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泡沫混凝土材料特性與工程應用 版權信息
- ISBN：9787030704467
- 條形碼：9787030704467 ; 978-7-03-070446-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
泡沫混凝土材料特性與工程應用 本書特色
適讀人群 ：高等院校和科研院所相關專業研究生，也可為泡沫混凝土的相關研究提供一定的參考。本書針對泡沫混凝土材料展開相關的材料性能和工程應用研究，探究不同密度下的泡沫混凝土微觀結構和水化產物，分析了微觀結構理論下的強度、應變率、斷裂性能等特征。
泡沫混凝土材料特性與工程應用 內容簡介
本書針對泡沫混凝土材料展開相關的材料性能和工程應用研究，探究不同密度下的泡沫混凝土微觀結構和水化產物，分析了微觀結構理論下的強度、應變率、斷裂性能等特征。同時應用有限元工具進行泡沫混凝土軸壓和斷裂過程模擬，并與試驗結果對比，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。本書對泡沫混凝土應用于高陡路堤、預壓換填等工程中的施工工藝和工后沉降變形進行觀測和有限元分析，可實現泡沫混凝土應用的精細設計。 本書可作為高等院校和科研院所相關專業研究生的學習用書，也可為泡沫混凝土的相關研究提供一定的參考。
泡沫混凝土材料特性與工程應用 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用 2
1.3 礦井管道工程中的新應用 5
1.4 本書主要內容 7
參考文獻 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 32
參考文獻 33
第3章 基于微觀結構分析的泡沫混凝土力學性能試驗研究 43
3.1 泡沫混凝土微觀結構分析 43
3.2 高溫作用后泡沫混凝土結構及性能試驗研究 52
3.3 基于DIC與FEM的泡沫混凝土基本力學特性研究 67
參考文獻 79
第4章 泡沫混凝土試驗和數值模擬研究 81
4.1 泡沫混凝土力學性能試驗與離散元數值模擬研究 81
4.2 泡沫混凝土三點彎斷裂試驗與擴展有限元數值模擬研究 100
4.3 本章小結 115
參考文獻 116
第5章 高陡地形高性能泡沫混凝土輕質路堤成套技術研究與應用 119
5.1 高陡地形高性能泡沫混凝土抗滑輕質路堤施工技術 119
5.2 高陡地形滑坡處置高性能泡沫混凝土輕質路堤施工技術 124
5.3 高陡地形無錐坡橋頭輕質路堤施工技術 127
參考文獻 130
第6章 高性能泡沫混凝土高陡路堤沉降規律分析 131
6.1 測點布置 131
6.2 施工階段沉降觀測分析 132
6.3 工后沉降觀測及分析 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 路堤邊坡穩定性分析 146
6.7 臺背填筑沉降變形模擬 150
6.8 本章小結 152
參考文獻 152
第7章 預壓換填泡沫混凝土在橋路過渡段平順過渡技術應用 154
7.1 橋路過渡段泡沫混凝土設計與施工研究 154
7.2 橋路過渡段泡沫混凝土參數敏感性的數值模擬研究 155
7.3 工程應用研究 161
7.4 本章小結 171
參考文獻 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用 2
1.3 礦井管道工程中的新應用 5
1.4 本書主要內容 7
參考文獻 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 32
參考文獻 33
第3章 基于微觀結構分析的泡沫混凝土力學性能試驗研究 43
3.1 泡沫混凝土微觀結構分析 43
3.2 高溫作用后泡沫混凝土結構及性能試驗研究 52
3.3 基于DIC與FEM的泡沫混凝土基本力學特性研究 67
參考文獻 79
第4章 泡沫混凝土試驗和數值模擬研究 81
4.1 泡沫混凝土力學性能試驗與離散元數值模擬研究 81
4.2 泡沫混凝土三點彎斷裂試驗與擴展有限元數值模擬研究 100
4.3 本章小結 115
參考文獻 116
第5章 高陡地形高性能泡沫混凝土輕質路堤成套技術研究與應用 119
5.1 高陡地形高性能泡沫混凝土抗滑輕質路堤施工技術 119
5.2 高陡地形滑坡處置高性能泡沫混凝土輕質路堤施工技術 124
5.3 高陡地形無錐坡橋頭輕質路堤施工技術 127
參考文獻 130
第6章 高性能泡沫混凝土高陡路堤沉降規律分析 131
6.1 測點布置 131
6.2 施工階段沉降觀測分析 132
6.3 工后沉降觀測及分析 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 路堤邊坡穩定性分析 146
6.7 臺背填筑沉降變形模擬 150
6.8 本章小結 152
參考文獻 152
第7章 預壓換填泡沫混凝土在橋路過渡段平順過渡技術應用 154
7.1 橋路過渡段泡沫混凝土設計與施工研究 154
7.2 橋路過渡段泡沫混凝土參數敏感性的數值模擬研究 155
7.3 工程應用研究 161
7.4 本章小結 171
參考文獻 171
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泡沫混凝土材料特性與工程應用 節選
第1章 緒 論 1.1 泡沫混凝土性能概述 泡沫混凝土（foamed concrete，FC）被認為是解決隧道和地下工程問題的新興可持續的解決方案。與普通混凝土（ordinary concrete，OC）相比，泡沫混凝土具有優異的力學性能，如表1-1所示。它有望部分或全部取代地下工程中的傳統混凝土，具有經濟、社會和環境效益。 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產生橫向荷載[21-23]，在邊坡、隧道工程中有很大的優勢。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)的導熱系數[7， 28-30]，是性能穩定耐久的建筑保溫隔熱材料。由于質量輕，彈性模量低，泡沫混凝土結構在地震荷載作用下能有效吸收和擴散沖擊能量，表現出良好的抗震性能。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用。 2）環境友好 利用粉煤灰、再生玻璃等再生廢棄物生產泡沫混凝土，可以減少固體廢物污染[31， 32]。在保證泡沫混凝土強度的前提下，大量工業廢料可作為摻合料使用[33-35]。泡沫混凝土所需的發泡劑是具有相當生物降解性的近中性表面活性劑，通常不含苯和甲醛，對土壤、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自然環境的破壞。 3）節約施工成本 在理論垂直高度為200m，水平距離為600m的范圍內，通過配備泡沫攪拌器、動力泵和輸送管道，在200～300m3/d的負荷下，即可實現泡沫混凝土的泵送[39]。泡沫混凝土的高流動性可以產生相當大的泵送能力，對泵功率的要求較低，而大批量生產和澆筑連續作業，可顯著提高工作效率。良好的流動性和自流平性意味著使用管道泵送時對能耗和人力移動的要求較低[40]，尤其是在大體積混凝土中。因此，泡沫混凝土應用中，合理的配合比、快速的設備安裝和后期維護成本低等因素均可降低施工總體成本。 本書成果的應用不僅可以提高我國泡沫混凝土在公路橋隧工程中的設計及施工水平，而且可以減少施工后的養護投資和工作量，使我國公路建設投資發揮盡可能大的效用。 1.2 公路隧道工程中的新應用 1.2.1 保溫材料 近年來，寒冷地區隧道的保溫措施主要有電伴熱、保溫門和防凍保溫層（即內襯結構的保溫材料）[41-43]。然而，電伴熱需要大量的能源來保證熱效率，不能滿足國家節能環保的要求。保溫門不適用于交通量大的隧道，不間斷的開閉會造成較大的熱損失[44， 45]。因此，將泡沫混凝土同時作為內襯結構和保溫材料，可簡化施工工藝，降低材料投資。 Yuan[46]報道了我國高寒地區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時間達8個月，*低溫度為?27.7℃。表1-2給出了文獻中使用的泡沫混凝土配合比。與有絕緣層的情況相比，無絕緣層測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℃。凍融循環對泡沫混凝土性能影響的研究結果將有助于進一步提高和優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]開發了一種新型泡沫混凝土抗震材料。應用結果表明，采用新型泡沫混凝土材料可以顯著降低隧道襯砌的應力和塑性區。同時，Huang等[53]進行了調查，通過耐久性試驗表明泡沫混凝土作為抗震材料耐久性能優于橡膠。 表1-3 抗震層泡沫混凝土配合比[52]（單位：kg/m3） 1.2.3 結構構件 二次襯砌完成后，尤其是深埋隧道中的結構構件將繼續發生徐變變形，容易引起結構損傷或破壞。而單純增加二次襯砌厚度不能完全控制巖體的徐變變形。泡沫混凝土構件用于一次支護與二次襯砌之間的預留變形，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的整體損傷或破壞。鐵峰山二號隧道襯砌系統采用抗壓強度為0.4～0.7MPa、孔隙率為68%、密度為800kg/m3的泡沫混凝土來抵抗膏鹽引起的膨脹壓力[54]。自2005年9月成功實施以來，隧道運行良好，未發生任何損壞。 Wang等[55]研究了泡沫混凝土襯砌構件的長期性能響應，并與普通大跨度軟巖隧道進行了比較，結果表明：經過100年的徐變，拱頂沉降和水平收斂分別減小了61%和45%，二次襯砌塑性區明顯減小。Wu等[56]開發了一種與新型泡沫混凝土相結合的特殊屈服支撐系統。新開發的系統嵌在一次支護和二次襯砌之間，與剛性支護系統相比，由于墊層效應，二次襯砌頂板和兩側的塑性區變形得到明顯改善和減小。 1.2.4 回填與加固 表1-4總結了泡沫混凝土作為公路隧道選擇性填料的實際應用，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用實例 Kontoe等[60]報道了土耳其博盧（Bolu）公路雙隧道修復中的回填情況（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，為了穩定隧道工作面，臨時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越性，其原因在于：①密度和強度可控；②良好的流動性，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長20m、深9.6m的坍塌體，在該坍塌體中，巖體被破碎并斜切[61]。施工現場的后續反饋證實了該處理材料的有效性。 圖1-1 泡沫混凝土在隧道結構中的應用 1.2.5 減小恒載 圖1-2說明了泡沫混凝土在地鐵填土中的應用。近年來，泡沫混凝土生產技術在歐洲、北美、日本、韓國、中國和東南亞等國家及地區已趨于成熟。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用 1.3 礦井管道工程中的新應用 1.3.1 煤礦井下巷道 泡沫混凝土在煤礦中的應用主要包括回填材料、支護系統、防水防氣三個方面。 1）回填材料 早在1992年，美國礦務局就發布了使用密度為720kg/m3的泡沫混凝土回填廢棄礦井的方案，用于現場施工的目標是西弗吉尼亞州洛根縣的22號礦井[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巴斯附近的庫姆斯通礦的穩定工作，*終使用了密度和強度分別為650kg/m3和1MPa的泡沫混凝土約40萬m3（圖1-3）[63]。 圖1-3 庫姆斯通礦 2）支護系統 Tan等[64]針對煤礦軟巖巷道大變形問題，提出了泡沫混凝土阻尼層復合支護體系。結果表明，U形鋼的收縮率隨著泡沫混凝土對其所產生的大部分變形的吸收而顯著降低（圖1-4）。 圖1-4 泡沫混凝土復合支護系統 3）防水防氣 煤礦密閉墻被認為是防止漏風引起殘煤自燃的有效方法。Wen等[65]研究開發了一種新型泡沫混凝土，用于生產控制潛在空氣泄漏的墻體。泡沫混凝土墻體28d抗壓強度達5MPa，無殘余裂隙，有效地抑制了采空區漏風（圖1-5）。 圖1-5 泡沫混凝土墻填充效果[65] 1.3.2 公共管道及設施 在實際工程中，利用泡沫混凝土材料回填市政管道，有助于控制施工場地狹小、壓實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[66]，如13300m長的石原-希爾德隧道和18060m長的東京灣天然氣隧道。
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