高原气候条件对混凝土性能及开裂机制影响的研究

发布时间：2020-03-23 22:42

【摘要】：低气压、低湿度和大温差是高原地区气候条件的主要特征,通过对该地区混凝土建筑的调研,发现其表面开裂情况比平原地区更严重,且多发生在施工后的1~2年。因此,研究高原气候对混凝土材料性能和结构受力的影响,对探寻高原地区混凝土的开裂机制具有重要的理论与实用价值。利用自制的低湿低压环境模拟箱,研究了低湿度、低气压条件下混凝土的力学、耐久、收缩变形等宏观性能变化规律;为探寻宏观性能变化的机理,研究了低湿度、低气压条件对水泥石孔隙结构和混凝土表面形貌等微观结构的影响。通过建立温-湿-气压耦合计算模型,研究了高原地区的静稳天气和剧变天气条件下,混凝土柱体的温度场、湿度场和应力场变化规律,分析混凝土的开裂原因及机制。研究了C30和C50混凝土在不同湿度(20%、60%、100%)和气压(51kPa、76kPa、101kPa)条件下抗压、抗折和劈裂强度的变化规律,发现混凝土抗压、抗折、劈裂强度整体上随湿度和气压的降低而下降,尤其是在28d龄期后此规律体现更为显著。与标准养护环境相比,20%湿度、51kPa气压条件下的28d和360d混凝土抗压、抗折和劈裂强度分别降低18%~23.7%、20%~33%和24%~33%。通过灰色关联分析法,发现气压对各力学性能的影响大于环境湿度。对C30混凝土在不同气压条件(51、61、71、81、91、101kPa)下耐久性能和微观结构变化规律的研究表明:低气压条件加速混凝土中的水分散失,90d龄期时,51kPa气压条件下的失水率约为101kPa气压条件的2倍;低气压条件增大混凝土的吸水率,且试件厚度越小,吸水率越高;低气压条件降低了混凝土的抗渗透性能,与标准气压条件(101kPa)相比,28d、45d和90d龄期时51kPa气压条件下的氯离子电通量分别升高25%、42%和49%;低气压条件降低混凝土的抗盐冻性能,80次冻融循环时,51kPa气压条件下的表面剥落质量约为101kPa气压条件的4倍;低气压条件增大水泥石的总孔隙率和500~1000nm有害孔隙的数量,并增大界面过渡区的缝隙宽度,降低两者粘结程度。研究了不同湿度(20%、60%)和气压(51kPa、76kPa、101kPa)条件下混凝土收缩的变化规律,结果表明环境湿度越低、气压越低,混凝土的收缩越大、收缩的增长速率越快。提出了混凝土收缩的气压影响因子,可用于预测不同气压条件下的混凝土收缩。通过灰色关联分析法,发现气压对收缩性能的影响大于环境湿度。建立了混凝土的温度场、湿度场及应力场计算模型,通过实测φ1m×2m混凝土柱体、100×100×200mm混凝土试件距表面不同深度位置的温度值、湿度值和应力值来验证模型。基于计算模型对高原地区的静稳天气和剧变天气进行计算分析,结果表明混凝土柱体在表面日较差温度变化条件下,距表面不同深度位置的温度和温度应力均呈现周期性变化趋势,表面日较差越大,距离表面越近,周期性变化的振幅越大,当表面温度日较差为20℃~80℃时,表面最大拉应力为1.3MPa~5.1MPa;混凝土柱体在低湿度和低气压条件下,距表面不同深度位置的相对湿度均呈现下降趋势,环境湿度越低、气压越低、距离表面越近,湿度下降速度越快,表面湿度应力越大,在10%相对湿度、51kPa气压条件下,表面最大拉应力可达2.01MPa。根据哈尔滨和拉萨地区的30年气候数据,分别计算两地区混凝土柱体的温-湿-气压耦合应力,发现低周高应力疲劳是造成高原气候条件下混凝土后龄期(1~2年)开裂的原因,对于拉萨地区的混凝土柱体,60℃日较差荷载下的温度疲劳极限次数仅为32次,远低于哈尔滨地区的疲劳极限次数。通过对高原地区剧变天气条件下的混凝土柱体温度、湿度和应力场的计算,发现“淋雨”天气下,柱体表面温度下降最显著,拉应力最大,“气温骤降”天气次之,“云层遮挡”最小,除“云层遮挡”天气外,“气温骤降”和“淋雨”天气产生的表面拉应力均超过抗拉极限强度,可产生表面开裂。综上所述,本文在研究高原气候条件下混凝土材料的力学性能、耐久性能、收缩性能、微观性能及结构温湿度场、耦合应力场及开裂机制分析方面做了一系列工作,研究成果可为高原地区混凝土设计及工程实践提供一定的理论参考,并为高原地区混凝土的开裂预测提供模型支持。
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青藏高原,地理位置

青藏高原地处我国西南部，，包含了青海、新疆、甘肃、四川、云南的部分地区和西藏的全部地区，如图 1-1。图1-1 青藏高原地理位置(来源：http://www.sohu.com/a/219289416_324615)Fig.1-1 Geographical location of Tibet Plateau(Source: http://www.sohu.com/a/219289416_324615)在我国气候分类标准中，“高原气候”定义为在高原地区条件下形成的气候，兼有亚热带气候和温带气候特点，是具有自身特异性的独特高山气候[6]。总体上讲，青藏高原气候特点可概括为：环境温度低、日较差大、环境相对湿度低、空气稀薄、环境气压低。究其原因，主要是受到日照时间、海拔和地理位置的影响。青藏高原大部分地区的年平均日照时长在 2800h 以上，是我国日照辐射总量最高的地区，远高于我国东部平原地区。青藏高原东南部为山地亚热带湿润气候区，海拔较低、气温偏暖、雨量较足、植物生长条件良好；西部和南部边缘地区为亚寒带湿润气候区

高原地区,混凝土开裂,现象

哈尔滨工业大学工学博士学位论文- 4 -图1-2 高原地区混凝土开裂现象Fig. 1-2 Concrete cracking in plateau of China与东部平原地区相比，高原地区的环境温度、湿度、气压条件更为严酷，对混凝土性能的影响更大，混凝土材料和结构产生的破坏也更严重，鉴于我国对青藏高原地区基础设施建设的需求和高原地区城市建设发展的规划，研究并总结高原气候条件下的混凝土材料性能和结构受力特点，了解开裂机制，是非常有理论意义和实用价值的。1.2 国内外研究现状及分析1.2.1 环境温湿度对混凝土耐久性能的影响从20世纪80年代起，混凝土设计理念从根本上发生了变化，逐渐从基于强度的设计理念转变为强度和耐久性并重、以耐久性为重的设计理念。1990年，日本首次基于混凝土耐久性提出设计方案，并应用于实际工程中。1995年
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528

【参考文献】