ECC機場道面加鋪層的材料及結構研究.pdf

1、隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，機場的建設迎來了一個高速的發(fā)展期。但是，由于航班架次的逐年增加，以及大重量飛機比例的逐漸提高，加上機場道面設計考慮不足或施工和維護不當?shù)仍?，導致機場道面早期病害多發(fā)。早期病害的產生縮短機場道面的服務使用壽命，進而嚴重影響機場的正常運行。因此，為了解決機場道面板開裂問題，提高機場道面的耐久性以及使用壽命，本文提出采用高延性水泥基材料(Engineered Cementitious Composites ECC

2、)作為機場道面的加鋪層。ECC材料具有良好的力學性能，能滿足機場道面加鋪層的設計要求。ECC材料超高的延性和多縫開裂特性能有效地抑制和延緩道面板內反射裂縫的產生和發(fā)展，從而保護整個道面結構。另外ECC材料獨特的裂縫自愈合能力能有效地阻止腐蝕性物質滲入到道面板內，從而大大地延長了機場道面的耐久性能，減少機場道面在生命周期內的維修次數(shù)，節(jié)約經濟成本。本文主要研究了ECC機場道面加鋪層的防反射裂縫行為，ECC材料自愈合多尺度預測模型，研發(fā)基于

3、本地材料的低成本ECC，計算比較ECC加鋪層的厚度，以及對ECC機場道面加鋪層在全壽命周期內進行評估分析(Life Cycle Assessment LCA)。
　　首先為了說明ECC加鋪層抑制機場道面反射裂縫的問題，本文通過理論與試驗相結合的方法研究了ECC機場道面加鋪層的防反射裂縫行為。基于雙層材料界面斷裂力學理論，分析了ECC加鋪層防反射裂縫的作用機理。底部混凝土道面板層中的裂縫在向上反射的過程中，當裂縫尖端處的相對驅動力小

4、于相對斷裂韌性時，裂縫發(fā)生偏轉進入層間界面，否則進入ECC加鋪層。但是由于ECC材料的“R-curve”特性（斷裂韌性隨裂縫長度增加而快速增加），裂縫在ECC層內被“捕捉”住，很難向上發(fā)展，進而延緩了反射裂縫的發(fā)展。另外，通過試驗研究分析了ECC/混凝土組合梁結構在四點彎曲荷載、疲勞荷載以及沖擊荷載作用下的防反射裂縫行為和影響因素。研究表明ECC與混凝土的層間粘結狀況以及初始界面裂縫長度對ECC加鋪層的防反射裂縫效果有重要的影響。

5、>　　其次，在多尺度下研究了ECC材料自愈合行為。在宏觀尺度，基于統(tǒng)計學原理分析了在宏觀拉伸下ECC材料的開裂模式（包括平均裂縫寬度和裂縫條數(shù)），并用對數(shù)正態(tài)分布擬合建立了ECC材料在不同拉伸應變狀態(tài)下的裂縫分布模型。然后在中觀尺度，研究了ECC材料單裂縫自愈合行為，建立了單裂縫的彈性模量恢復與裂縫寬度的關系模型。最后結合宏觀和中觀的研究，建立了ECC材料自愈合多尺度預測模型，并且通過宏觀單軸拉伸試驗結果進行了論證。
　　再次，為

6、了降低ECC機場道面加鋪層的建設成本，本文基于ECC微觀力學設計理論，采用本地原材料尤其是國產低成本PVA纖維研發(fā)了具有良好力學性能，滿足機場道面加鋪層要求的國產化低成本ECC材料。通過調整粉煤灰的摻量和添加橡膠顆粒來調整設計基質性能（斷裂強度和斷裂韌性），以及纖維與基質的界面性能（化學粘結和摩擦粘結強度），進而調整ECC材料的力學性能。另外，本文引入了納米微觀材料CaCO3晶須來對低強度的國產ECC材料進行增強設計。
　　然后，

7、基于得到的國產低成本ECC材料的力學性能，通過雙層板理論分析計算了ECC機場道面加鋪層在不同結合形式下的厚度，并且與普通水泥混凝土加鋪層和瀝青混凝土加鋪層厚度進行比較分析。ECC加鋪層的厚度比普通水泥混凝土加鋪層和瀝青混凝土加鋪層的厚度分別減少了42.5％和52％。
　　最后，通過全壽命周期分析(LCA)方法對ECC加鋪層、水泥混凝土加鋪層以及瀝青混凝土加鋪層在生命周期內的能源消耗、環(huán)境排放以及對人類健康的影響進行分析。在整個壽命