《混凝土材料高韧化和结构服役性能提升关键技术》

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该技术发明属土木与水利工程领域。在多重荷载工况作用下,大型混凝土结构开裂现象十分普遍,对结构服役性能造成了严重影响。由于传统混凝土材料所固有的脆性特征以及结构修复中新老混凝土界面的粘结问题,一直是制约各种混凝土工程改建、扩建、分建、续建及加固改造质量的世界性技术难题。在中国,一些重点大型结构,如南水北调丹江口大坝加高工程等都严峻地面临着混凝土开裂及修复的关卡问题,没有成熟经验可以借鉴,其裂缝控制及修复的质量直接关系到这项世纪工程的成败。因此,迫切需要解决混凝土开裂及修复的核心问题---混凝土增韧防裂和结构修复施工的关键技术,进而大幅提升各类基础设施的修建质量和服役性能。在历时10余年的技术攻关过程中,该项目团队通过系统深入地研究,自主研发了能满足不同控裂要求的超高韧性纤维混凝土新材料、规模化工业生产制备方法以及新材料施工关键技术,实现了对新建或既有大型结构服役性能的显著提升,完成了高韧性混凝土材料、施工工艺、基础理论及工程应用等方面的系统创新,保证了相关重点工程的顺利建成。主要技术发明与理论创新成果如下:发明了极限拉伸应变稳定达到3%以上的超高韧性水泥基复合材料UHTCC,抗压强度达80MPa以上,断裂能达5370N/m,极限拉伸应变为普通混凝土的300倍以上。在国际上建立了首条UHTCC自动化生产线,为大型工程结构裂缝控制提供了关键材料保障。发明了有效控制裂缝发生与扩展的UHTCC新型复合结构和采用纤维编织网作为定向增韧材料的新施工工艺;创造了碳/玻混编、乱向短纤维/定向连续纤维编织网混杂增强的新型混凝土结构;发明了采用纤维编织网混凝土对既有结构进行加固修复的新技术。基于流变学和微观力学原理发明了能用于喷射的UHTCC及其喷射工艺,具有施工快速连续、适用性强、材料自密实及最大效率利用等特点,实现了待喷射加固混凝土结构的定量化增强和控裂。发明了基于标准粗糙度的混凝土粘结强度试验方法和混凝土断裂试验起裂荷载测试方法,研制了高精度混凝土断裂试验系统,突破了试验测试方法和设备的技术瓶颈,建立了实用价值很强的界面粘结性能试验数据库。发现了新老混凝土性能差异、温度场差异、结合界面应力状态及结合面的形态等四项主要因素对大型结构新老混凝土界面粘结影响的基本规律,完整地揭示了界面粘结机理。创建了新老混凝土“双因素应力平衡”界面粘结模型,发明了粘结高效且应变性强的新老混凝土结合界面密合剂,将界面粘结材料设计成超缓凝、体积变形小、强度增长迅速的密合层。发明了新老混凝土结合面新增人工键槽成型施工技术及“锯割静裂法”施工方法,研究发明了新增人工键槽最佳施工作业工艺,同时发明了保障静裂施工精度的桁架移动式钻孔辅助支架和钻孔导向器,实现了新增人工键槽大规模、高质量、低成本快速成型施工。该技术发明在土木与水利工程领域具有很显著的技术创新性,技术难度大,应用效果明显,已授权国家发明专利十余项,制定了国家工法2部,发表SCI、EI论文100篇以上等。这些成果经国家自然科学基金委、国务院南水北调办公室组织同行专家鉴定和评审,认为具有创新性和广泛应用前景。已成功应用到桥梁、大坝、隧道、建筑等不同工程领域,包括丹江口大坝加高、上海吴淞军港紧急抢修、南京长江大桥快速修复、杭州秋石高架及石祥高架无伸缩缝桥面连续结构、杭新景高速公路特大桥紧急修复、杭金衢高速公路新岭隧道建设等大型工程中发挥了重要作用,为行业技术进步提供了基础性新材料和关键新技术,提高了中国大型基础设施的服役性能,取得了巨大的社会和经济效益。

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