千米承壓材料的制取與力學(xué)性態(tài)研究.pdf

1、人類創(chuàng)造了一個(gè)又一個(gè)輝煌，但同時(shí)又為地球和人類本身留下了一個(gè)又一個(gè)的創(chuàng)傷或隱患。時(shí)至今日，人類面臨人口劇增、土地面積劇減、資源和能源過度消耗、環(huán)境污染嚴(yán)重等幾大難題，人類的生存受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為了適應(yīng)生存與發(fā)展，人類撥動(dòng)了向高空發(fā)展、向沙漠和草原進(jìn)軍、向南北極地探索、向海洋擴(kuò)張、向太空邁進(jìn)的主旋律，于是，就有了“空中城市”、“海市蜃樓”、“海洋站”、“空中電梯”、“太空基地”等設(shè)想；也有了可持續(xù)發(fā)展策略和“綠色革命”口號(hào)。 人類

2、要解決生存和發(fā)展難題，要滿足城市化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求，要實(shí)現(xiàn)自己的眾多美妙設(shè)想，大力研究、開發(fā)和應(yīng)用新型材料將是必然趨勢(shì)，而首當(dāng)其沖的將是新型結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)和應(yīng)用?？梢灶A(yù)見的是，未來的新型結(jié)構(gòu)材料應(yīng)是能滿足超大高度或超大跨度要求的結(jié)構(gòu)材料?；诖它c(diǎn)，本文提出了千米承壓材料的定義、性能要求和制備途徑，并展望了此種新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用前景。在全面考察目前可供大量應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料以及展望了兩大主流結(jié)構(gòu)材料——鋼材和混凝土的發(fā)展趨勢(shì)后，作者認(rèn)為鋼管

3、特超強(qiáng)混凝土是千米承壓材料的有力候選者。文末，通過對(duì)超高強(qiáng)鋼管特超強(qiáng)混凝土與5種型鋼的計(jì)算承載力、名義強(qiáng)度、質(zhì)量比強(qiáng)度、柱質(zhì)量比較、柱經(jīng)濟(jì)成本的比較，提出了超高強(qiáng)鋼管特超強(qiáng)混凝土是千米承壓材料的最佳候選者的結(jié)論。 特超強(qiáng)混凝土擁有強(qiáng)度高、彈性模量大、耐久性優(yōu)異等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其脆性很大，普通的配筋方式已不適宜；采用鋼管套箍的形式是目前最佳的選擇。要使特超強(qiáng)混凝土真正能夠滿足工程要求，除此之外，尚需要解決其工作性能問題和收縮，特別

4、是自收縮過大的問題，以及提供必要的基礎(chǔ)力學(xué)性能指標(biāo)。在解決了特超強(qiáng)混凝土自身的基本問題后，將其應(yīng)用于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，則必須掌握其制作技術(shù)，知曉其力學(xué)性態(tài)和本構(gòu)關(guān)系，明了鋼管和特超強(qiáng)混凝土的協(xié)同工作機(jī)理，由此，本文開展了如下研究工作： 1)研制強(qiáng)度為100～160MPa的特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土，分析混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)； 2)研究特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土的收縮(主要是自收縮)問題，探討有效降低特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土收縮的途徑；

5、 3)測(cè)試特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸壓強(qiáng)度、軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線，分析軸壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點(diǎn)，并對(duì)其本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行構(gòu)造、擬合； 4)制作鋼管特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土構(gòu)件，測(cè)試構(gòu)件的極限荷載、極限變形以及荷載-位移關(guān)系； 5)分析鋼管特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土的荷載-位移曲線，建立其本構(gòu)關(guān)系模型，并探討其協(xié)同工作機(jī)理。 通過對(duì)特超強(qiáng)混凝土和鋼管特超強(qiáng)混凝土的試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，本文

6、取得了以下研究結(jié)果： 1)采用背散射電子顯微鏡觀察了特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土的微觀形態(tài)，并根據(jù)物質(zhì)元素背散射電子圖像的灰度規(guī)律，運(yùn)用顏色分離和局部區(qū)域去斑等圖像處理技術(shù)，對(duì)特超強(qiáng)混凝土的亞微觀組成進(jìn)行了分析； 2)研究了42組抗壓強(qiáng)度為50MPa～165MPa的混凝土的收縮(主要是自收縮)，發(fā)現(xiàn)特超強(qiáng)混凝土的自收縮比較大，特別是3天前的自收縮很大。采用摻減縮劑、惰性礦物摻合料、微孔摻合料和加強(qiáng)早期，特別是3天前的水養(yǎng)護(hù)，較為

7、完美地解決了特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土收縮過大的問題； 3)通過對(duì)特超強(qiáng)混凝土的早期小時(shí)抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和收縮的研究，提出了超高強(qiáng)混凝土與特超強(qiáng)混凝土的收縮測(cè)量方法； 4)獲得了立方體抗壓強(qiáng)度為50MPa～165MPa范圍內(nèi)的高強(qiáng)、超高強(qiáng)、特超強(qiáng)混凝土的各種強(qiáng)度性能、變形性能與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，以及各種強(qiáng)度等級(jí)的超高強(qiáng)、特超強(qiáng)混凝土的系列力學(xué)性能指標(biāo)； 5)提出了抗壓強(qiáng)度為50MPa～165MPa范圍內(nèi)的混凝土的應(yīng)力

8、-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，只需要給出混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，就可以確定軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；6)通過對(duì)23組68根鋼管特超強(qiáng)/超高強(qiáng)混凝土短柱的研究，回歸得出了極限荷載、極限變形、低谷荷載、低谷變形的計(jì)算關(guān)系式，并介紹和分析了鋼管混凝土軸壓試驗(yàn)結(jié)束后的外觀形態(tài)、體積變形以及核心混凝土的破壞形態(tài)； 7)采用數(shù)值分析方法，將鋼管混凝土視為統(tǒng)一材料，提出了其荷載-變形本構(gòu)關(guān)系，通過上升段參數(shù)c和下降段參數(shù)b，只需要給出混凝土的抗壓強(qiáng)度、鋼管外