超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用

前言

自19世紀(jì)20年代波特蘭水泥問世以來，混凝土材料以其卓越的建筑性能成為目前應(yīng)用最廣、使用最成功的結(jié)構(gòu)工程材料之一。近年來，我國建筑水泥用量已達(dá)到世界水泥使用總量的70％，每年有近20億m。的混凝土用于工程，成為我國大型工程建設(shè)應(yīng)用最廣泛的基本工程材料。從大型水利水電工程、港口工程、海洋工程、橋梁工程、地下工程、城市建筑工程到核電站工程乃至機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)工程，混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都是最主要的結(jié)構(gòu)形式。一直以來，混凝土自身材料性能方面存在著諸多的缺陷，如凝結(jié)與硬化過程中收縮變形大、抗拉強(qiáng)度低、抗裂能力差、脆性大、極限延伸率小以及抗沖擊性差等，給混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用帶來了許多質(zhì)量問題。首先，混凝土結(jié)構(gòu)在極端荷載的作用下，如強(qiáng)烈地震、沖擊或爆炸荷載，易發(fā)生破碎破壞?；炷两Y(jié)構(gòu)的這一特性對(duì)于大型水庫大壩、大型橋梁、核電設(shè)施等重要結(jié)構(gòu)的安全性能極為不利。同時(shí)，在正常工作荷載下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易由于混凝土的開裂、剝落而引發(fā)鋼筋銹蝕及其他相關(guān)問題，而導(dǎo)致建筑物服役壽命縮短。這一問題對(duì)于大壩泄洪建筑物、跨江海大型橋梁、港口碼頭、海洋工程設(shè)施等惡劣工作環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尤為突出。很多學(xué)者認(rèn)為，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題是一直未能很好解決的頑癥，是影響許多重大工程結(jié)構(gòu)耐久性降低和達(dá)不到設(shè)計(jì)使用壽命的一個(gè)突出問題。材料的創(chuàng)新是土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最帶有革命性的根本創(chuàng)新，是學(xué)科發(fā)展的制高點(diǎn)。高性能混凝土材料是當(dāng)前國際上的研究熱點(diǎn)，已連續(xù)召開了5屆國際學(xué)術(shù)會(huì)議。目前研究趨勢(shì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的被動(dòng)地研究材料和結(jié)構(gòu)的性能，如斷裂性能、抗震性能、可靠性、耐久性，過渡到主動(dòng)地根據(jù)工程需求研究出集多種高性能性質(zhì)于一身的高性能建筑結(jié)構(gòu)。因此，由包括高性能混凝土在內(nèi)的高性能結(jié)構(gòu)材料所建造的高性能建筑結(jié)構(gòu)是21世紀(jì)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展的新方向，對(duì)于有效提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和服役壽命具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)國家對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，需要從高性能材料和高性能結(jié)構(gòu)取得新的突破。國家自然科學(xué)基金委結(jié)構(gòu)工程學(xué)科十二五發(fā)展規(guī)劃中也將高性能結(jié)構(gòu)列為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科重大項(xiàng)目研究方向。

內(nèi)容概要

本書以目前國際熱點(diǎn)研究的超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)這一新型土木工程材料為出發(fā)點(diǎn)，首先回顧總結(jié)了自提出該材料的微觀設(shè)計(jì)原理以來，國內(nèi)外研究人員在其基本力學(xué)性能、耐久性、結(jié)構(gòu)應(yīng)用等方面的研究成果。接下來著重介紹了本書作者以南水北調(diào)工程重大關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目為背景的研究成果——使用我國國產(chǎn)膠凝材料成功配制出的超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用(以彎曲構(gòu)件為例)。最后闡述了UHTCC材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展前景。    本書可供從事土木水利、交通、鐵路、工業(yè)民用建筑領(lǐng)域的科學(xué)研究人員與工程技術(shù)人員，高等院校教師，博士碩士研究生以及大學(xué)本科高年級(jí)學(xué)生參考。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  研究背景與意義  1.2  超高韌性水泥基復(fù)合材料基本性能    1.2.1  超高韌性水泥基復(fù)合材料基本力學(xué)性能和材料特性    1.2.2  超高韌性水泥基復(fù)合材料的耐久性    1.2.3  具有特殊制備工藝和特殊性能的超高韌性水泥基復(fù)合材料  1.3  超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究簡介    1.3.1  作為混凝土保護(hù)層提高耐久性    1.3.2  用于無伸縮縫橋面板的連接板等承受大變形構(gòu)件    1.3.3  作為耗能材料提高結(jié)構(gòu)抗震性    1.3.4  新型結(jié)構(gòu)形式    1.3.5  結(jié)構(gòu)物的修復(fù)  1.4  本書主要內(nèi)容和目的第2章  纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)研究  2.1  引言  2.2  試驗(yàn)過程    2.2.1  試驗(yàn)材料    2.2.2  試驗(yàn)方案    2.2.3  試件制作和試驗(yàn)方法  2.3  等效彎曲應(yīng)力-跨中撓度曲線  2.4  開裂形態(tài)分析  2.5  拔出試驗(yàn)分析第3章  鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料(RUHTCC)受彎構(gòu)件理論計(jì)算模型  3.1  引言  3.2  材料力學(xué)模型與基本假定    3.2.1  材料力學(xué)模型    3.2.2  基本假定  3.3  RUHTCC構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算模型    3.3.1  RUHTCC構(gòu)件正截面受彎過程分析    3.3.2  RUHTCC適筋構(gòu)件正截面受彎彎矩一曲率關(guān)系    3.3.3  RUHTCC受彎構(gòu)件撓度驗(yàn)算    3.3.4  RUHTCC受彎構(gòu)件延性指標(biāo)第4章  鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料(RUHTCC)長梁試驗(yàn)研究及結(jié)果分析  4.1  引言  4.2  試件制備    4.2.1  試驗(yàn)材料    4.2.2  試件形式    4.2.3  試件澆筑  4.3  試驗(yàn)過程  4.4  理論計(jì)算模型的試驗(yàn)驗(yàn)證及討論    4.4.1  平截面假定應(yīng)用于RUHTCC梁計(jì)算分析的試驗(yàn)驗(yàn)證    4.4.2  鋼筋與UHTCC變形協(xié)調(diào)的驗(yàn)證    4.4.3  起裂荷載的確定    4.4.4  理論計(jì)算模型的驗(yàn)證  4.5  縱筋配筋率對(duì)長梁彎曲性能的影響  4.6  RUHTCC梁與鋼筋混凝土梁的比較  4.7  裂縫控制第5章  鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料(RUHTCC)受彎構(gòu)件簡化計(jì)算及影響因素分析  5.1  引言  5.2  簡化計(jì)算方法    5.2.1  彎矩    5.2.2  曲率延性系數(shù)    5.2.3  變形    5.2.4  界限配筋率    5.2.5  最小配筋率  5.3  RUHTCC適筋梁影響因素分析    5.3.1  幾何尺寸    5.3.2  材料參數(shù)    5.3.3  縱筋配筋率  5.4  RUHTCC受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)建議第6章    超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁(UHTCC-FGC)彎曲性能理論分析  6.1  引言  6.2  基本假定  6.3  UHTCO-FGC梁正截面受彎階段分析    6.3.1  第一階段：彈性階段    6.3.2  第二階段：起裂后至鋼筋屈服的帶裂縫工作階段    6.3.3  第三階段：鋼筋開始屈服至截面破壞階段  6.4  起裂、屈服及極限狀態(tài)承載力計(jì)算    6.4.1  起裂時(shí)承載力計(jì)算    6.4.2  鋼筋屈服時(shí)承載力計(jì)算    6.4.3  極限承載力計(jì)算  6.5  UHTCC-FGC梁正截面受彎彎矩一曲率關(guān)系的確定  6.6  截面延性指標(biāo)  6.7  UHTCC-FGC梁撓度驗(yàn)算第7章  超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁(UHTCC-FGC)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究  7.1  引言  7.2  試驗(yàn)過程    7.2.1  試驗(yàn)材料    7.2.2  試件設(shè)計(jì)    7.2.3  試件制備    7.2.4  加載方案  7.3  鋼筋與UHTCC(或混凝土)的變形協(xié)調(diào)性  7.4  彎矩-曲率與荷載-跨中撓度關(guān)系試驗(yàn)曲線  7.5  UHTCC控裂功能梯度復(fù)合梁與普通鋼筋混凝土梁的對(duì)比  7.6  裂縫發(fā)展與裂縫寬度控制    7.6.1  起裂荷載的確定    7.6.2  裂縫寬度發(fā)展與開裂形態(tài)  7.7  控裂功能梯度復(fù)合梁中UHTCC最佳厚度分析第8章  超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展前景參考文獻(xiàn)附錄  主要符號(hào)含義

章節(jié)摘錄

插圖：南水北調(diào)工程是我國在建的大規(guī)?？缌饔蛘{(diào)水工程，涉及領(lǐng)域廣，工程技術(shù)難題極具挑戰(zhàn)性，對(duì)社會(huì)和國民經(jīng)濟(jì)具有重大的影響。僅以中線工程為例，全長1267km，跨越大小河流160余條，需新建各類交叉建筑物如長距離輸水隧洞、大型輸水渡槽、涵洞、倒虹吸、橋梁等1800多座（陳厚群，2003）。任一重要環(huán)節(jié)的安全性對(duì)整個(gè)輸水工程的安全運(yùn)行都至關(guān)重要?；炷敛牧鲜悄壳皯?yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)工程材料之一，直接影響著工程安全、經(jīng)濟(jì)和耐久性能。混凝土使用的水泥、沙、石等基本原料是不可再生自然資源，超量使用會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，破壞國土資源及植被，對(duì)環(huán)境和生態(tài)有著深遠(yuǎn)的影響。根據(jù)以往工程實(shí)例，混凝土開裂現(xiàn)象比較普遍，由于其自身缺乏高延性導(dǎo)致極端荷載下的脆性破壞、因耐久性不足引起的正常荷載下破壞以及缺乏可持續(xù)性等方面的不足限制了該材料的應(yīng)用（Li，2007）。而工程結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間退化及其對(duì)使用壽命的影響這一重要問題也引起了國內(nèi)外工程界的廣泛關(guān)注（陳肇元等，2002）。特別是我國大量使用的低質(zhì)量混凝土材料所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)普遍開裂、進(jìn)而鋼筋銹蝕的現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)一步嚴(yán)重降低，由于遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其設(shè)計(jì)壽命要求，這些結(jié)構(gòu)的重建又會(huì)造成新一輪資源耗費(fèi)。

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《超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用》由科學(xué)出版社出版。

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