钢筋与轻质超高性能混凝土黏结性能试验研究

文中通过216个试件的偏心拉拔试验,分析黏结长度、钢纤维体积掺量、钢筋直径、保护层厚度对钢筋与轻质超高性能混凝土(LUHPC)黏结锚固特性值(初始黏结强度τ_0;极限黏结强度τ_u;残余黏结强度τ_r;极限黏结强度所对应的滑移量s_u;残余黏结强度所对应的滑移量s_r)的影响规律.结果表明:黏结长度、钢纤维体积掺量、钢筋直径、保护层厚度对钢筋与LUHPC黏结锚固特性值有一定的影响.τ_0仅与黏结长度相关;τ_u、τ_r与钢纤维体积掺量、黏结长度、钢筋直径,保护层厚度均有关;s_u与黏结长度、钢筋直径、钢纤维体积掺量有关;s_r与钢筋直径、钢纤维体积掺量有关.最后基于试验数据通过回归分析建立了钢筋与LUHPC黏结滑移关系模型,验证了模型的预测曲线与试验曲线比较吻合.

轻质超高性能混凝土的设计与研究

研究了胶凝材料组成、胶砂比以及钢纤维掺量对轻质超高性能混凝土(LUHPC)工作性能与力学性能的影响,得出LUHPC最优配合比,提出了LUHPC设计制备方法;对比研究了普通超高性能混凝土(UHPC)与LUHPC的力学性能与体积稳定性能差异;采用SEM-EDS和显微硬度计分析了LUHPC水泥石以及轻集料界面微结构特征。结果表明:水泥、粉煤灰微珠和硅灰用量分别为804、204、192 kg/m3,水胶比0.18,胶砂比1.8,钢纤维体积掺量为2.5%时,LUHPC工作性能优异,具有良好的轻质、高强、低收缩性能;相比UHPC,LUHPC比强度更高,体积稳定性优良;陶砂的“缓释水”作用可使界面处胶凝材料后期持续水化,改善界面处微结构,降低混凝土自收缩。

轻质超高性能混凝土(LUHPC)梁抗弯性能试验

为明确轻质超高性能混凝土(LUHPC)梁的抗弯性能,设计制作了配筋率为0.3%、2.3%、4.2%、6.8%、8.7%,钢筋强度为HRB400、HRB500的16根LUHPC梁,同时制作相同配筋率的7根高强混凝土梁作为对比,开展其抗弯性能试验,研究了LUHPC梁的破坏形态、荷载-挠度曲线、配筋率和钢筋强度对于极限承载力、开裂弯矩和延性的影响规律.依据极限状态下跨中混凝土实测应变分布规律,提出了将受压区应力图形简化为三角形,考虑受拉区混凝土拉应力贡献的抗弯承载力计算修正公式.试验表明:当配筋率为2.3%、4.2%、6.8%,钢筋为HRB400级时,LUHPC梁的极限承载力提高了26.9%~35.7%,HRB500级LUHPC梁比HRB400级的极限承载力提高了10.5%~28.5%,开裂弯矩无明显增长;在相同配筋率下LUHPC梁的开裂弯矩和极限承载力均高于高强混凝土梁,其延性明显优于高强混凝土梁,配筋率为0.3%时,为少筋破坏,8.7%时为超筋破坏;提出的LUHPC梁抗弯承载力计算修正公式,其计算值与试验值吻合较好,平均误差为4%.

轻质超高性能混凝土长柱轴心受压试验

针对轻质超高性能混凝土(LUHPC)长柱失稳问题,开展了轻质超高性能混凝土长柱轴心受压试验.设计制作了长细比为6~22的10根LUHPC长柱和10根高强混凝土长柱试件,对比分析了不同长细比对LUHPC长柱承载力、荷载-应变和荷载-挠度等影响,明确了其破坏形态,获得了长细比6~22的LUHPC长柱稳定系数,建立了LUHPC长柱的稳定系数计算修正公式.试验表明:随着长细比的增大,LUHPC长柱和高强混凝土长柱承载能力均逐渐减小,稳定系数也均逐渐减小,LUHPC柱长细比从6~22的稳定系数为1~0.73,稳定系数计算值与试验值吻合较好;LUHPC长柱破坏机理是钢筋先屈服,然后混凝土达到应变峰值,试件发生破坏.

钢筋轻质超高性能混凝土偏心受压柱力学性能试验研究

为明确钢筋轻质超高性能混凝土(LUHPC)偏心受压柱力学性能,文中设计制作了配筋率为0%、1.39%、2.05%、3.57%的四种试件,进行偏心距为0,30,60和120 mm的加载试验,研究了配筋率和偏心距对钢筋LUHPC偏心受压柱破坏形态、极限承载力、荷载-侧向位移曲线的影响规律.试验表明:在相同配筋率下,当偏心距从0~120 mm时,其钢筋LUHPC偏心受压柱的极限承载力下降68.6%~86.2%.在相同偏心距下,当配筋率从0%增大到3.57%时,其极限承载力增加了18.0%~51.4%,考虑受拉区LUHPC拉应力的作用,基于LUHPC的等效应力矩形系数α_(1),β_(1)和偏心距增大系数η_(L),建立了大、小偏心钢筋LUHPC偏心受压柱极限承载力计算修正公式,计算结果与试验值比较吻合,平均误差为3%.

轻质超高性能混凝土小箱梁优化设计方法

为明确轻质超高性能混凝土(LUHPC)应用于桥梁结构时如何减小截面尺寸,基于数值计算软件MATLAB和40 m跨普通混凝土小箱梁,以相同配筋率下的小箱梁顶板、底板和腹板厚度为设计变量,变形验算、抗裂性验算、上缘压应力验算和斜截面抗剪承载力验算为约束条件,小箱梁自重为目标函数,编写LUHPC小箱梁优化程序,运用fmincon函数优化计算,形成LUHPC小箱梁优化设计方法。并建立LUHPC小箱梁和普通混凝土小箱梁有限元模型,通过对比分析两种小箱梁的弯矩、剪力、应力、挠度等力学性能,并验证优化结果的合理性。得到优化结果:LUHPC小箱梁的顶板、底板和腹板厚度分别减少了40 mm,40 mm和20 mm;LUHPC小箱梁自重比普通混凝土小箱梁减小27.7%。

轻质超高性能混凝土(LUHPC)的耐久性研究

为明确轻质超高性能混凝土(LUHPC)的耐久性能,通过采用不同钢纤维掺量(1.5%、2.0%、2.5%),设计制备9组LUHPC试件,经标准养护28d后,开展快速氯离子渗透、500次冻融循环和28d碳化试验,掌握了不同钢纤维掺量下LUHPC的耐久性,明确了LUHPC耐久性等级。结果表明,LUHPC的氯离子扩散系数为2.4×10^(-13)~3.9×10^(-13)m^(2)/s,冻融循环的质量损失率小于1%,相对动弹性模量大于95%,碳化深度基本为0mm,由此得到LUHPC耐久性等级分别为RCM-Ⅴ、F500和T-Ⅴ,显示出LUHPC良好的耐久性能,可满足桥梁结构的耐久性设计要求。

轻质超高性能混凝土徐变性能与模型研究

为研究钢纤维体积掺量和加载龄期对轻质超高性能混凝土(LUHPC)徐变性能的影响,设计制作了钢纤维体积掺量分别为2.0%,2.5%和3.0%的LUHPC棱柱体试件,开展了7和28 d龄期的徐变试验.得到了钢纤维体积掺量和加载龄期对LUHPC徐变性能的影响规律,并得到了LUHPC徐变系数,同时建立了LUHPC徐变模型.研究结果表明:当纤维掺量为2.0%~3.0%时,LUHPC的徐变系数变化范围为0.6~0.9;与国内外规范混凝土徐变模型相比,LUHPC徐变模型计算值与试验值符合较好,计算平均误差为6.4%.研究结果可为LUHPC材料在桥梁工程中的应用提供试验与理论依据.

轻质超高性能混凝土单轴拉压应力-应变关系

研发了一种轻质超高性能混凝土(LUHPC)材料,表观密度小于2100kg/m3,抗压强度大于110MPa,劈裂强度大于12MPa,弹性模量大于3.8×104 MPa。通过开展3组LUHPC单轴抗压试验和3组单轴拉伸试验,获得了LUHPC单轴受压、受拉应力-应变曲线。结果表明:LUHPC具有很好的力学性能,轴压应力-应变曲线在应力达到0.87极限荷载前基本呈线弹性,并具有明显平缓的下降段,平均峰值应力可达111.51 MPa,峰值应变3359με。轴拉试验LUHPC开裂后达到极限荷载后未迅速失去承载力,抗拉强度可达7.66MPa,峰值应变334.9με。据此,建立了LUHPC单轴受压和受拉的本构关系。并将其应用于LUHPC深梁抗剪有限元模拟分析,分析结果与试验值比较吻合,验证了文中提出的LUHPC本构关系的合理性。

轻质超高性能混凝土梁抗剪性能试验研究

针对轻质超高性能混凝土(LUHPC)梁的抗剪性能问题,考虑不同剪跨比和配箍率,设计制作了7片LUHPC梁和5片高性能混凝土梁,研究了剪切荷载作用下LUHPC梁的开裂荷载、极限荷载、挠度、箍筋应变和混凝土应变的变化规律,明确了不同剪跨比LUHPC梁的破坏形态,提出了考虑剪跨比、配箍率和混凝土强度等因素的LUHPC梁抗剪承载力计算公式。结果表明:随着剪跨比(1.52~2.54)的增大,LUHPC梁抗剪承载力减小;随着配箍率(0.17%~0.75%)的增大,LUHPC梁抗剪承载力增大;LUHPC梁发生斜压破坏和剪压破坏两种破坏形态,比高性能混凝土梁具有更好的延性;LUHPC梁抗剪承载力公式计算值与试验值吻合良好,平均误差小于5%。研究结果可为LUHPC梁的抗剪设计提供了计算依据。

轻质超高性能混凝土(LUHPC)短柱轴心受压试验

为明确轻质超高性能混凝土(LUHPC)短柱轴心受压力学性能,开展了LUHPC短柱轴心受压试验。设计制作了15根LUHPC短柱和4根高强混凝土短柱试件,对比分析了LUHPC短柱的破坏机理和不同配筋率对承载力的影响,提出了LUHPC短柱轴心受压承载力的计算修正公式。结果表明:与高强混凝土短柱破坏过程不同,LUHPC短柱的破坏机理是纵向钢筋先屈服,然后混凝土应变再达到峰值,短柱发生破坏;LUHPC短柱具有更好的延性;当配筋率从0.5%增大到4.36%时,短柱承载力提高了9.61%;修正公式计算值与试验值吻合较好。

轻质超高性能混凝土(LUHPC)设计参数取值研究

针对轻质超高性能混凝土(LUHPC)设计参数的取值问题,通过改变钢纤维掺量(0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%),对LUHPC的标准立方体抗压强度、轴心抗压强度、轴心抗拉强度、劈裂强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等力学指标进行系统的试验研究。结果表明,当钢纤维掺量从0%~2.5%变化时,得到LUHPC强度等级为LC60~LC115;建立了轴心抗压强度和立方体抗压强度之间的关系,以及轴心抗拉强度和劈裂强度、抗折强度之间的关系,最后获得了LC60~LC115强度等级LUHPC的设计参数。相关研究为LUHPC设计参数的取值提供了试验依据。

轻质超高性能混凝土收缩调控技术研究

依托万州新田长江大桥工程,以纤维掺量和膨胀剂种类及掺量为变化参数,研究了纤维限缩效应和膨胀剂补偿收缩与轻集料内养护的协同作用对轻质超高性能混凝土(LUHPC)收缩的影响规律。结果表明:随着钢纤维体积率掺量提高,LUHPC收缩逐渐降低;随着膨胀剂掺量的增加,LUHPC收缩降低,掺入以硫铝酸钙和氧化钙为双膨胀源的HCSA膨胀剂效果更佳;预湿细轻集料的内养护作用可以显著缓解膨胀剂与胶凝材料的"争水"现象,充分发挥膨胀剂的膨胀效能,预湿轻集料内养护和HCSA膨胀剂补偿收缩的协同作用显著降低LUHPC的收缩。

轻集料对轻质超高性能混凝土性能影响研究

以万州新田长江大桥工程为依托,通过试验研究了轻集料的颗粒级配、粒径、粒型、筒压强度和预湿程度等对轻质超高性能混凝土(LUHPC)工作性能、力学性能和收缩的影响,同时通过轻集料孔结构分析和SEM初探了轻集料改善LUHPC性能的微观机理。研究结果表明:随着轻集料最大粒径的减小和筒压强度的增大,LUHPC的表观密度增大,力学性能提高;当细轻集料粒径2.36~4.75mm∶1.18~2.36mm为7∶3时,细轻集料与各种粉料间的堆积程度最大,抗压强度最高;圆球型细轻集料制备最适合制备LUHPC;随着轻集料预湿饱水程度增加,LUHPC内部相对湿度提高,LUHPC收缩减小。高强细轻集料的多孔结构,可以吸收大量水分,混凝土在凝结硬化后可形成轻集料-水泥石界面处的嵌锁结构,从而大幅度提升LUHPC性能。

低收缩LUHPC钢桥面铺装组合基本性能试验研究

为降低大跨度钢桥面铺装荷载,减少水泥基铺装材料的收缩,制备了多组低收缩轻质超高性能混凝土(LUHPC),测试其基本力学性能,在满足力学要求和扩展度的前提下,确定了较低密度的基准配合比。面向实际设计需求,分析了配筋和覆膜养护工艺对LUHPC收缩特性的影响,通过试验与理论分析讨论了LUHPC钢桥面铺装组合的抗推移能力。结果表明:通过材料配合比调整,LUHPC的密度可以控制在2100 kg/m^(3)以下,28 d抗压强度大于110 MPa,抗折强度在14 MPa以上,扩展度不低于450 mm,满足设计要求;相对于空白对照组的LUHPC试件,覆膜组和配筋组试件的收缩应变明显降低,最高降幅达到40.7%,且收缩应变随着配筋率的增大而减小,其中轻集料的“释水”作用、覆膜“保水”作用以及膨胀剂的加入共同作用,可以显著降低LUHPC的收缩量,使LUHPC的150 d收缩应变控制在150με以下,满足设计要求;推出试验得到的剪力连接件破坏模式为焊缝剪断,其抗剪承载能力实测值为70.83 kN,大于根据各国规范得到的计算值,满足设计要求;LUHPC组合结构推出试验得到了连接件的荷载-滑移曲线,根据试验数据对荷载-滑移曲线进行拟合分析得到了抗剪刚度。研究结果可为LUHPC类组合钢桥面铺装的设计与应用提供参考。

大跨径PC小箱梁桥合理施工顺序及抗裂措施

针对大跨径预应力混凝土小箱梁桥合理施工顺序和负弯矩区抗裂措施问题,通过采用有限元分析和轻质超高性能混凝土(LUHPC)材料应用,研究了梁端现浇混凝土、负弯矩区预应力束张拉及临时支座拆除施工顺序对桥梁结构受力的影响,提出了运用LUHPC代替负弯矩区主梁顶板与现浇段材料的抗裂措施.结果表明:合理施工顺序为“梁端混凝土一次浇筑,由中间至两边对称张拉负弯矩区预应力束”“由中间至两边对称拆除临时支座”;在最不利荷载组合作用下,负弯矩区取消预应力束,其小箱梁顶板最大拉应力为6.46 MPa,小于LUHPC的劈裂抗拉强度14.1 MPa,满足抗裂要求.

LUHPC小箱梁桥试设计及参数分析

采用轻质超高性能混凝土,以某30 m跨径预应力C50混凝土小箱梁桥为例,开展了预应力LUHPC小箱梁桥的试设计研究。研究表明,同C50混凝土小箱梁桥相比,LUHPC小箱型梁桥顶板、底板以及腹板厚度降低了12%,受力性能有显著的提升,混凝土和预应力钢筋的材料用量分别减少了9.52%和33.45%,结构自重也降低了25.4%。

采用LUHPC增强塑性铰的预制拼装桥墩抗震性能试验

制作了6个桥墩试件,3个现浇和3个预制拼装试件,预制拼装采用课题组提出的"预留灌浆孔"连接方式。通过拟静力试验对LUHPC增强塑性铰桥墩抗震性能开展系统的研究,从损伤发展过程及破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、延性、累积耗能、等效刚度等方面对桥墩抗震性能进行系统分析。结果表明:塑性铰区采用LUHPC增强后,能够显著减小桥墩塑性铰区的损伤程度。当LUHPC替换高度为1倍柱宽时,其极限承载力提高了1.5%~3.9%,延性提高了17.1%~32.8%,耗能能力提高了31.6%~43%;当LUHPC替换高度为2倍柱宽时,其极限承载力提高了4.6%~6%,延性提高了24%~58%,耗能能力提高了63%~107.3%;采用LUHPC增强塑性铰的预制拼装桥墩与现浇桥墩具有同等的抗震性能,桥墩塑性铰区采用2倍柱宽的LUHPC替换高度具有更好的抗震性能。

钢筋与LUHPC锚固长度计算方法

针对现有钢筋与混凝土的锚固长度计算方法不适用于钢筋与轻质超高性能混凝土(LUHPC)的问题,进行了135个钢筋与LUHPC试件的中心拉拔试验.分析了黏结长度、钢纤维体积掺量(体积质量)和钢筋直径对钢筋与LUHPC极限黏结应力的影响规律,结果表明:当钢纤维体积掺量为1.5%时,临界锚固长度为4.1d(d为钢筋直径);当钢纤维体积掺量为2.0%时,临界锚固长度为3.8d;当钢纤维体积掺量为2.5%时,临界锚固长度为3.5d.基于试验数据评估了现有临界长度计算方法的准确性,建立了钢筋与LUHPC临界锚固长度的计算公式,并用试验数据证明了提出方法的准确性.