超高韌性水泥基復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，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，而導致建筑物服役壽命縮短。這一問題對于大壩泄洪建筑物、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。很多學者認為，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)耐久性降低和達不到設(shè)計使用壽命的一個突出問題。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，是學科發(fā)展的制高點。高性能混凝土材料是當前國際上的研究熱點，已連續(xù)召開了5屆國際學術(shù)會議。目前研究趨勢已經(jīng)從傳統(tǒng)的被動地研究材料和結(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世紀結(jié)構(gòu)工程學科發(fā)展的新方向，對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術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。根據(jù)國家對防災(zāi)減災(zāi)、節(jié)能、環(huán)境保護和可持續(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。國家自然科學基金委結(jié)構(gòu)工程學科十二五發(fā)展規(guī)劃中也將高性能結(jié)構(gòu)列為結(jié)構(gòu)工程學科重大項目研究方向。

內(nèi)容概要

本書以目前國際熱點研究的超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)這一新型土木工程材料為出發(fā)點，首先回顧總結(jié)了自提出該材料的微觀設(shè)計原理以來，國內(nèi)外研究人員在其基本力學性能、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本科高年級學生參考。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  研究背景與意義  1.2  超高韌性水泥基復合材料基本性能    1.2.1  超高韌性水泥基復合材料基本力學性能和材料特性    1.2.2  超高韌性水泥基復合材料的耐久性    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合材料  1.3  超高韌性水泥基復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  1.4  本書主要內(nèi)容和目的第2章  纖維編織網(wǎng)增強超高韌性水泥基復合材料試驗研究  2.1  引言  2.2  試驗過程    2.2.1  試驗材料    2.2.2  試驗方案    2.2.3  試件制作和試驗方法  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  拔出試驗分析第3章  鋼筋增強超高韌性水泥基復合材料(RUHTCC)受彎構(gòu)件理論計算模型  3.1  引言  3.2  材料力學模型與基本假定    3.2.1  材料力學模型    3.2.2  基本假定  3.3  RUHTCC構(gòu)件正截面受彎承載力計算模型    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)件撓度驗算    3.3.4  RUHTCC受彎構(gòu)件延性指標第4章  鋼筋增強超高韌性水泥基復合材料(RUHTCC)長梁試驗研究及結(jié)果分析  4.1  引言  4.2  試件制備    4.2.1  試驗材料    4.2.2  試件形式    4.2.3  試件澆筑  4.3  試驗過程  4.4  理論計算模型的試驗驗證及討論    4.4.1  平截面假定應(yīng)用于RUHTCC梁計算分析的試驗驗證    4.4.2  鋼筋與UHTCC變形協(xié)調(diào)的驗證    4.4.3  起裂荷載的確定    4.4.4  理論計算模型的驗證  4.5  縱筋配筋率對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  鋼筋增強超高韌性水泥基復合材料(RUHTCC)受彎構(gòu)件簡化計算及影響因素分析  5.1  引言  5.2  簡化計算方法    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)計建議第6章    超高韌性復合材料控裂功能梯度復合梁(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)承載力計算    6.4.1  起裂時承載力計算    6.4.2  鋼筋屈服時承載力計算    6.4.3  極限承載力計算  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  6.7  UHTCC-FGC梁撓度驗算第7章  超高韌性復合材料控裂功能梯度復合梁(UHTCC-FGC)四點彎曲試驗研究  7.1  引言  7.2  試驗過程    7.2.1  試驗材料    7.2.2  試件設(shè)計    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)系試驗曲線  7.5  UHTCC控裂功能梯度復合梁與普通鋼筋混凝土梁的對比  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  控裂功能梯度復合梁中UHTCC最佳厚度分析第8章  超高韌性水泥基復合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展前景參考文獻附錄  主要符號含義

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，對社會和國民經(jīng)濟具有重大的影響。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)的安全性對整個輸水工程的安全運行都至關(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)濟和耐久性能?；炷潦褂玫乃?、沙、石等基本原料是不可再生自然資源，超量使用會嚴重污染環(huán)境，破壞國土資源及植被，對環(huán)境和生態(tài)有著深遠的影響。根據(jù)以往工程實例，混凝土開裂現(xiàn)象比較普遍，由于其自身缺乏高延性導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)性能隨時間退化及其對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)量混凝土材料所導致的結(jié)構(gòu)普遍開裂、進而鋼筋銹蝕的現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)的耐久性進一步嚴重降低，由于遠遠達不到其設(shè)計壽命要求，這些結(jié)構(gòu)的重建又會造成新一輪資源耗費。

編輯推薦

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

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