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原文传递混凝土箱梁相变复合辐射控温机理与模式

论文题名：	混凝土箱梁相变复合辐射控温机理与模式
关键词：	混凝土箱梁;控温模式;被动控温;相变控温技术;辐射降温技术
摘要：	由于太阳辐射、昼夜温差与寒流降温等诸多因素的共同影响，我国特别是西部地区较大一部分比例的混凝土箱梁桥存在非线性温差所致的结构开裂损伤。混凝土箱梁控温防开裂技术已成为桥梁工程领域的重要研究课题。辐射降温和相变控温是基于材料辐射制冷与相变储能原理，无需引入主动式耗能设备，便可实现结构自身温度降低的新方法。将这种方法应用到桥梁工程领域，开展混凝土箱梁温度裂缝的控制模式和应用技术的研究，具有重要的现实意义和潜在的工程应用价值。本文在总结国内外混凝土箱梁日照温度效应、桥梁温度调控、相变控温技术和辐射降温技术等成果的基础上，探究了混凝土箱梁温度裂缝的形成机理，剖析了箱梁腹板内、外侧温差与温度应力的物理关系，构建了相变控温和辐射降温技术相结合、逐层递减的控温模式，制备了桥用相变控温与辐射降温材料，研发了混凝土箱梁自控温装置与涂层，开展了混凝土箱梁相变复合辐射控温机理与模式研究。论文的主要研究工作及结论如下：　　1.剖析了混凝土箱梁温度裂缝形成机理，探明了西部地区典型桥梁温度开裂规律，获取了变截面混凝土桥梁箱梁不同位置的腹板内、外侧温差和温度应力数据。以混凝土箱梁的混凝土轴心抗拉强度标准值对应的箱梁腹板内、外温差为临界目标，构建了多地域、分部位控温防开裂评估方法。依托典型桥梁工程，进行了有限元实体仿真和温度监测试验，对比了两套数据的差异，证明了变截面混凝土箱梁桥上部结构的中跨跨中部位最易产生温度裂缝。　　2.以大气红外辐射窗口的日间辐射理论为基础，结合相变控温与辐射降温技术，建立了适用于西部高原地区的相变控温和辐射降温技术相结合、逐层递减的控温模式与适用于西部一般地区的相变控温模式。针对典型依托工程，以安装和不安装自控温结构为控制变量，对比分析了一日内有限元仿真和温度监测试验数据的差异，进行了短期温度试验和温度骤变试验，验证了在常规天气与极端天气两种情况下不同控温模式的可行性。　　3.在相变控温和辐射降温技术相结合、逐层递减的温度裂缝控制模式的基础上，研发了一种用于混凝土箱梁腹板表面的自控温装置。该装置从外向内依次分为滤波器、反射层、封装层、潜热层和连结层五个部分。以未填充和填充复合相变材料为控制变量，进行了室内升降温试验，证明了潜热层可以较好的发挥作用。通过自制试验装置，开展了室外温度试验，得出了滤波器可用10wt%5μmSiO2微球的PDMS涂层进行制备，涂层厚度为不小于170μm。　　4.从提高混凝土自身抗裂性能的相变控温模式出发，采用凝胶法和吸附法进行了3次封装定形，研发了一种用于混凝土箱梁腹板表面的自控温涂层。该涂层由相变混凝土构成，通过表征试验，确定了相变混凝土材料的最佳比例，提出了用于桥梁自控温的相变混凝土设计制备方法。　　5.开展了桥用相变材料的设计与表征，以相变石蜡和硬脂酸甲酯作为原材料，分别以环氧树脂、高密度聚乙烯、膨胀珍珠岩作为基体材料，研制了凝胶定型复合相变材料、吸附定型复合相变材料和相变混凝土。通过材料泄漏、最佳配比和材料表征试验，分析了每种材料的微观结构、热稳定性、相变温度和相变潜热等热物性能。结果表明，复合相变材料应用于混凝土箱梁桥的控温具有较好的工程实用价值。
作者：	王桢
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	张劲泉;周建庭
授予学位：	博士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023