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泡沫混凝土材料特性與工程應(yīng)用 版權(quán)信息
- ISBN：9787030704467
- 條形碼：9787030704467 ; 978-7-03-070446-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>>
泡沫混凝土材料特性與工程應(yīng)用 本書(shū)特色
適讀人群 ：高等院校和科研院所相關(guān)專業(yè)研究生，也可為泡沫混凝土的相關(guān)研究提供一定的參考。本書(shū)針對(duì)泡沫混凝土材料展開(kāi)相關(guān)的材料性能和工程應(yīng)用研究，探究不同密度下的泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物，分析了微觀結(jié)構(gòu)理論下的強(qiáng)度、應(yīng)變率、斷裂性能等特征。
泡沫混凝土材料特性與工程應(yīng)用 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)針對(duì)泡沫混凝土材料展開(kāi)相關(guān)的材料性能和工程應(yīng)用研究，探究不同密度下的泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物，分析了微觀結(jié)構(gòu)理論下的強(qiáng)度、應(yīng)變率、斷裂性能等特征。同時(shí)應(yīng)用有限元工具進(jìn)行泡沫混凝土軸壓和斷裂過(guò)程模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，充分證明了有限元能夠成為模擬材料受力性能的有力工具。本書(shū)對(duì)泡沫混凝土應(yīng)用于高陡路堤、預(yù)壓換填等工程中的施工工藝和工后沉降變形進(jìn)行觀測(cè)和有限元分析，可實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土應(yīng)用的精細(xì)設(shè)計(jì)。 本書(shū)可作為高等院校和科研院所相關(guān)專業(yè)研究生的學(xué)習(xí)用書(shū)，也可為泡沫混凝土的相關(guān)研究提供一定的參考。
泡沫混凝土材料特性與工程應(yīng)用 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 泡沫混凝土性能概述 1
1.2 公路隧道工程中的新應(yīng)用 2
1.3 礦井管道工程中的新應(yīng)用 5
1.4 本書(shū)主要內(nèi)容 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 泡沫混凝土性能綜述 13
2.1 組成材料及制備方法 14
2.2 泡沫混凝土的物理性能 19
2.3 新拌泡沫混凝土的特性 23
2.4 泡沫混凝土的力學(xué)性能 25
2.5 泡沫混凝土的耐久性 29
2.6 泡沫混凝土的功能特性 31
2.7 本章小結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
第3章 基于微觀結(jié)構(gòu)分析的泡沫混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究 43
3.1 泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析 43
3.2 高溫作用后泡沫混凝土結(jié)構(gòu)及性能試驗(yàn)研究 52
3.3 基于DIC與FEM的泡沫混凝土基本力學(xué)特性研究 67
參考文獻(xiàn) 79
第4章 泡沫混凝土試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究 81
4.1 泡沫混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與離散元數(shù)值模擬研究 81
4.2 泡沫混凝土三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)與擴(kuò)展有限元數(shù)值模擬研究 100
4.3 本章小結(jié) 115
參考文獻(xiàn) 116
第5章 高陡地形高性能泡沫混凝土輕質(zhì)路堤成套技術(shù)研究與應(yīng)用 119
5.1 高陡地形高性能泡沫混凝土抗滑輕質(zhì)路堤施工技術(shù) 119
5.2 高陡地形滑坡處置高性能泡沫混凝土輕質(zhì)路堤施工技術(shù) 124
5.3 高陡地形無(wú)錐坡橋頭輕質(zhì)路堤施工技術(shù) 127
參考文獻(xiàn) 130
第6章 高性能泡沫混凝土高陡路堤沉降規(guī)律分析 131
6.1 測(cè)點(diǎn)布置 131
6.2 施工階段沉降觀測(cè)分析 132
6.3 工后沉降觀測(cè)及分析 134
6.4 有限元模型的建立 135
6.5 路堤變形模擬分析 139
6.6 路堤邊坡穩(wěn)定性分析 146
6.7 臺(tái)背填筑沉降變形模擬 150
6.8 本章小結(jié) 152
參考文獻(xiàn) 152
第7章 預(yù)壓換填泡沫混凝土在橋路過(guò)渡段平順過(guò)渡技術(shù)應(yīng)用 154
7.1 橋路過(guò)渡段泡沫混凝土設(shè)計(jì)與施工研究 154
7.2 橋路過(guò)渡段泡沫混凝土參數(shù)敏感性的數(shù)值模擬研究 155
7.3 工程應(yīng)用研究 161
7.4 本章小結(jié) 171
參考文獻(xiàn) 171
前言
第1章 緒論 1
1.1 泡沫混凝土性能概述 1
1.2 公路隧道工程中的新應(yīng)用 2
1.3 礦井管道工程中的新應(yīng)用 5
1.4 本書(shū)主要內(nèi)容 7
參考文獻(xiàn) 8
第2章 泡沫混凝土性能綜述 13
2.1 組成材料及制備方法 14
2.2 泡沫混凝土的物理性能 19
2.3 新拌泡沫混凝土的特性 23
2.4 泡沫混凝土的力學(xué)性能 25
2.5 泡沫混凝土的耐久性 29
2.6 泡沫混凝土的功能特性 31
2.7 本章小結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
第3章 基于微觀結(jié)構(gòu)分析的泡沫混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究 43
3.1 泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析 43
3.2 高溫作用后泡沫混凝土結(jié)構(gòu)及性能試驗(yàn)研究 52
3.3 基于DIC與FEM的泡沫混凝土基本力學(xué)特性研究 67
參考文獻(xiàn) 79
第4章 泡沫混凝土試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究 81
4.1 泡沫混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)與離散元數(shù)值模擬研究 81
4.2 泡沫混凝土三點(diǎn)彎斷裂試驗(yàn)與擴(kuò)展有限元數(shù)值模擬研究 100
4.3 本章小結(jié) 115
參考文獻(xiàn) 116
第5章 高陡地形高性能泡沫混凝土輕質(zhì)路堤成套技術(shù)研究與應(yīng)用 119
5.1 高陡地形高性能泡沫混凝土抗滑輕質(zhì)路堤施工技術(shù) 119
5.2 高陡地形滑坡處置高性能泡沫混凝土輕質(zhì)路堤施工技術(shù) 124
5.3 高陡地形無(wú)錐坡橋頭輕質(zhì)路堤施工技術(shù) 127
參考文獻(xiàn) 130
第6章 高性能泡沫混凝土高陡路堤沉降規(guī)律分析 131
6.1 測(cè)點(diǎn)布置 131
6.2 施工階段沉降觀測(cè)分析 132
6.3 工后沉降觀測(cè)及分析 134
6.4 有限元模型的建立 135
6.5 路堤變形模擬分析 139
6.6 路堤邊坡穩(wěn)定性分析 146
6.7 臺(tái)背填筑沉降變形模擬 150
6.8 本章小結(jié) 152
參考文獻(xiàn) 152
第7章 預(yù)壓換填泡沫混凝土在橋路過(guò)渡段平順過(guò)渡技術(shù)應(yīng)用 154
7.1 橋路過(guò)渡段泡沫混凝土設(shè)計(jì)與施工研究 154
7.2 橋路過(guò)渡段泡沫混凝土參數(shù)敏感性的數(shù)值模擬研究 155
7.3 工程應(yīng)用研究 161
7.4 本章小結(jié) 171
參考文獻(xiàn) 171
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泡沫混凝土材料特性與工程應(yīng)用 節(jié)選
第1章 緒 論 1.1 泡沫混凝土性能概述 泡沫混凝土（foamed concrete，F(xiàn)C）被認(rèn)為是解決隧道和地下工程問(wèn)題的新興可持續(xù)的解決方案。與普通混凝土（ordinary concrete，OC）相比，泡沫混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)性能，如表1-1所示。它有望部分或全部取代地下工程中的傳統(tǒng)混凝土，具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。 表1-1 普通混凝土和泡沫混凝土的性能比較[1-20] 1）性能優(yōu)良 泡沫混凝土廣泛的性能變化適用于多種工況。低密度的特征（通常為300～1800kg/m3）有助于減少恒載，而自立性能保證其不會(huì)產(chǎn)生橫向荷載[21-23]，在邊坡、隧道工程中有很大的優(yōu)勢(shì)。泡沫混凝土中含有大量封閉的小孔隙，與普通混凝土相比，具有優(yōu)異的耐火性[24]、隔熱性和隔聲性[25-27]，如密度為300～1200kg/m3的泡沫混凝土通常具有0.08～0.3W/(m?K)的導(dǎo)熱系數(shù)[7， 28-30]，是性能穩(wěn)定耐久的建筑保溫隔熱材料。由于質(zhì)量輕，彈性模量低，泡沫混凝土結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下能有效吸收和擴(kuò)散沖擊能量，表現(xiàn)出良好的抗震性能。綜上所述，低自重、低橫向荷載、保溫隔熱、抗震性能好等特征促使泡沫混凝土在隧道、邊坡、建筑等工程中廣泛應(yīng)用。 2）環(huán)境友好 利用粉煤灰、再生玻璃等再生廢棄物生產(chǎn)泡沫混凝土，可以減少固體廢物污染[31， 32]。在保證泡沫混凝土強(qiáng)度的前提下，大量工業(yè)廢料可作為摻合料使用[33-35]。泡沫混凝土所需的發(fā)泡劑是具有相當(dāng)生物降解性的近中性表面活性劑，通常不含苯和甲醛，對(duì)土壤、水和空氣的不利影響很小[3， 36-38]，從而能夠*大限度地減少施工階段泡沫混凝土材料對(duì)自然環(huán)境的破壞。 3）節(jié)約施工成本 在理論垂直高度為200m，水平距離為600m的范圍內(nèi)，通過(guò)配備泡沫攪拌器、動(dòng)力泵和輸送管道，在200～300m3/d的負(fù)荷下，即可實(shí)現(xiàn)泡沫混凝土的泵送[39]。泡沫混凝土的高流動(dòng)性可以產(chǎn)生相當(dāng)大的泵送能力，對(duì)泵功率的要求較低，而大批量生產(chǎn)和澆筑連續(xù)作業(yè)，可顯著提高工作效率。良好的流動(dòng)性和自流平性意味著使用管道泵送時(shí)對(duì)能耗和人力移動(dòng)的要求較低[40]，尤其是在大體積混凝土中。因此，泡沫混凝土應(yīng)用中，合理的配合比、快速的設(shè)備安裝和后期維護(hù)成本低等因素均可降低施工總體成本。 本書(shū)成果的應(yīng)用不僅可以提高我國(guó)泡沫混凝土在公路橋隧工程中的設(shè)計(jì)及施工水平，而且可以減少施工后的養(yǎng)護(hù)投資和工作量，使我國(guó)公路建設(shè)投資發(fā)揮盡可能大的效用。 1.2 公路隧道工程中的新應(yīng)用 1.2.1 保溫材料 近年來(lái)，寒冷地區(qū)隧道的保溫措施主要有電伴熱、保溫門和防凍保溫層（即內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的保溫材料）[41-43]。然而，電伴熱需要大量的能源來(lái)保證熱效率，不能滿足國(guó)家節(jié)能環(huán)保的要求。保溫門不適用于交通量大的隧道，不間斷的開(kāi)閉會(huì)造成較大的熱損失[44， 45]。因此，將泡沫混凝土同時(shí)作為內(nèi)襯結(jié)構(gòu)和保溫材料，可簡(jiǎn)化施工工藝，降低材料投資。 Yuan[46]報(bào)道了我國(guó)高寒地區(qū)某隧道采用泡沫混凝土作為保溫材料的案例研究，該隧道洞口每年凍結(jié)時(shí)間達(dá)8個(gè)月，*低溫度為?27.7℃。表1-2給出了文獻(xiàn)中使用的泡沫混凝土配合比。與有絕緣層的情況相比，無(wú)絕緣層測(cè)量位置的溫度變化顯著，兩種工況下的溫度變化和*低溫度分別為4.5℃、2℃和1℃、3℃。凍融循環(huán)對(duì)泡沫混凝土性能影響的研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步提高和優(yōu)化泡沫混凝土作為絕緣材料的耐久性[47， 48]。 表1-2 隧道防凍層泡沫混凝土配合比（體積比）[46] 1.2.2 抗震層 為了在施工期間轉(zhuǎn)移部分巖體壓力，避免襯砌在地震作用下破壞，一般在襯砌與圍巖之間設(shè)置抗震層[49-51]。泡沫混凝土具有較大的承載力和變形能力，是隧道工程理想的抗震材料。如表1-3所示，Zhao等[52]開(kāi)發(fā)了一種新型泡沫混凝土抗震材料。應(yīng)用結(jié)果表明，采用新型泡沫混凝土材料可以顯著降低隧道襯砌的應(yīng)力和塑性區(qū)。同時(shí)，Huang等[53]進(jìn)行了調(diào)查，通過(guò)耐久性試驗(yàn)表明泡沫混凝土作為抗震材料耐久性能優(yōu)于橡膠。 表1-3 抗震層泡沫混凝土配合比[52]（單位：kg/m3） 1.2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 二次襯砌完成后，尤其是深埋隧道中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件將繼續(xù)發(fā)生徐變變形，容易引起結(jié)構(gòu)損傷或破壞。而單純?cè)黾佣我r砌厚度不能完全控制巖體的徐變變形。泡沫混凝土構(gòu)件用于一次支護(hù)與二次襯砌之間的預(yù)留變形，可承受變形壓力，泡沫混凝土的高壓縮性和高延性有助于消除大變形時(shí)的整體損傷或破壞。鐵峰山二號(hào)隧道襯砌系統(tǒng)采用抗壓強(qiáng)度為0.4～0.7MPa、孔隙率為68%、密度為800kg/m3的泡沫混凝土來(lái)抵抗膏鹽引起的膨脹壓力[54]。自2005年9月成功實(shí)施以來(lái)，隧道運(yùn)行良好，未發(fā)生任何損壞。 Wang等[55]研究了泡沫混凝土襯砌構(gòu)件的長(zhǎng)期性能響應(yīng)，并與普通大跨度軟巖隧道進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)100年的徐變，拱頂沉降和水平收斂分別減小了61%和45%，二次襯砌塑性區(qū)明顯減小。Wu等[56]開(kāi)發(fā)了一種與新型泡沫混凝土相結(jié)合的特殊屈服支撐系統(tǒng)。新開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)嵌在一次支護(hù)和二次襯砌之間，與剛性支護(hù)系統(tǒng)相比，由于墊層效應(yīng)，二次襯砌頂板和兩側(cè)的塑性區(qū)變形得到明顯改善和減小。 1.2.4 回填與加固 表1-4總結(jié)了泡沫混凝土作為公路隧道選擇性填料的實(shí)際應(yīng)用，主要包括空間或空腔填充，明挖和輔助隧道回填、體積填充（如廢棄的隧道回填、塌陷處理等）。 表1-4 泡沫混凝土作為選擇性填料的應(yīng)用實(shí)例 Kontoe等[60]報(bào)道了土耳其博盧（Bolu）公路雙隧道修復(fù)中的回填情況（圖1-1（a））。隧道在1999年的迪茲杰地震中遭受了巨大的破壞，在重建中，為了穩(wěn)定隧道工作面，臨時(shí)回填了大量的泡沫混凝土。與普通混凝土相比，泡沫混凝土在隧道塌方處理中具有優(yōu)越性，其原因在于：①密度和強(qiáng)度可控；②良好的流動(dòng)性，可以完全填充和飽和塌方空腔，從而加固裂隙體。圖1-1（b）和（c）展示了利用泡沫混凝土加固石馬隧道中一個(gè)長(zhǎng)20m、深9.6m的坍塌體，在該坍塌體中，巖體被破碎并斜切[61]。施工現(xiàn)場(chǎng)的后續(xù)反饋?zhàn)C實(shí)了該處理材料的有效性。 圖1-1 泡沫混凝土在隧道結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 1.2.5 減小恒載 圖1-2說(shuō)明了泡沫混凝土在地鐵填土中的應(yīng)用。近年來(lái)，泡沫混凝土生產(chǎn)技術(shù)在歐洲、北美、日本、韓國(guó)、中國(guó)和東南亞等國(guó)家及地區(qū)已趨于成熟。使用的其他形式包括選擇性填充和加固，以確保施工安全。 圖1-2 泡沫混凝土在地鐵填土中的應(yīng)用 1.3 礦井管道工程中的新應(yīng)用 1.3.1 煤礦井下巷道 泡沫混凝土在煤礦中的應(yīng)用主要包括回填材料、支護(hù)系統(tǒng)、防水防氣三個(gè)方面。 1）回填材料 早在1992年，美國(guó)礦務(wù)局就發(fā)布了使用密度為720kg/m3的泡沫混凝土回填廢棄礦井的方案，用于現(xiàn)場(chǎng)施工的目標(biāo)是西弗吉尼亞州洛根縣的22號(hào)礦井[62]。迄今為止，世界上*大的一次使用泡沫混凝土的礦井是英國(guó)巴斯附近的庫(kù)姆斯通礦的穩(wěn)定工作，*終使用了密度和強(qiáng)度分別為650kg/m3和1MPa的泡沫混凝土約40萬(wàn)m3（圖1-3）[63]。 圖1-3 庫(kù)姆斯通礦 2）支護(hù)系統(tǒng) Tan等[64]針對(duì)煤礦軟巖巷道大變形問(wèn)題，提出了泡沫混凝土阻尼層復(fù)合支護(hù)體系。結(jié)果表明，U形鋼的收縮率隨著泡沫混凝土對(duì)其所產(chǎn)生的大部分變形的吸收而顯著降低（圖1-4）。 圖1-4 泡沫混凝土復(fù)合支護(hù)系統(tǒng) 3）防水防氣 煤礦密閉墻被認(rèn)為是防止漏風(fēng)引起殘煤自燃的有效方法。Wen等[65]研究開(kāi)發(fā)了一種新型泡沫混凝土，用于生產(chǎn)控制潛在空氣泄漏的墻體。泡沫混凝土墻體28d抗壓強(qiáng)度達(dá)5MPa，無(wú)殘余裂隙，有效地抑制了采空區(qū)漏風(fēng)（圖1-5）。 圖1-5 泡沫混凝土墻填充效果[65] 1.3.2 公共管道及設(shè)施 在實(shí)際工程中，利用泡沫混凝土材料回填市政管道，有助于控制施工場(chǎng)地狹小、壓實(shí)不良而造成的工后沉降。在日本，天然氣管道等市政管道通常采用泡沫混凝土填充，以防止外部破壞，特別是在地震頻繁的地區(qū)[66]，如13300m長(zhǎng)的石原-希爾德隧道和18060m長(zhǎng)的東京灣天然氣隧道。
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