交異性鋼橋面+薄層STC+柔性鋪裝面層所組成，具有自重輕、抗疲勞能力強、維護費用低等優點。本書介紹了作者科研團隊在此領域所做的系統性原創成果及在大型橋梁工程中的應用。 本書可供橋梁工程專業的高年級本科生、研究生、教師，以及從事橋梁工程科研、設計、管理和施工的技術人員參考。
鋼-STC輕型組合橋面——設計原理與工程實例 目錄
目錄
序
前言
第1章 超高性能混凝土的基本性能及其在橋梁工程中的應用 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學性能 2
1.2.1 抗壓性能 2
1.2.2 抗拉性能 13
1.2.3 疲勞性能 54
1.2.4 收縮性能 71
1.2.5 徐變性能 82
1.3 超高性能混凝土的耐久性 89
1.3.1 抗凍性 89
1.3.2 抗碳化性能 94
1.3.3 抗滲性 96
1.4 超高性能混凝土在橋梁工程中的應用 101
1.4.1 超高性能混凝土應用概述 101
1.4.2 超高性能混凝土橋梁工程應用統計 101
1.5 本章小結 110
參考文獻 111
第2章 鋼-STC輕型組合橋面結構的研發背景及性能機理 118
2.1 本章概述 118
2.2 正交異性鋼橋面板的構造和受力特點 118
2.3 傳統鋼橋面典型病害問題及對策 119
2.3.1 病害問題概況 119
2.3.2 病害一：正交異性鋼橋面疲勞開裂 120
2.3.3 病害二：鋼橋面瀝青鋪裝層易損 124
2.4 常規對策：鋼橋面水泥混凝土鋪裝方案 129
2.4.1 鋼筋混凝土鋪裝 129
2.4.2 輕質混凝土鋪裝 130
2.4.3 密配筋高性能混凝土鋪裝 131
2.4.4 鋼纖維混凝土鋪裝 133
2.4.5 超高性能纖維增強混凝土鋪裝 134
2.5 鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面結構及其性能機理 135
2.5.1 輕型組合橋面結構形式 135
2.5.2 輕型組合橋面結構性能機理 136
2.6 本章小結 144
參考文獻 144
第3章 結合面多種抗剪連接件及設計理論 148
3.1 本章概述 148
3.2 短栓釘剪力鍵的抗剪性能及設計 148
3.2.1 短栓釘的抗剪靜力性能 148
3.2.2 短栓釘的抗剪疲勞性能 158
3.2.3 短栓釘設計計算實例 174
3.3 焊網剪力鍵的抗剪性能及設計 187
3.3.1 焊網剪力鍵研發目的 187
3.3.2 焊網剪力鍵的抗剪靜力性能 188
3.3.3 焊網剪力鍵的抗剪疲勞性能 201
3.3.4 焊網剪力鍵設計計算實例 208
3.4 短鋼筋頭剪力鍵的抗剪性能及設計 214
3.4.1 焊接短鋼筋頭剪力鍵的研發目的 214
3.4.2 焊接鋼筋頭的抗拉拔靜力性能 214
3.4.3 焊接鋼筋頭的抗剪靜力性能 225
3.4.4 焊接鋼筋頭的抗剪疲勞性能 233
3.4.5 焊接鋼筋頭剪力鍵設計計算實例 237
3.5 花紋鋼板的抗剪性能及設計 242
3.5.1 花紋鋼板抗剪性能研究目的 242
3.5.2 花紋鋼板的抗剪靜力性能試驗 242
3.5.3 花紋鋼板的抗剪靜力試驗結果及分析 248
3.5.4 花紋鋼板設計計算實例 252
3.6 本章小結 254
參考文獻 255
第4章 組合橋面抗彎靜力性能及設計理論 259
4.1 本章概述 259
4.2 鋼-STC輕型組合橋面結構橫橋向抗彎試驗及結果分析 259
4.2.1 試驗方案 259
4.2.2 試驗結果和分析 264
4.2.3 STC層名義開裂應力分析 276
4.2.4 試件承載力結果分析 281
4.3 鋼-STC輕型組合橋面結構縱橋向抗彎試驗及分析 286
4.3.1 試驗方案 286
4.3.2 試驗結果分析 290
4.3.3 主要設計參數對開裂應力的影響 298
4.4 輕型組合橋面結構STC層裂縫寬度計算方法 300
4.4.1 普通配筋混凝土的裂縫寬度計算理論及對比 300
4.4.2 配筋纖維混凝土的裂縫寬度計算方法及適用性驗證 303
4.4.3 配筋UHPC的裂縫寬度計算方法及適用性驗證 311
4.4.4 鋼-STC輕型組合橋面結構STC裂縫寬度計算公式 320
4.4.5 鋼-STC輕型組合橋面結構裂縫寬度計算理論適用性驗證 332
4.5 輕型組合橋面結構橫橋向抗彎足尺模型試驗 333
4.5.1 鋼-STC輕型組合橋面板足尺模型試驗 333
4.5.2 有限元模型建立 335
4.5.3 鋼-STC輕型組合橋面板橫向受力分析 336
4.6 輕型組合橋面結構高抗裂性能機理分析 342
4.6.1 研究目的 342
4.6.2 鋼-STC組合結構試驗介紹 343
4.6.3 有限元計算分析 346
4.6.4 計算結果與分析 348
4.7 本章小結 354
參考文獻 355
第5章 組合橋面疲勞性能及計算理論 358
5.1 本章概述 358
5.2 栓釘焊趾處鋼面板的疲勞性能及設計 358
5.2.1 研究現狀 358
5.2.2 計算思路 360
5.2.3 影響熱點應力集中因子的參數分析 361
5.2.4 基于熱點應力法的栓釘焊趾處鋼面板疲勞評估 373
5.3 基于疲勞評估的輕型組合橋面結構參數分析及試驗驗證 375
5.3.1 計算目的 375
5.3.2 鋼橋面疲勞驗算細節 376
5.3.3 鋼橋面疲勞驗算方法 376
5.3.4 鋼橋面疲勞有限元分析 376
5.3.5 參數分析及結果 380
5.3.6 輕型組合橋面結構橫橋向抗彎疲勞性能 384
5.4 輕型組合橋面結構縱肋構造優化研究 387
5.4.1 研究目的 387
5.4.2 縱肋優化形式一：球扁鋼開口肋 387
5.4.3 足尺模型靜力試驗 396
5.4.4 足尺模型疲勞試驗 425
5.4.5 縱肋優化形式二：板型開口肋 431
5.4.6 縱肋優化方案形式三：大U肋 449
5.5 本章小結 458
參考文獻 459
第6章 多種強化接縫及設計理論 461
6.1 本章概述 461
6.2 加密鋼筋濕接縫靜力彎曲受拉性能 461
6.2.1 方案構造 461
6.2.2 試驗模型設計與制作 461
6.2.3 試驗加載方案及測點布置 464
6.2.4 試驗結果與分析 466
6.2.5 鋼-STC加密鋼筋濕接縫抗裂計算方法 473
6.3 加強鋼板強化濕接縫靜力彎曲受拉性能 482
6.3.1 方案構造 482
6.3.2 試驗模型設計與制作 483
6.3.3 試驗加載方案及測點布置 485
6.3.4 試驗結果與分析 488
6.3.5 鋼-STC加強鋼板強化濕接縫靜力彎曲拉伸性能 494
6.4 企口接縫濕接縫靜力彎曲受拉性能 503
6.4.1 方案構造 503
6.4.2 試驗模型設計與制作 503
6.4.3 試驗加載方案及測點布置 505
6.4.4 試驗結果與分析 508
6.4.5 鋼-STC企口接縫靜力彎曲拉伸性能 511
6.5 異形鋼板濕接縫靜力彎曲受拉性能及接縫設置 518
6.5.1 方案構造 518
6.5.2 試驗模型設計與制作 519
6.5.3 試驗加載方案及測點布置 521
6.5.4 試驗結果與分析 523
6.5.5 鋼-STC異形鋼板濕接縫靜力彎曲拉伸性能 529
6.6 各典型濕接縫彎曲拉伸性能比較及接縫設置位置 535
6.6.1 各典型濕接縫彎曲拉伸性能比較 535
6.6.2 各典型濕接縫位置設置 537
6.7 本章小結 539
參考文獻 540
第7章 特殊構造性能及計算理論 542
7.1 本章概述 542
7.2 栓接鋼橋螺栓帶超高韌性混凝土強化構造 542
7.2.1 構造思路 542
7.2.2 試驗研究 542
7.2.3 有限元計算 549
7.2.4 礐石大橋橋面維修方案設計計算 551
7.3 鋼-混結合段構造 552
7.3.1 構造思路 552
7.3.2 鋼-混結合段節段模型計算 552
7.3.3 節段模型計算結果與分析 556
7.3.4 鋼-混結合段多尺度有限元模型計算 569
7.3.5 多尺度有限元模型計算結果與分析 570
7.3.6 實橋應用 593
7.4 高烈度區橋梁橋面連續抗震構造 594
7.4.1 構造思路 594
7.4.2 試驗研究 594
7.4.3 有限元計算分析 604
7.5 本章小結 612
參考文獻 613
第8章 STC--薄面層黏結性能及設計理論 615
8.1 本章概述 615
8.2 薄面層 616
8.2.1 瀝青薄面層 617
8.2.2 聚合物混凝土薄面層 617
8.3 黏結層 623
8.3.1 STC-瀝青薄面層 623
8.3.2 STC-TPO 628
8.4 STC表面糙化處理 628
8.4.1 表面糙化 628
8.4.2 STC-瀝青面層復合試件試驗研究 629
8.4.3 STC-TPO復合試件試驗研究 636
8.5 STC-瀝青薄面層界面黏結性能 641
8.5.1 試件制備與試驗 642
8.5.2 試驗結果與分析 645
8.6 STC-TPO耐久性研究 648
8.6.1 環氧鋪面材料耐老化研究現狀 648
8.6.2 環境條件模擬 651
8.6.3 TPO水穩定性 652
8.6.4 TPO耐老化性能 653
8.6.5 STC-TPO層間水穩定性 660
8.6.6 STC-TPO層間耐老化性 662
8.7 STC-瀝青面層新鋪與重鋪界面性能對比研究 668
8.7.1 國內外研究綜述 669
8.7.2 剪切破壞能量分析 670
8.7.3 STC-新鋪瀝青面層界面性能 671
8.7.4 STC-重鋪瀝青面層界面性能 683
8.7.5 重鋪與新鋪薄面層界面性能比較 689
8.8 鋼-STC-TPO組合板靜力試驗研究 692
8.8.1 試驗模型的設計與制作 692
8.8.2 試驗方案 694
8.8.3 試驗結果與分析 695
8.9 鋼-STC-TPO組合板彎拉疲勞性能試驗研究 702
8.9.1 疲勞破壞標準 702
8.9.2 疲勞試驗 703
8.9.3 疲勞試驗結果與分析 704
8.9.4 組合板剩余彎拉強度 709
8.9.5 組合板剩余抗彎剛度 710
8.9.6 疲勞試驗前后*大裂縫寬度 711
8.10 STC-薄面層設計與計算 713
8.10.1 結構設計指標與要求 713
8.10.2 STC-薄面層典型結構 715
8.10.3 STC-面層有限元分析 719
8.10.4 STC-面層結構強度分析 725
8.11 本章小結 728
參考文獻 729
第9章 鋼--STC輕型組合橋面設計施工方法 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橋梁工程中的應用 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學性能 2
1.2.1 抗壓性能 2
1.2.2 抗拉性能 13
1.2.3 疲勞性能 54
1.2.4 收縮性能 71
1.2.5 徐變性能 82
1.3 超高性能混凝土的耐久性 89
1.3.1 抗凍性 89
1.3.2 抗碳化性能 94
1.3.3 抗滲性 96
1.4 超高性能混凝土在橋梁工程中的應用 101
1.4.1 超高性能混凝土應用概述 101
1.4.2 超高性能混凝土橋梁工程應用統計 101
1.5 本章小結 110
參考文獻 111
第2章 鋼-STC輕型組合橋面結構的研發背景及性能機理 118
2.1 本章概述 118
2.2 正交異性鋼橋面板的構造和受力特點 118
2.3 傳統鋼橋面典型病害問題及對策 119
2.3.1 病害問題概況 119
2.3.2 病害一：正交異性鋼橋面疲勞開裂 120
2.3.3 病害二：鋼橋面瀝青鋪裝層易損 124
2.4 常規對策：鋼橋面水泥混凝土鋪裝方案 129
2.4.1 鋼筋混凝土鋪裝 129
2.4.2 輕質混凝土鋪裝 130
2.4.3 密配筋高性能混凝土鋪裝 131
2.4.4 鋼纖維混凝土鋪裝 133
2.4.5 超高性能纖維增強混凝土鋪裝 134
2.5 鋼-超高韌性混凝土輕型組合橋面結構及其性能機理 135
2.5.1 輕型組合橋面結構形式 135
2.5.2 輕型組合橋面結構性能機理 136
2.6 本章小結 144
參考文獻 144
第3章 結合面多種抗剪連接件及設計理論 148
3.1 本章概述 148
3.2 短栓釘剪力鍵的抗剪性能及設計 148
3.2.1 短栓釘的抗剪靜力性能 148
3.2.2 短栓釘的抗剪疲勞性能 158
3.2.3 短栓釘設計計算實例 174
3.3 焊網剪力鍵的抗剪性能及設計 187
3.3.1 焊網剪力鍵研發目的 187
3.3.2 焊網剪力鍵的抗剪靜力性能 188
3.3.3 焊網剪力鍵的抗剪疲勞性能 201
3.3.4 焊網剪力鍵設計計算實例 208
3.4 短鋼筋頭剪力鍵的抗剪性能及設計 214
3.4.1 焊接短鋼筋頭剪力鍵的研發目的 214
3.4.2 焊接鋼筋頭的抗拉拔靜力性能 214
3.4.3 焊接鋼筋頭的抗剪靜力性能 225
3.4.4 焊接鋼筋頭的抗剪疲勞性能 233
3.4.5 焊接鋼筋頭剪力鍵設計計算實例 237
3.5 花紋鋼板的抗剪性能及設計 242
3.5.1 花紋鋼板抗剪性能研究目的 242
3.5.2 花紋鋼板的抗剪靜力性能試驗 242
3.5.3 花紋鋼板的抗剪靜力試驗結果及分析 248
3.5.4 花紋鋼板設計計算實例 252
3.6 本章小結 254
參考文獻 255
第4章 組合橋面抗彎靜力性能及設計理論 259
4.1 本章概述 259
4.2 鋼-STC輕型組合橋面結構橫橋向抗彎試驗及結果分析 259
4.2.1 試驗方案 259
4.2.2 試驗結果和分析 264
4.2.3 STC層名義開裂應力分析 276
4.2.4 試件承載力結果分析 281
4.3 鋼-STC輕型組合橋面結構縱橋向抗彎試驗及分析 286
4.3.1 試驗方案 286
4.3.2 試驗結果分析 290
4.3.3 主要設計參數對開裂應力的影響 298
4.4 輕型組合橋面結構STC層裂縫寬度計算方法 300
4.4.1 普通配筋混凝土的裂縫寬度計算理論及對比 300
4.4.2 配筋纖維混凝土的裂縫寬度計算方法及適用性驗證 303
4.4.3 配筋UHPC的裂縫寬度計算方法及適用性驗證 311
4.4.4 鋼-STC輕型組合橋面結構STC裂縫寬度計算公式 320
4.4.5 鋼-STC輕型組合橋面結構裂縫寬度計算理論適用性驗證 332
4.5 輕型組合橋面結構橫橋向抗彎足尺模型試驗 333
4.5.1 鋼-STC輕型組合橋面板足尺模型試驗 333
4.5.2 有限元模型建立 335
4.5.3 鋼-STC輕型組合橋面板橫向受力分析 336
4.6 輕型組合橋面結構高抗裂性能機理分析 342
4.6.1 研究目的 342
4.6.2 鋼-STC組合結構試驗介紹 343
4.6.3 有限元計算分析 346
4.6.4 計算結果與分析 348
4.7 本章小結 354
參考文獻 355
第5章 組合橋面疲勞性能及計算理論 358
5.1 本章概述 358
5.2 栓釘焊趾處鋼面板的疲勞性能及設計 358
5.2.1 研究現狀 358
5.2.2 計算思路 360
5.2.3 影響熱點應力集中因子的參數分析 361
5.2.4 基于熱點應力法的栓釘焊趾處鋼面板疲勞評估 373
5.3 基于疲勞評估的輕型組合橋面結構參數分析及試驗驗證 375
5.3.1 計算目的 375
5.3.2 鋼橋面疲勞驗算細節 376
5.3.3 鋼橋面疲勞驗算方法 376
5.3.4 鋼橋面疲勞有限元分析 376
5.3.5 參數分析及結果 380
5.3.6 輕型組合橋面結構橫橋向抗彎疲勞性能 384
5.4 輕型組合橋面結構縱肋構造優化研究 387
5.4.1 研究目的 387
5.4.2 縱肋優化形式一：球扁鋼開口肋 387
5.4.3 足尺模型靜力試驗 396
5.4.4 足尺模型疲勞試驗 425
5.4.5 縱肋優化形式二：板型開口肋 431
5.4.6 縱肋優化方案形式三：大U肋 449
5.5 本章小結 458
參考文獻 459
第6章 多種強化接縫及設計理論 461
6.1 本章概述 461
6.2 加密鋼筋濕接縫靜力彎曲受拉性能 461
6.2.1 方案構造 461
6.2.2 試驗模型設計與制作 461
6.2.3 試驗加載方案及測點布置 464
6.2.4 試驗結果與分析 466
6.2.5 鋼-STC加密鋼筋濕接縫抗裂計算方法 473
6.3 加強鋼板強化濕接縫靜力彎曲受拉性能 482
6.3.1 方案構造 482
6.3.2 試驗模型設計與制作 483
6.3.3 試驗加載方案及測點布置 485
6.3.4 試驗結果與分析 488
6.3.5 鋼-STC加強鋼板強化濕接縫靜力彎曲拉伸性能 494
6.4 企口接縫濕接縫靜力彎曲受拉性能 503
6.4.1 方案構造 503
6.4.2 試驗模型設計與制作 503
6.4.3 試驗加載方案及測點布置 505
6.4.4 試驗結果與分析 508
6.4.5 鋼-STC企口接縫靜力彎曲拉伸性能 511
6.5 異形鋼板濕接縫靜力彎曲受拉性能及接縫設置 518
6.5.1 方案構造 518
6.5.2 試驗模型設計與制作 519
6.5.3 試驗加載方案及測點布置 521
6.5.4 試驗結果與分析 523
6.5.5 鋼-STC異形鋼板濕接縫靜力彎曲拉伸性能 529
6.6 各典型濕接縫彎曲拉伸性能比較及接縫設置位置 535
6.6.1 各典型濕接縫彎曲拉伸性能比較 535
6.6.2 各典型濕接縫位置設置 537
6.7 本章小結 539
參考文獻 540
第7章 特殊構造性能及計算理論 542
7.1 本章概述 542
7.2 栓接鋼橋螺栓帶超高韌性混凝土強化構造 542
7.2.1 構造思路 542
7.2.2 試驗研究 542
7.2.3 有限元計算 549
7.2.4 礐石大橋橋面維修方案設計計算 551
7.3 鋼-混結合段構造 552
7.3.1 構造思路 552
7.3.2 鋼-混結合段節段模型計算 552
7.3.3 節段模型計算結果與分析 556
7.3.4 鋼-混結合段多尺度有限元模型計算 569
7.3.5 多尺度有限元模型計算結果與分析 570
7.3.6 實橋應用 593
7.4 高烈度區橋梁橋面連續抗震構造 594
7.4.1 構造思路 594
7.4.2 試驗研究 594
7.4.3 有限元計算分析 604
7.5 本章小結 612
參考文獻 613
第8章 STC--薄面層黏結性能及設計理論 615
8.1 本章概述 615
8.2 薄面層 616
8.2.1 瀝青薄面層 617
8.2.2 聚合物混凝土薄面層 617
8.3 黏結層 623
8.3.1 STC-瀝青薄面層 623
8.3.2 STC-TPO 628
8.4 STC表面糙化處理 628
8.4.1 表面糙化 628
8.4.2 STC-瀝青面層復合試件試驗研究 629
8.4.3 STC-TPO復合試件試驗研究 636
8.5 STC-瀝青薄面層界面黏結性能 641
8.5.1 試件制備與試驗 642
8.5.2 試驗結果與分析 645
8.6 STC-TPO耐久性研究 648
8.6.1 環氧鋪面材料耐老化研究現狀 648
8.6.2 環境條件模擬 651
8.6.3 TPO水穩定性 652
8.6.4 TPO耐老化性能 653
8.6.5 STC-TPO層間水穩定性 660
8.6.6 STC-TPO層間耐老化性 662
8.7 STC-瀝青面層新鋪與重鋪界面性能對比研究 668
8.7.1 國內外研究綜述 669
8.7.2 剪切破壞能量分析 670
8.7.3 STC-新鋪瀝青面層界面性能 671
8.7.4 STC-重鋪瀝青面層界面性能 683
8.7.5 重鋪與新鋪薄面層界面性能比較 689
8.8 鋼-STC-TPO組合板靜力試驗研究 692
8.8.1 試驗模型的設計與制作 692
8.8.2 試驗方案 694
8.8.3 試驗結果與分析 695
8.9 鋼-STC-TPO組合板彎拉疲勞性能試驗研究 702
8.9.1 疲勞破壞標準 702
8.9.2 疲勞試驗 703
8.9.3 疲勞試驗結果與分析 704
8.9.4 組合板剩余彎拉強度 709
8.9.5 組合板剩余抗彎剛度 710
8.9.6 疲勞試驗前后*大裂縫寬度 711
8.10 STC-薄面層設計與計算 713
8.10.1 結構設計指標與要求 713
8.10.2 STC-薄面層典型結構 715
8.10.3 STC-面層有限元分析 719
8.10.4 STC-面層結構強度分析 725
8.11 本章小結 728
參考文獻 729
第9章 鋼--STC輕型組合橋面設計施工方法 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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鋼-STC輕型組合橋面——設計原理與工程實例 節選
第1章 超高性能混凝土的基本性能及其在橋梁工程中的應用 1.1 超高性能混凝土的概念 超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)被認為是過去30年中*具創新的水泥基復合材料，具有優異的力學性能和耐久性。根據定義，UHPC一般是指抗壓強度在120MPa 以上、具有超長耐久性的水泥基復合材料。目前世界上已有法國和中國頒布了UHPC材料或結構規范，澳大利亞、日本、美國、瑞士等國家則頒布了相關設計指南。UHPC的發展可以分為以下四個階段。 (1)20世紀80年代以前，在這一階段，受技術限制，只能通過一些特殊手段來提高混凝土的致密性和強度。當時主要通過真空拌合和高溫養護，可獲得抗壓強度達510MPa 的混凝土[1]。雖然這種混凝土具有高抗壓強度，但韌性很差，且制作過程的能耗較高，難以應用于實際工程。 (2)20世紀80年代，研發了MDF(micro-defect-free cement)[2;3]，這種材料由水泥和特制的聚合物組成。MDF的抗壓強度可超過200MPa，但是由于原材料昂貴且制作過程復雜，MDF的工程應用極少。隨后，丹麥學者Bache 研發成功DSP(densify system containing homogenously arranged ultrafine particles)[4;5]，這種材料中加入了超塑化劑和硅灰。DSP的抗壓強度可以達到345MPa，但材料很脆，因此，往往通過摻入鋼纖維來改善其韌性，衍生出兩個典型的例子，即密實增強復合材料(compact reinforced composite，CRC)[5]和水泥砂漿注漿鋼纖維混凝土(slurry infiltrated fiber concrete，SIFCON)[6]。這兩種材料表現出優異的力學性能和耐久性，但施工和易性較差，因此工程應用同樣不多。 (3)20世紀90年代，活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)被研發成功[7]，RPC 是以DSP為膠凝材料，配以較小粒徑、間斷級配的石英砂和鋼纖維所組成？箟簭姸瓤蛇_200～800MPa，具有良好的施工和易性，便于在實際工程中應用。同年，法國Larrard 等[8]首次將基于DSP配制而成的混凝土材料統稱為UHPC，此后這一概念被廣泛采用。目前國際上報道的UHPC，通常就是RPC。1997年，世界上首座RPC 結構——位于加拿大的Sherbrooke 市的人行橋建成[9]。 (4)2000年以后，UHPC得到快速發展，性能不斷改進，組分也不斷優化，F在UHPC中往往加入粉煤灰等摻合料，可以代替一部分水泥，從而降低水泥用量。UHPC的價格也逐漸降低，應用越來越廣泛？梢灶A見，在未來的土木工程領域，UHPC將具有更大的優勢和更廣闊的的應用空間。 1.2 超高性能混凝土的力學性能 1.2.1 抗壓性能 1.2.1.1 概述 早在1993年[7]，法國學者Richard 等研發了RPC，這是一種*常見的UHPC。按照抗壓強度劃分，RPC 分為200MPa 和800MPa 兩個等級(表1.1)，目前RPC的*高抗壓強度達到了810MPa。 表1.1 RPC200和RPC800的主要特點和力學性能 研究表明[7]，UHPC的抗壓強度不僅與材料組分有關，還與養護制度密切相關。當采用常溫自然養護或蒸汽養護(一般為90℃)時，UHPC的抗壓強度多為120～230MPa；當澆筑后預壓成型并終凝后蒸壓養護(一般為175～250)時，其抗壓強度可達250～400MPa；當以鋼砂作為細骨料，施以預壓成型和高溫熱養護(250～400)時，其抗壓強度可達650MPa 以上。 同樣是水泥基復合材料，為什么普通混凝土的抗壓強度僅約為20～50MPa，而UHPC的抗壓強度可達120～230MPa，甚至是810MPa？這與UHPC的配制機理有關。在水泥基復合材料中，水泥基體和骨料間存在界面過渡區(interfacial transitionzone，ITZ)，成為受力的短板。普通混凝土中水膠比較高(0.4～0.7)，且粗骨料體積占比可達75％，使得ITZ 中孔隙率高、氫氧化鈣(CH)含量高，受力時成為*薄弱的環節，導致抗壓強度難以突破。而UHPC基于*大堆積密度配制，剔除了粗骨料，各組分間相互填充，且水膠比較低(一般為0.16～0.2)，降低了ITZ 中的孔隙尺寸和孔隙率；同時，所摻入的如硅灰等礦物摻合料可與CH 進行火山灰反應，形成水化硅酸鈣(C-S-H)，使得ITZ 如同水泥基體一樣致密。這些措施提高了材料的致密性(圖1.1)，受力時具有更好的均一性，這也是UHPC具有高強度和高耐久性的根本原因。 圖1.1 細觀形貌對比 UHPC(左)、普通混凝土(右) 1.2.1.2 抗壓強度的主要影響因素 1.材料組分 UHPC按*大堆積密度原理配制，主要由水泥、細骨料、硅灰、石英粉、減水劑、鋼纖維和水等組成，材料組分對UHPC的抗壓強度有顯著影響。 1)細骨料 UHPC的抗壓強度與細骨料的強度密切相關。因此，若要提高UHPC的抗壓強度，必須選用高強細骨料。常規UHPC一般以細石英砂作為細骨料，此時UHPC的抗壓強度多為120～230MPa。丹麥學者Bache 以煅燒的鋁礬土或精選的玄武巖作為細骨料，配制出了抗壓強度為140～400MPa 的UHPC；法國學者Richard 等以細鋼砂作為細骨料，澆筑后采用預壓成型，并終凝后進行250～400℃高溫熱養護，使得UHPC的抗壓強度高達650～810MPa。 2)鋼纖維 鋼纖維對UHPC的抗壓強度提高有限，但對其變形和破壞模式影響顯著。不含鋼纖維UHPC的受壓破壞過程具有突然性，甚至呈爆炸性；而適量摻入鋼纖維后，UHPC的破壞過程變得緩和，無嚴重的切口、剝離等脆性破壞現象。同時，含鋼纖維UHPC的受壓應力-應變曲線具有明顯的下降段，伴隨著短而細的裂縫，且裂縫不連貫，而引起這些效果的根本原因是鋼纖維的橋接作用提高了UHPC的橫向變形能力。 當UHPC鋼纖維含量較低時，受壓試件的裂縫主要呈豎向分布，且裂縫數量較少；當UHPC鋼纖維含量較高時，裂縫主要沿對角斜向分布，且試件破壞時的應變更高。圖1.2對比了不同鋼纖維含量下UHPC受壓破壞時的照片。 圖1.2 UHPC的受壓破壞形態 3)水膠比 水泥基復合材料一般通過水膠比來衡量用水量，這里的“膠”是指膠凝材料(包括水泥、硅灰和其他超細火山灰摻合料)。總體而言，水膠比越低，水泥基復合材料的抗壓強度越高(圖1.3)，原因是水泥基體-骨料界面過渡區的孔隙數量減少，提高了材料受力時的均一性。UHPC的水膠比一般為0.16～0.2，遠低于普通混凝土(0.4～0.7)。由于組分級配合理，且水膠比低，UHPC內部孔隙細小且不連通，提高了材料的致密性，從而改善了其力學性能和耐久性[10]。 圖1.3 不同水膠比下水泥基復合材料的抗壓強度 由于水膠比低，即使達到強度后，UHPC中也有相當一部分的水泥未水化。研究表明，當水膠比為0.2時，約有74％的水泥未水化，這部分水泥充當填料，進一步提高了材料的致密度。在使用過程中，未水化的水泥會繼續水化，使得UHPC的抗壓強度持續增加。Toutlemonde 等[11]通過對世界首座UHPC公路橋(位于法國Bourg-Lμes-Valence 的OA4和OA6橋，修建于2000年)鉆芯取樣測試了UHPC的抗壓強度，結果發現，UHPC在12年后的抗壓強度比28天時的抗壓強度增加了20％。無獨有偶，Kono 等[12]基于日本首座UHPC橋——Sakata-Mirai 人行橋(修建于2002年)，對通過實橋鉆芯獲取的試件和建橋時同期制作的、置于實橋環境中的試件進行定期測試。試驗結果表明，UHPC的抗壓強度在10年間持續增長(圖1.4)，同時，這些試件的氯離子擴散系數低于試驗時在實驗室準備的試件。 圖1.4 UHPC在長期運營中的抗壓強度增長現象 此外，由于UHPC未完全水化，開裂后這部分水泥可以繼續水化，使得UHPC表現出良好的自愈合能力。 4)養護制度 UHPC的力學性能和耐久性均與養護制度密切相關。一般而言，UHPC有自然養護、蒸汽養護、蒸壓養護和高溫熱養護等四種養護方法(圖1.5)。從UHPC的抗壓強度角度來看，這四種養護方法的效果依次為：高溫熱養護>蒸壓養護>蒸汽養護>自然養護。 自然養護是指UHPC澆筑后置于自然環境中養護28天。在這種養護條件下，UHPC組分的反應活性較弱，強度發展緩慢，且水化反應和火山灰反應形成的C-S-H 鏈較短，但是當養護時間合理延長時，其抗壓強度仍然可達200MPa。 圖1.5 UHPC的四種養護方法示意 蒸汽養護是指UHPC澆筑完成并終凝后，以90℃的水蒸氣(也可采用熱水)進行養護，一般持續48h。蒸汽養護可以加速水泥的水化反應，使得強度迅速發展，并能夠提高硅灰等摻合料的火山灰活性，產生額外的硅酸鈣水化物，延長C-S-H 鏈的長度，以填充細微空隙，進一步提高力學性能。與自然養護相比，90℃蒸汽養護可將UHPC的抗壓強度平均提高約20％～40％。研究還表明，蒸汽養護的開始時間對UHPC的抗壓強度影響不大，利用這一特性，可以對不同時段澆筑的UHPC進行統一養護，以節約施工成本。此外，蒸汽養護還可以使收縮變形在養護期間基本完成，并顯著降低徐變系數，從而改善UHPC的長期性能。 蒸壓養護是指在UHPC終凝后以175～250℃的水蒸氣進行養護，一般持續4～8h。這種養護方法可以讓UHPC的抗壓強度迅速發展，4～8h 內可達200MPa。同時，蒸壓養護可提高水泥基體-鋼纖維間的黏結強度，進一步改善UHPC的受力。但應該認識到，對于每一個蒸汽壓力和溫度，存在一個臨界蒸壓時間，蒸壓時間過長，反而會使得UHPC的力學性能有所下降。 高溫熱養護是指在終凝后對UHPC進行250～400℃的高溫養護，但不通入水蒸氣，換言之，這種養護方式僅加溫不保濕。當高溫熱養護溫度超過250℃時，使得C-S-H脫水，形成一種新的晶體水化產物——硬硅鈣石，有助于進一步提高UHPC的抗壓強度。目前以高溫熱養護制備的UHPC的抗壓強度*高。Richard等研發
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