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原文传递 ECC机场道面加铺层的材料及结构研究

论文题名：	ECC机场道面加铺层的材料及结构研究
关键词：	机场道面;加铺层;高延性水泥基材料;反射裂缝;自愈合行为
摘要：	随着我国交通事业的快速发展，机场的建设迎来了一个高速的发展期。但是，由于航班架次的逐年增加，以及大重量飞机比例的逐渐提高，加上机场道面设计考虑不足或施工和维护不当等原因，导致机场道面早期病害多发。早期病害的产生缩短机场道面的服务使用寿命，进而严重影响机场的正常运行。因此，为了解决机场道面板开裂问题，提高机场道面的耐久性以及使用寿命，本文提出采用高延性水泥基材料(Engineered Cementitious Composites ECC)作为机场道面的加铺层。ECC材料具有良好的力学性能，能满足机场道面加铺层的设计要求。ECC材料超高的延性和多缝开裂特性能有效地抑制和延缓道面板内反射裂缝的产生和发展，从而保护整个道面结构。另外ECC材料独特的裂缝自愈合能力能有效地阻止腐蚀性物质渗入到道面板内，从而大大地延长了机场道面的耐久性能，减少机场道面在生命周期内的维修次数，节约经济成本。本文主要研究了ECC机场道面加铺层的防反射裂缝行为，ECC材料自愈合多尺度预测模型，研发基于本地材料的低成本ECC，计算比较ECC加铺层的厚度，以及对ECC机场道面加铺层在全寿命周期内进行评估分析(Life Cycle Assessment LCA)。　　首先为了说明ECC加铺层抑制机场道面反射裂缝的问题，本文通过理论与试验相结合的方法研究了ECC机场道面加铺层的防反射裂缝行为。基于双层材料界面断裂力学理论，分析了ECC加铺层防反射裂缝的作用机理。底部混凝土道面板层中的裂缝在向上反射的过程中，当裂缝尖端处的相对驱动力小于相对断裂韧性时，裂缝发生偏转进入层间界面，否则进入ECC加铺层。但是由于ECC材料的“R-curve”特性（断裂韧性随裂缝长度增加而快速增加），裂缝在ECC层内被“捕捉”住，很难向上发展，进而延缓了反射裂缝的发展。另外，通过试验研究分析了ECC/混凝土组合梁结构在四点弯曲荷载、疲劳荷载以及冲击荷载作用下的防反射裂缝行为和影响因素。研究表明ECC与混凝土的层间粘结状况以及初始界面裂缝长度对ECC加铺层的防反射裂缝效果有重要的影响。　　其次，在多尺度下研究了ECC材料自愈合行为。在宏观尺度，基于统计学原理分析了在宏观拉伸下ECC材料的开裂模式（包括平均裂缝宽度和裂缝条数），并用对数正态分布拟合建立了ECC材料在不同拉伸应变状态下的裂缝分布模型。然后在中观尺度，研究了ECC材料单裂缝自愈合行为，建立了单裂缝的弹性模量恢复与裂缝宽度的关系模型。最后结合宏观和中观的研究，建立了ECC材料自愈合多尺度预测模型，并且通过宏观单轴拉伸试验结果进行了论证。　　再次，为了降低ECC机场道面加铺层的建设成本，本文基于ECC微观力学设计理论，采用本地原材料尤其是国产低成本PVA纤维研发了具有良好力学性能，满足机场道面加铺层要求的国产化低成本ECC材料。通过调整粉煤灰的掺量和添加橡胶颗粒来调整设计基质性能（断裂强度和断裂韧性），以及纤维与基质的界面性能（化学粘结和摩擦粘结强度），进而调整ECC材料的力学性能。另外，本文引入了纳米微观材料CaCO3晶须来对低强度的国产ECC材料进行增强设计。　　然后，基于得到的国产低成本ECC材料的力学性能，通过双层板理论分析计算了ECC机场道面加铺层在不同结合形式下的厚度，并且与普通水泥混凝土加铺层和沥青混凝土加铺层厚度进行比较分析。ECC加铺层的厚度比普通水泥混凝土加铺层和沥青混凝土加铺层的厚度分别减少了42.5％和52％。　　最后，通过全寿命周期分析(LCA)方法对ECC加铺层、水泥混凝土加铺层以及沥青混凝土加铺层在生命周期内的能源消耗、环境排放以及对人类健康的影响进行分析。在整个寿命周期内ECC加铺层的一次能源消耗分别仅为水泥混凝土加铺层和沥青混凝土加铺层的67％和13％，温室气体排放分别仅为水泥混凝土加铺层和沥青混凝土加铺层的42％和66％。分析结果体现了ECC机场道面加铺层的环境友好性和可持续发展性。
作者：	马辉
专业：	交通运输工程；道路与铁道工程
导师：	李志煇
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文