预制桥梁GRPC材料的优化设计及接缝性能研究

绿色高性能混凝土”是近年来混凝土发展的主要方向之一。活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）是一种具有高强度和高耐久性的超高性能混凝土材料，但其制备和应用中存在材料成本高、资源能耗大、养护工艺复杂等问题。遵循混凝土材料“节约资源、绿色环保”的可持续发展方向，本文通过采用两种可回收利用的工农业废料——稻壳灰和混凝土再生微粉，作为“绿色掺合料”替代RPC中的水泥和硅灰，以制备具有良好经济环保性能的“绿色活性粉末混凝土”。 本文研究对比了稻壳灰和再生微粉对RPC强度、耐久性和工作性能的影响。首先，对选用的两种绿色掺合料的物理化学性能进行了检测分析，初步探究其作为RPC掺合料的可行性；然后，分别用稻壳灰和再生微粉以不同掺量取代硅灰和水泥，研究掺绿色掺合料的RPC的力学性能、工作性能以及耐久性（收缩性能和抗氯离子渗透性能）的变化。同时，还对比了稻壳灰和再生微粉与常见的掺合料矿粉和粉煤灰对RPC性能的影响。研究结果表明：采用稻壳灰和再生微粉作为绿色环保的活性掺合料制备的“绿色活性粉末混凝土”，虽然与掺硅灰的RPC相比，其强度有一定程度的下降，但仍能满足一般工程对高性能混凝土的强度需求；在耐久性方面，稻壳灰和再生微粉还能减小RPC的收缩变形，并使RPC保持较好的抗氯离子渗透性能。研究结果为绿色活性掺合料在RPC中的应用提供了理论支持和技术支持，提高了RPC的经济性，扩大了其在工程中的应用范围，有利于废弃资源回收利用，带来良好的环境效益，促进了RPC的可持续化发展。 采用无损检测方法—冲击共振法，可以快速准确地测出混凝土早龄期动态弹性模量，通过它与静力受压弹性模量的线性关系推算出静力受压弹性模量。试验研究了骨料体积含量、粗骨料级配、粗骨料种类、水灰比和养护温度对混凝土轴心抗压强度和弹性模量的影响。研究得出水灰比是轴心抗压强度的重要影响因素，骨料体积含量是弹性模量的重要影响因素。采用多元回归分析建立了上述影响因素与强度和弹性模量相关关系的数学表达式。 进行了四种骨料组合混凝土的抗硫酸加速腐蚀试验。含有大理石骨料的混凝土比含青石和黄砂骨料的混凝土耐硫酸腐蚀性能高。腐蚀层受扰动情况下，腐蚀深度与腐蚀时间成线性关系。 进行了硫酸腐蚀作用对桩-土接触面剪切特性的影响的研究。提出了等耐久性与全寿命设计方法。 2100433B

活性粉末混凝土(RPC)具有超高强度、高韧性、高耐久性和高体积稳定性，但由于造价高应用受限。通过选取工业废料替代RPC 中的部分水泥、硅灰和石英粉等，研制低成本RPC-Green Reactive Powder Concrete (GRPC)应用于预制混凝土桥梁，具有工程意义和科学意义。运用分式正交设计方法制定试验矩阵，对试验参数（水胶比和纤维、硅粉、石英粉、工业废料、减水剂品种与掺量以及养护方法）组合及材料性能（力学性能、工作性能及耐久性能等）进行系统的试验研究，建立基于材料性能指标和全寿命经济性指标的GRPC 优化设计模型。开发GRPC 桥板接缝材料，设计、试验研究GRPC 桥板接缝形式，使其具有缩短现场施工，保证传递弯矩和剪力及优良的耐久性能，实现桥板全寿命周期的环保与低消耗。

结构阻尼一体化技术可以实现高效振动响应控制和结构承载功能一体化，是目前航空航天飞行器结构设计的重要研究方向。本项目基于全复合材料点阵夹芯结构优异的比刚度和比强度性能，结合粘弹性阻尼材料的高阻尼特性，设计制备兼具结构承载功能和减振降噪功能的多功能结构，研究这类结构的动力学响应规律和阻尼特性。研究内容包括：针对结构承载和阻尼设计要求，开展多功能协同和多目标优化设计，提出微结构优化设计方法，给出优化设计方案；采用共固化工艺制备阻尼复合材料点阵结构，研究工艺参数对结构动力学性能的影响规律；建立阻尼复合材料点阵结构的细观力学分析模型，研究其宏微观阻尼机理以及微观结构与结构整体动态性能的关系。研究成果可为航空航天飞行器结构设计制造提供理论依据和技术储备。

结构阻尼一体化技术可以实现高效振动响应控制和结构承载功能一体化，是目前航空航天飞行器结构设计的重要研究方向。本项目基于全复合材料点阵夹芯结构优异的比刚度和比强度性能，结合粘弹性阻尼材料的高阻尼特性，设计制备兼具结构承载功能和减振降噪功能的多功能结构，研究这类结构的动力学响应规律和阻尼特性。主要研究成果包括：针对结构承载和阻尼设计要求，开展了多功能协同和多目标优化设计，提出了阻尼点阵结构的设计方案；采用共固化工艺制备阻尼复合材料点阵平板结构和曲面壳结构，通过在复合材料点阵面板以及芯子中埋置阻尼材料的方法实现了在结构刚度不降低的前提下阻尼性能的大幅提高；建立了阻尼复合材料点阵结构阻尼性能与其结构参数的关系，获得了这类结构力学性能和阻尼性能的表征方法。研究成果可为航空航天飞行器结构设计制造提供理论依据和技术储备。 课题圆满完成了既定的计划任务、实现了预期研究目标。迄今为止，本课题共发表学术期刊论文7篇，会议论文4篇，其中SCI检索6篇，EI检索3篇。在科学出版社出版专著1部。获得授权国家发明专利2项。通过课题研究培养博士生8人，硕士生4人，毕业博士生3人、硕士生3人。 2100433B