常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能

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出版者:清华大学出版社发行部
作者:过镇海
出品人:
页数:493
译者:
出版时间:2006-6
价格:58.00元
装帧:简裝本
isbn号码:9787302121091
丛书系列:
图书标签:
  • 混凝土
  • 力学性能
  • 常温
  • 高温
  • 材料力学
  • 结构工程
  • 耐久性
  • 混凝土结构
  • 高温性能
  • 力学试验
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具体描述

《常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能》是钢筋混凝土材料和构件在常温和高温(达900℃)下力学性能的试验研究论文集,是从作者从事教学和科研工作50年以来所撰写的多篇论文以及与合作者(包括所指导的研究生)共同发表的约百篇论文中选编而成。全书共有论文35篇,编为6个专题:新型构件和结构,加气混凝土材料和板材,混凝土的基本力学性能,混凝土的多轴强度和本构关系,材料的高温性能和耦合本构关系,构件的高温性能和计算方法。它们从一个侧面反映了我国国民经济和基本建设事业发展和需求的历程,以及钢筋混凝土结构工程的实际应用和研究工作技术水平的不断提升。

书中介绍了有关研究课题的具体试验研究方案和主要成果,其中属于应用基础类的研究成果占很大篇幅。书中提供的试验数据、性能规律、机理分析、计算模型和公式,以及理论分析方法等可供工程实际应用。此外,书中所展示的开展钢筋混凝土结构工程类研究工作的思路和方法,也将对研究人员有所启示。书中特别强调了突破试验技术的障碍,自行设计新型试验方法和研制专用试验设备的重要性。例如书中创建的叠合梁的二阶段加载试验方法,混凝土受压和受拉应力应变全曲线的试验量测方法,混凝土立方试件的真三轴加载设备,以及材料和构件的高温试验炉等,对于开拓新的研究领域,提高研究水平,深入揭示重要的力学现象和规律,提供机理分析和物理模型,获取高质量研究成果等起了决定性的作用。

《常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能》可供从事结构工程的科研和设计技术人员,以及高等学校结构工程类专业的师生在研究、设计和教学工作中作参考。

常温和高温下混凝土材料和构件的力学性能 引言 混凝土作为一种应用最为广泛的结构材料,其在不同温度环境下的力学性能表现,对于保障工程结构的安全性、可靠性及耐久性至关重要。特别是在我国,随着经济的飞速发展,极端天气事件发生的频率增加,以及高温工业生产过程的应用,对混凝土在高温环境下的行为机理及其在常温下的力学特性进行深入研究,已成为土木工程领域迫切需要解决的课题。本书旨在系统阐述混凝土材料在常温和高温作用下的宏观与微观力学性能变化规律,深入剖析其变化机理,并在此基础上,探讨不同温度环境下混凝土构件的力学响应与设计方法。 第一章:混凝土材料的常温力学性能 本章将聚焦于混凝土在正常温度(通常指-10°C至35°C)下的基本力学性能。我们将从混凝土的基本组成出发,详细介绍水泥、骨料、水以及外加剂等组分对混凝土宏观力学性能的影响。 1. 抗压强度: 作为混凝土最主要的力学指标,我们将详细介绍影响混凝土抗压强度的各种因素,包括水灰比、水泥强度等级、骨料种类与级配、养护条件(温度、湿度、时间)以及外加剂的使用。我们将阐述不同龄期下混凝土抗压强度的增长规律,并介绍相关的试验方法和评定标准。 2. 抗拉强度与劈裂抗拉强度: 混凝土抗拉强度远低于抗压强度,但对于抵抗拉应力、防止开裂具有重要意义。本章将深入分析影响混凝土抗拉强度的因素,并介绍常用的抗拉强度试验方法,如直接抗拉试验和劈裂抗拉试验,以及两者之间的关系。 3. 抗折强度: 抗折强度是评价混凝土抵抗弯曲破坏能力的重要指标,与结构的抗弯性能密切相关。我们将阐述抗折强度的概念,介绍其试验方法,并分析其与抗压强度、抗拉强度的内在联系。 4. 弹性模量与泊松比: 弹性模量是衡量混凝土抵抗变形能力的关键参数,而泊松比则描述了材料在受力时横向应变与轴向应变的比值。本章将详细介绍影响混凝土弹性模量和泊松比的因素,包括混凝土的组成、密实度、含水率以及加载速率,并介绍其试验测定方法。 5. 徐变与收缩: 徐变是混凝土在长期荷载作用下,应力不变但应变持续增大的现象,而收缩则是混凝土在脱水过程中发生的体积减小。这两种性能对混凝土结构的长期变形、应力分布以及裂缝的产生具有显著影响。我们将深入探讨徐变和收缩的机理,分析影响其大小的因素(如荷载大小、持续时间、环境湿度、温度、混凝土组成等),并介绍其预测模型和减缓措施。 6. 断裂韧性: 混凝土是一种典型的脆性材料,其断裂行为对结构的整体安全性具有重要影响。本章将介绍混凝土断裂韧性的概念,分析影响断裂韧性的因素,并探讨相关的断裂力学理论及其在混凝土结构分析中的应用。 7. 疲劳性能: 在重复荷载作用下,混凝土的力学性能会发生退化,导致提前发生破坏。我们将探讨混凝土在不同应力水平和应力比下的疲劳寿命,并介绍相关的疲劳寿命预测模型。 第二章:混凝土材料的高温力学性能 本章将重点研究混凝土在高温(通常指高于50°C,可达数百甚至上千摄氏度)作用下力学性能的变化规律及其变化机理。高温对混凝土的影响是多方面的,既有物理变化,也有化学变化。 1. 高温对混凝土物化性质的影响: 失水现象: 随着温度的升高,混凝土内部的水分会逐渐蒸发,导致孔隙率增加,体积发生收缩。我们将分析不同温度下水分蒸发的速率和程度,以及其对混凝土密实度的影响。 水泥石水化产物的脱水与分解: 水泥石的主要水化产物,如C-S-H凝胶、Ca(OH)2等,在高温作用下会发生脱水甚至分解反应,导致水泥石结构遭到破坏。我们将详细阐述这些化学反应的机理,并分析不同温度下分解产物的种类和数量。 骨料与水泥石界面的变化: 高温会引起骨料与水泥石之间热膨胀系数的差异,产生热应力,导致界面微裂缝的产生与扩展。同时,部分骨料(如天然骨料)在高温下也可能发生体积变化或相变,进一步加剧界面破坏。 微观结构变化: 通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等手段,我们将展示高温对混凝土微观孔隙结构、晶体形态以及相组成的影响,从而揭示宏观性能变化的微观根源。 2. 高温下的混凝土抗压强度变化: 强度退化规律: 本章将系统介绍不同升温速率、保温时间、最高温度以及养护条件对混凝土抗压强度的影响。通常,混凝土在经历短暂高温后,其抗压强度会显著下降,且这种退化是不可逆的。 不同类型水泥和骨料的影响: 不同组成的水泥和骨料,其高温下的稳定性差异较大,从而导致混凝土整体高温性能的不同。例如,使用高掺合料的水泥或惰性骨料的混凝土,其高温性能可能相对较好。 高温作用后的恢复性能: 研究表明,在某些条件下,高温作用后的混凝土可能具有一定的性能恢复能力,但通常无法恢复至初始水平。本节将讨论影响恢复性能的因素。 3. 高温下的混凝土抗拉强度、抗折强度、弹性模量和泊松比变化: 强度指标的退化: 与抗压强度类似,混凝土的抗拉强度、抗折强度也会在高温作用下显著降低。我们将分析其退化规律,并与抗压强度退化进行对比。 弹性模量和泊松比的显著降低: 高温作用下,混凝土的刚度(弹性模量)会急剧下降,变形能力增强,泊松比也可能发生变化。这将直接影响混凝土构件在受力下的变形行为。 4. 高温下的混凝土徐变与收缩: 高温诱发的额外变形: 高温不仅会引起与常温相似的徐变和收缩,还会伴随着由于失水和材料分解而产生的额外收缩和变形。 高温对徐变特性的影响: 高温可能加速徐变过程,并改变徐变速率和发展规律。 5. 高温下的混凝土断裂行为: 脆性增强与韧性降低: 高温作用下,混凝土的微观结构破坏可能导致裂缝的萌生和扩展更容易,其断裂韧性通常会降低,表现出更强的脆性。 裂缝扩展机理: 分析高温下裂缝的形态、宽度和分布规律,以及其与材料内部损伤的关系。 第三章:混凝土构件在常温和高温下的力学性能 本章将从材料层面过渡到构件层面,研究混凝土构件在不同温度环境下所表现出的力学性能。 1. 常温下混凝土构件的力学性能: 轴心受压构件: 混凝土柱在轴心受压荷载作用下的承载能力、变形特性以及破坏模式。 受弯构件: 混凝土梁在弯曲荷载作用下的受力特性、挠度、裂缝发展以及破坏模式。我们将分析钢筋与混凝土之间的协同工作性能。 受剪构件: 混凝土梁、板在剪力作用下的承载能力、剪切破坏形态。 受拉构件: 混凝土梁、板在拉力作用下的开裂荷载、承载能力。 组合构件: 如框架柱、剪力墙等,在复杂荷载作用下的整体力学性能。 2. 高温下混凝土构件的力学性能: 升温过程中的构件性能: 分析构件在温度梯度、热应力以及材料性能退化共同作用下的行为。 火灾场景下的混凝土构件: 模拟火灾过程中的温度上升、保温以及冷却阶段,研究混凝土构件的残余强度和变形能力。 构件承载能力下降: 系统阐述高温对混凝土梁、柱、板等不同类型构件承载能力的削弱作用。 构件变形与裂缝: 分析高温下构件的挠度、侧移以及裂缝的产生和发展规律,特别关注高温可能导致的严重开裂和剥落现象。 钢筋在高温下的影响: 钢筋在高温下的屈服强度、弹性模量也会降低,其与混凝土的协同工作能力受到影响。本节将结合钢筋的高温性能,分析钢筋混凝土构件的整体行为。 构件的破坏模式: 探讨高温下混凝土构件可能出现的不同于常温下的破坏模式,例如,由于高温引起的混凝土剥落导致的钢筋裸露和屈服。 3. 高温作用后混凝土构件的性能评估与修复: 残余强度评估: 介绍评估高温作用后混凝土构件残余强度的各种方法,包括无损检测和取样试验。 修复技术: 探讨对高温损伤的混凝土构件进行修复的常用技术,如表面修补、注入聚合物砂浆、钢纤维增强等。 第四章:混凝土材料和构件力学性能的测试与分析方法 本章将详细介绍用于研究混凝土材料和构件在常温和高温下力学性能的试验方法、数据处理技术以及数值模拟方法。 1. 常温下的试验方法: 材料试验: 抗压、抗拉、抗折强度试验,弹性模量测定,徐变仪,收缩板试验等。 构件试验: 梁、柱、板等构件的静载试验、拟静载试验、振动试验等。 试验设备与仪器: 介绍常用的万能试验机、加载设备、测量仪器(位移传感器、应变片、温度传感器等)。 2. 高温下的试验方法: 高温试验炉: 介绍不同类型的高温试验炉(马弗炉、电阻炉、喷枪炉等)及其工作原理。 加热与保温方案: 讨论不同升温速率、保温温度和时间的试验方案设计。 高温下的力学性能测试: 材料试验: 在高温炉中进行的材料力学性能测试,包括高温下的抗压、抗拉、抗折强度以及弹性模量测试。 构件试验: 模拟火灾场景下的构件试验,如单层或多层构件在高温炉中的受力试验。 试验中的挑战与解决方案: 探讨高温试验中面临的温度均匀性、应力施加、数据采集等技术难题,并介绍相应的解决方案。 高温后性能测试: 冷却后的材料和构件的残余力学性能测试。 3. 数据处理与分析: 试验数据的整理与统计: 介绍如何对试验数据进行初步整理,计算平均值、标准差等统计量。 性能退化曲线的绘制: 如何根据试验结果绘制混凝土材料和构件在不同温度下的性能退化曲线。 参数辨识: 如何通过试验数据辨识混凝土的力学参数,为后续分析提供依据。 4. 数值模拟方法: 本构模型: 介绍用于模拟混凝土在常温和高温下力学行为的本构模型,包括损伤模型、塑性模型等。 有限元分析(FEA): 模型建立: 如何根据几何形状、材料属性和边界条件建立有限元模型。 温度场分析: 如何进行瞬态或稳态的温度场分析,获得构件内部的温度分布。 结构力学分析: 如何耦合温度场和力学场,进行非线性结构力学分析,预测构件的应力、应变和位移。 高温效应的模拟: 如何在有限元模型中考虑材料性能随温度的变化、热应力以及材料的损伤。 数值模拟的验证与对比: 如何将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证模型的准确性。 第五章:混凝土材料和构件设计与应用 本章将基于前述的理论研究和试验结果,探讨混凝土材料和构件在不同温度环境下的设计原则、规范应用以及实际工程案例。 1. 常温下混凝土结构设计: 设计规范与标准: 介绍我国现行的混凝土结构设计规范(如《混凝土结构设计规范》GB50010),以及其中的相关设计方法和参数取值。 结构安全度要求: 阐述常温下混凝土结构的设计荷载、抗力计算以及安全储备。 耐久性设计: 考虑混凝土在长期使用环境下的耐久性问题,如抗冻融、抗侵蚀等。 2. 高温下的混凝土结构设计与抗火设计: 抗火设计原则: 介绍建筑结构抗火设计的基本原则,即保证结构在火灾作用下一定时期的整体稳定性和承载能力,防止火灾蔓延。 火灾荷载与温度曲线: 介绍标准火灾曲线(如ISO834曲线)和实际火灾曲线,以及其对结构的影响。 高温下构件承载能力折减: 如何根据高温作用下混凝土和钢筋性能的退化,计算构件在火灾中的残余承载能力。 耐火极限的确定: 介绍结构构件耐火极限的确定方法,以及如何通过设计满足不同建筑物的耐火等级要求。 设计方法举例: 以某类型构件为例,演示在考虑火灾作用下的设计过程。 防火材料与构造: 介绍常用的防火涂料、防火板、膨胀材料等在保护混凝土结构免受高温影响方面的应用。 3. 特殊工程应用: 核电站反应堆厂房: 反应堆厂房在正常运行和事故工况下可能承受高温,对其混凝土结构的力学性能有特殊要求。 工业厂房: 涉及高温设备的厂房,如熔炼炉、锅炉等周边结构,需要考虑高温对混凝土的影响。 隧道与地下工程: 某些特殊隧道或地下空间可能面临高温风险,需要对其结构安全性进行评估。 高温环境下的储罐与管道支架: 用于储存或输送高温介质的结构,需要考虑混凝土材料在高温下的长期稳定性和承载能力。 4. 工程案例分析: 火灾事故案例分析: 选择典型的火灾事故,分析火灾对混凝土结构造成的损害,以及事后的评估与修复。 高温工程应用案例: 介绍在高温环境下成功应用的混凝土工程实例,总结其设计和施工经验。 结论与展望 本书系统地总结了混凝土材料和构件在常温和高温下的力学性能,深入探讨了其变化机理,介绍了相关的测试与分析方法,并结合工程实践提出了设计原则。未来,在高温混凝土研究领域,仍有许多值得深入探索的方向,例如: 高性能高温混凝土的开发: 研制能够承受更高温度、具有更好耐久性和抗裂性能的新型混凝土材料。 先进的监测与评估技术: 开发更精准、更便捷的无损检测技术,用于评估高温损伤混凝土的残余性能。 更精细化的数值模拟模型: 发展能够更准确地反映混凝土在高温下复杂行为的数值模型。 智能化设计与维护: 结合人工智能技术,实现混凝土结构在不同温度环境下的智能化设计、健康监测与维护。 通过对这些问题的深入研究,将为我国在极端温度环境下建筑工程的安全与可持续发展提供更坚实的理论与技术支撑。

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这本书的结构安排堪称教科书级别的典范。开篇宏大,奠定了混凝土作为现代工程基石的地位,随后便迅速切入材料的微观世界,层层递进,直至最终讨论复杂构件在实际荷载作用下的响应。我特别欣赏作者在处理温度效应时,将热力学和力学完美结合的方式。许多同类书籍在处理热影响时往往偏向于某一单一方面,而这本书成功地架起了这两座桥梁,展示了热能如何通过改变材料的物理状态,进而影响其承载能力。阅读过程中,我感觉自己像是在跟随一位经验丰富的大师进行私人辅导,他不仅告诉你“是什么”,更重要的是告诉你“为什么是这样”。对于研究生或青年学者而言,这本书无疑是梳理研究方向、构建扎实理论基础的绝佳读物。它提供的是一个可以深入挖掘、持续学习的知识源泉。

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老实说,我最初购买这本书是冲着它名字里“常温和高温”这几个字去的,希望能找到一个集中的参考资料来解决我手头一些关于耐久性设计的问题。这本书确实做到了,而且远不止于此。它的深度和广度令人印象深刻,不仅仅关注于传统的抗压强度,还花费了大量的篇幅去讨论蠕变、徐变、以及在不同温度梯度下的热应力累积效应。我尤其喜欢作者在探讨材料对环境敏感性时的那种辩证思维。比如,在讨论某种添加剂对高温抗性的影响时,作者会同时列举其在常温下的潜在缺点,这种平衡的视角,使得整本书的结论非常可靠,不会让人产生“一俊遮百丑”的错觉。排版上,注释和参考文献的标注非常规范,这对于想要进一步追踪原始文献的研究人员来说,简直是福音。这本书的价值在于它提供的是一个完整的知识框架,而不是零散的知识点。

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这本书的装帧设计着实吸引人,封面的配色很专业,那种深沉的蓝与灰的搭配,立刻让人联想到结构工程的严谨性。拿到手里分量不轻,纸张的质感也相当不错,摸上去很光滑,印刷字迹清晰,阅读起来很舒服。我原本是抱着学习一些基础知识的目的来的,但翻阅目录时,发现它涉及的深度远超我的预期。特别是关于材料的微观结构和宏观力学响应之间的关联分析,写得非常透彻,不是那种泛泛而谈的教科书语言。那些复杂的公式推导,作者似乎非常耐心地分解了每一步,即便是初学者也能跟上思路。当然,这本书的阅读门槛不低,需要一定的结构力学或材料力学基础才能完全领会其精髓。我特别留意了其中关于不同养护龄期材料性能变化的章节,那里的图表制作得非常精美,数据翔实,展现了作者长期研究的功力。整体感觉,这是一本可以作为案头工具书,时不时拿出来翻阅,总能从中获得新知的宝藏。

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这本书的阅读体验,如果用一个词来形容,那就是“沉浸感”。作者的笔触非常具有引导性,虽然内容专业性极强,但似乎有一种无形的力量牵引着你从一个概念顺利过渡到下一个更深层次的理解。我注意到,书中对不同标准体系下的试验方法也进行了详细的对比和说明,这对于跨国合作或者需要对照不同规范进行设计的专业人士来说,是极其实用的补充。它没有回避现阶段材料科学中依然存在的争议和未解难题,而是坦诚地指出哪些地方是基于现有认知,哪些地方还需要进一步探索,这种诚实的态度,让读者感受到了作者的学术良心。这本书的图表信息密度非常高,建议读者不要跳过任何一个附图,因为很多关键的结论都是通过视觉化的方式简洁而有力地传达出来的。它不是一本适合快速阅读的书,更像是一部需要细细品味的工具手册。

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这本书的论述逻辑严密得像一个精密的仪器。作者的行文风格非常理性、克制,没有丝毫的煽情或夸张,完全是基于实验数据和理论分析来构建整个知识体系。我最欣赏的是它在讨论性能退化机制时的那种抽丝剥茧的态度。它不是简单地告诉你“高温下强度会降低”,而是深入探讨了热损伤引起的孔隙结构变化、水化产物分解乃至钙硅酸盐凝胶的重构过程,这些细节的处理,极大地提升了这本书的学术价值。对于我这种在实际工程中经常处理极端环境混凝土问题的工程师来说,这本书提供了坚实的理论后盾。书中的案例分析部分也相当精彩,那些模拟的场景和对应的性能预测,都让人觉得这些知识不是空中楼阁,而是可以指导实践的利器。不过,坦白说,对于不太熟悉高级数学工具的读者,某些推导部分可能需要多花些时间去消化,但耐心钻研下去,回报是巨大的。

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