2019年, 第40卷, 第01期 刊出日期:2019-01-05
  

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    综述评论
  • 缪昌文, 顾祥林, 张伟平, 郭弘原
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 1-10. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.001
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    以环境作用下混凝土结构的性能演化与控制为主线,对相关研究成果进行回顾与分析。结果表明,经过二十余年的研究,对环境介质的侵蚀机理、锈蚀混凝土构件的受力性能、结构的时变可靠度等基本理论问题有了清晰的认识;开发了钢筋锈蚀监测和检测、混凝土结构电化学和自修复技术;明确了结构全寿命设计与维护的基本概念。但要建立完善的结构全寿命设计与维护理论,未来尚应在研究方法上以不确定性的研究为主,在研究内容上聚焦时变性,充分关注环境作用的时空变异性和材料细观层面的非匀质性。
  • 林红威, 赵羽习
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 11-27. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.002
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    从黏结试验方法、黏结强度和黏结应力-滑移本构关系三个方面,对单调及重复荷载作用下钢筋混凝土黏结性能相关研究进行了综述。对于中心拔出试验,钢筋与混凝土的黏结受力状态与实际工程结构有偏差,而梁式或梁端式黏结试验是相对较为理想的黏结试验方法。单调荷载作用下,对于非锈蚀钢筋混凝土,黏结强度以及黏结应力-滑移本构关系的研究均较为完善,成果已在各国或地区规范中体现;对于锈蚀钢筋混凝土,黏结强度劣化规律的研究已有大量数据积累,并已建立了以钢筋锈蚀率或锈胀裂缝宽度为变量的黏结强度劣化模型,但单调荷载作用下锈蚀钢筋混凝土黏结应力-滑移本构关系模型有待进一步完善。重复加载作用下钢筋混凝土黏结滑移性能的研究相对较少。已有研究结果表明:无论钢筋是否锈蚀,重复加载对黏结强度都没有显著影响,但是会导致钢筋和混凝土之间产生残余滑移,随加载次数和应力水平增大呈不断累积增长的趋势。根据目前研究现状,对于劈裂破坏模式下的黏结应力-滑移本构模型、腐蚀电流密度对黏结强度劣化规律的影响,基于表面锈胀裂缝宽度的黏结强度劣化模型、锈蚀钢筋与混凝土在单调及重复荷载作用下的黏结应力-滑移本构模型等,有待进一步研究。
  • 郑文忠, 邹梦娜, 王英
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 28-39. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.003
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    介绍了碱激发胶凝材料的制备技术和碱激发反应机理,总结了碱激发胶凝材料的工作性能、力学性能、耐久和耐高温特性。分析表明:激发剂的掺量和水玻璃模数是影响碱激发胶凝材料凝结时间和流动度的关键参数,凝结时间介于13~183min之间,终凝时间介于15~215min之间,流动度介于133~230mm之间,可通过改变激发剂的掺量和水玻璃模数使凝结时间和流动性满足不同要求;碱激发胶凝材料具有早强、高强的特点,28d抗压强度可达到60MPa以上,3d抗压强度可达到稳定强度的70%以上;碱激发胶凝材料高温下性能较稳定,在600~800℃的高温下抗压强度可达到常温状态下的60%以上;碱激发胶凝材料具有优异的抗冻融性能,其抗冻等级可达到F300以上;碱激发胶凝材料中由于没有极易遭受侵蚀的水化产物存在,故抗酸腐蚀能力强;碱激发胶凝材料由于孔结构致密,具有良好的抗渗性能。并针对碱激发胶凝材料优选配比和应用所需要解决的收缩、泛霜等问题,对未来研究的方向进行了展望。
  • 结构耐久性专题
  • 王竹君, 夏晋, 金伟良
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 40-48. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.004
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    以结构耐久性为主线,对现有工程结构全寿命设计理论框架进行重组,将结构的全寿命设计目标总结为可靠性目标和可持续性目标两方面,建立了包含安全性、适用性、耐久性、经济影响、环境影响和社会影响等设计目标的全寿命设计体系,并确定了基于结构动态性能的全寿命设计思路。通过建立结构可持续发展指标,解决了现有全寿命设计理论中概念模糊和指标重复的问题,并完善了全寿命成本的内涵。改进后的全寿命设计理论指标体系具有更为完善合理的构架,能够广泛适应各种结构类型和使用情况。
  • 徐善华, 张宗星, 苏超, 秦广冲
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 49-57. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.005
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    通过7根锈蚀H型钢柱的低周往复荷载试验,研究锈蚀对H型钢柱破坏形态、承载力、变形、延性、耗能等方面的影响。结果表明: 锈蚀钢柱的翼缘和腹板变形范围及屈曲中心高度呈减小趋势,部分钢柱屈曲中心高度降低了约30%;随着质量损失率增加,滞回环梭型饱满程度越低,所包围的面积越来越小;钢柱的承载力下降明显;钢柱位移延性系数及累积滞回耗能不断减小,并基于试验数据建立了锈蚀H型钢柱位移延性系数的退化模型及累积滞回耗能与循环次数的关系。锈蚀导致钢柱截面面积减小,同时点蚀的存在引起应力集中,减弱了其塑性变形能力。反复荷载作用下,钢柱塑性变形累积,局部屈曲导致承载力下降,抗震性能降低。
  • 宋力, 余志武
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 58-66. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.006
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    基于现有的一般测试方法,结合光纤光栅传感技术,提出了重载铁路预应力混凝土梁疲劳试验测试方法,并通过2根大比例模型梁验证了光纤光栅传感技术在预应力混凝土梁疲劳试验中应用的可行性。试验结果表明:光纤光栅传感器和FRP智能筋表现出精度高、量程大、稳定性好、耐疲劳等优点,在疲劳试验全过程中能够有效测试钢筋与预应力筋的应变;在33t及以上轴重列车荷载长期作用下,32m普通高度全预应力混凝土T形截面梁存在较大的疲劳开裂风险,其疲劳损伤破坏始于最外侧普通钢筋的疲劳破坏断裂,疲劳损伤开裂会引起梁的刚度明显降低和钢筋应力幅显著增加,大大缩短了梁的疲劳寿命。从安全和使用角度考虑,应严格控制该类型重载铁路预应力混凝土梁开裂及最大裂缝宽度。
  • 郭弘原, 顾祥林, 周彬彬, 张伟平
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 67-73. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.007
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    建立了锈蚀钢筋混凝土梁的极限状态函数,其中引入了锈蚀不均匀系数考虑钢筋锈蚀不均匀性和随机性。根据概率守恒原理引出锈蚀钢筋混凝土梁极限状态函数的广义概率密度演化方程,并介绍了其TVD(total variation diminishing)差分格式的有限差分方法。运用“吸收边界条件”提出了基于概率密度演化理论的锈蚀钢筋混凝土梁时变可靠度计算方法。以三个锈蚀钢筋混凝土梁为例,展示广义概率密度演化方程以及时变可靠度的计算结果。通过100万次Monte Carlo模拟方法以及2范数误差指标考察了概率密度演化及时变可靠度计算结果的精准度。二阶矩信息和可靠度的对比结果显示:概率密度演化法能够以较小的计算代价,较为精确地捕捉锈蚀钢筋混凝土梁在服役期间的概率密度演化信息,较为准确地预测其时变可靠度。
  • 叶志文, 张伟平, 顾祥林
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 74-81. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.008
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    箍筋位于纵筋外侧,往往更早发生锈蚀而且锈蚀更加严重,使梁的剪切性能比弯曲性能退化更快,梁的破坏模式可能由未锈时的弯曲破坏转为锈蚀后的剪切破坏。通过对海洋大气环境下钢筋混凝土梁的时变性能进行分析,研究了锈蚀梁承载力退化和破坏模式转换,并分析起锈时间、箍筋直径和混凝土强度等因素的影响。分析结果表明:随着服役时间的增加,梁中箍筋会先于纵筋发生锈蚀,从而使梁的破坏模式从弯曲破坏向剪切破坏转换;延长钢筋起锈时间、增大箍筋直径、提高混凝土强度均能延缓梁的受力性能退化,并延缓锈蚀梁破坏模式转换的时间。
  • 周彬彬, 顾祥林, 张伟平
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 82-88. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.009
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    基于时变可靠性分析,采用荷载与抗力分项系数,提出了海洋大气环境下钢筋混凝土梁可预期寿命设计方法。首先,基于混凝土中Cl-传输模型确定了钢筋初始锈蚀时刻;其次,考虑钢筋锈蚀不均匀性对横截面积分布以及钢筋力学性能的影响,计算了锈蚀梁在预期服役寿命内的时变可靠指标;再次,对结构设计的初始目标可靠指标进行调整,从而保证结构在预期服役寿命内的最低可靠指标仍满足现行规范要求。在极限状态设计表达式基础上,通过可靠性分析计算了不同目标可靠指标调整值以及预期服役寿命要求下钢筋混凝土结构各构件梁荷载和抗力(受弯承载力)分项系数。最后通过钢筋混凝土梁的设计算例说明本文方法的有效性。
  • 刘西光, 张伟平, 叶志文, 顾祥林
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 89-96. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.010
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    对经历不同疲劳加载历程的锈蚀预应力混凝土梁进行静力加载,研究了疲劳损伤锈蚀预应力混凝土梁的受力性能。采用三维激光扫描技术获得了锈蚀预应力筋几何模型。试验结果表明:不均匀锈蚀诱发预应力筋在截面积最小且存在明显锈坑处发生脆性断裂;疲劳损伤后锈蚀预应力混凝土梁初始刚度发生退化,变形能力明显降低,具有脆性破坏特征;随疲劳损伤程度的增加,锈蚀预应力钢丝的变形能力降低;普通钢筋屈服平台缩短,极限应变降低。
  • 罗大明, 杨成雨, 邢国华, 牛荻涛
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 97-104. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.011
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    为了研究侵蚀环境下锈蚀钢筋混凝土梁在长期荷载作用下的承载能力,以荷载作用下锈蚀钢筋混凝土梁为研究对象,分析了钢筋锈蚀对混凝土梁黏结强度的影响,基于拉-压杆模型和标准桁架模型分别对锈蚀梁进行了承载力计算,进一步采用考虑钢筋锈蚀影响的修正变角桁架模型计算锈蚀钢筋混凝土梁的承载力,并通过49组锈蚀混凝土梁的试验数据对建议模型进行验证。结果表明:锈蚀钢筋混凝土梁承载力的试验值与变角桁架模型理论计算值之比的平均值为0.990,方差为0.071,二者吻合较好。采用变角桁架模型可精确计算锈蚀钢筋混凝土梁的承载力并预测其破坏模式,建议模型可用于锈蚀钢筋混凝土梁承载能力分析研究。
  • 董征, 顾祥林, 张伟平, 袁琴
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 105-112. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.012
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    经现场调查及试验发现,混凝土中存在箍筋锈蚀较纵筋严重或交叉钢筋相交处锈蚀严重的现象。为了量化比较微观锈蚀与交叉钢筋间的宏观锈蚀,且不考虑力学损伤(如弯折)对钢筋锈蚀性能的影响,将配有交叉钢筋的混凝土试件置于海洋大气环境模拟箱中进行锈蚀试验。试验结果表明,交叉钢筋间的宏观电流密度ig约占钢筋自腐蚀(微观)电流密度icorr1的1/10~1/1,钢筋的微观锈蚀占主导地位。基于试验结果,采用蒙特卡洛法对交叉钢筋间宏观锈蚀作用下混凝土梁、板的时变抗力进行了算例分析。结果表明,与仅考虑箍筋微观锈蚀的情况相比,当ig与icorr1的比值接近于1时,微观与宏观锈蚀耦合作用下混凝土梁的失效模式会过早地由受弯破坏转变为受剪破坏;对混凝土板而言,ig仅为icorr1的1/10时,也会使混凝土板在长期锈蚀过程中的失效概率增大。
  • 张旭辉, 王磊, 张建仁, 吴兵辉
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 113-122. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.013
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    锈蚀黏结退化会引起钢筋与混凝土之间的不协调变形,导致构件受弯性能退化。提出了一种锈蚀钢筋与混凝土不协调变形量化方法,该方法将黏结退化表示成锈蚀率的函数,基于有效黏结力传递规律确定受弯构件黏结滑移区范围,进而构建黏结滑移区内整体变形关系实现对不协调变形的量化。该方法可用于锈蚀RC梁受弯承载力计算评估,能综合考虑锈蚀截面损失、黏结退化以及钢筋端锚失效等影响,具有较高的精度。研究表明:不协调变形受钢筋锈蚀和荷载的影响;锈蚀率低于7%时,构件不会出现不协调变形;锈蚀率越高,不协调变形出现时对应的荷载越低,对构件受弯承载力退化的影响越显著;锈蚀率大于15%时,不协调变形会提早出现,变形协调系数迅速趋于某一恒定值,由其引起的承载力退化量基本保持不变。
  • 付传清, 何家豪, 金贤玉, 金南国
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 123-131. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.014
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    对荷载作用下恒电流通电锈蚀的带荷载裂缝钢筋混凝土梁进行研究,绘制通电锈蚀前后横向裂缝和顺筋锈胀裂缝分布图,探究横向荷载裂缝对通电锈蚀过程及锈胀裂缝开展的影响。通过三维激光扫描对锈蚀钢筋表面特征进行分析,对比通电锈蚀和自然锈蚀条件下钢筋锈蚀的纵向不均匀性和锈胀裂缝发展。研究发现,通电锈蚀和自然锈蚀下,横向裂缝的存在都会加速该处钢筋的锈蚀截面损失,但通电锈蚀下横向裂缝处的钢筋会出现明显的“颈缩”现象。钢筋截面周长锈蚀率和截面锈蚀率的分布规律相同,截面周长锈蚀率同样可以较好地反映钢筋锈蚀程度。通电锈蚀和自然锈蚀钢筋的平均截面面积与最小截面面积的比值能反映钢筋锈蚀的不均匀性,其值满足Gumbel分布。
  • 艾志勇, 蒋金洋, 江祥林, 俞博, 宋丹, 王丹芊, 刘瑶
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 132-139. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.015
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    文中系统研究了00Cr10MoV新型高强耐蚀钢筋(引入普通碳素钢筋进行对比)全寿命周期内的腐蚀行为特征及耐蚀机理,并预测了其混凝土构件服役寿命。研究结果表明:00Cr10MoV耐蚀钢筋耐蚀性能贯穿钝化、维钝-破钝及腐蚀扩展各阶段,呈现连续耐蚀特征。在钝化阶段,耐蚀钢筋的强钝化性能源自于其Cr氧化物和Fe氧化物构成的双层结构钝化膜;在维钝-破钝阶段,耐蚀钢筋的高抗氯盐侵蚀性得益于其含Cr钝化膜的高稳定性及强修复性;在腐蚀扩展阶段,耐蚀钢筋的低腐蚀速率得益于其Cr元素富集的致密锈层对侵蚀介质渗入的阻滞作用。利用菲克第二定律计算耐蚀钢筋腐蚀诱导期持续时间,氯盐侵蚀下耐蚀钢筋混凝土构件服役寿命可提高约23倍。
  • 基础理论与共性技术
  • 赵卫平, 雷永旺, 赵芷迎, 朱彬荣, 王丹
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 140-147. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.016
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    根据拔出试验中横向压力的施加方式和钢筋类型,提出了横向压力上限值的计算方法。基于钢筋与混凝土界面应力场的分布,分析了各应力分量可能对混凝土带来的损伤;分析了材料常数、横向压力作用方式和钢筋外形等参数对横向压力上限值的影响;与试验结果的对比表明,建议方法具有一定适用性。研究表明:单轴受压情况更易使混凝土产生受拉损伤,特别是采用带肋钢筋时,破坏形式更倾向于劈裂破坏;双轴受压(围压)作用下混凝土易产生受压损伤,而且所能承受的横向荷载一般高于单轴受压情况;传统的宏观试验研究方法由于不能及时发现钢筋与混凝土界面的损伤,可能会过高估计横向压力的上限值,围压情况下尤为显著。建议算法作为传统试验研究的补充,理论依据充分、计算简便,可供工程设计人员参考。
  • 谢剑, 杜雪玉, 严加宝
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 148-154. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.017
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    为研究栓钉连接件在极地低温下的受剪性能,利用复叠式低温冷库、自制保温装置和电液伺服压力试验机对12个栓钉连接试件进行了推出试验,同时采用ABAQUS软件对其进行有限元分析,研究了温度、栓钉直径对低温下栓钉连接件受剪性能的影响。通过试验和有限元分析得到了试件破坏模式、荷载-滑移曲线、栓钉受剪承载力及极限滑移量,结果表明:试件在低温下出现栓钉剪断和栓钉剪断-混凝土压坏混合破坏两种破坏形式;在20~-80℃范围内,随着温度的降低,栓钉受剪承载力增大而极限滑移量减小,在-60~-80℃范围内,温度变化对栓钉连接件受剪性能的影响较小;在极地低温下,随着栓钉直径增大,栓钉连接件的受剪承载力和极限滑移量增加。采用ABAQUS软件考虑低温本构的有限元分析结果与试验结果吻合程度较高,通过试验结果拟合出的荷载-滑移曲线效果良好。
  • 李孝忠, 王庆贺, 王玉银, 张欢
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 155-164. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.018
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    为研究掺入再生粗骨料对混凝土抗折强度的影响,进行了抗折强度试验研究,考虑的参数包括再生粗骨料取代率、基体混凝土水灰比、基体混凝土龄期、再生粗骨料级配、再生混凝土水灰比以及再生混凝土配制方法等,确定了再生混凝土抗折强度的关键影响因素。在总结了现有的再生混凝土抗折强度计算公式基础上,采用本文及已有文献的试验数据对各公式预测精度进行了分析。以此为基础,提出了考虑关键参数影响的再生混凝土抗折强度计算公式。研究结果表明:再生粗骨料取代率与粗骨料级配是再生混凝土抗折强度的主要影响因素,取代率为100%的再生混凝土抗折强度比普通混凝土低3.9%~26.8%,采用不同粗骨料级配的再生混凝土抗折强度相差可达15.5%;再生混凝土抗折强度降低幅度随混凝土水灰比的增大而增大,不同水灰比的再生混凝土抗折强度降低幅度相差可达14.7%,而且再生粗骨料对混凝土抗折强度的影响低于其对抗压强度的影响,导致现有的计算公式不能有效预测再生混凝土抗折强度;基于普通混凝土抗折强度计算公式形式,并考虑混凝土水灰比及再生粗骨料取代率综合影响的再生混凝土抗折强度计算公式具有较高的预测精度,公式预测结果与试验结果比值的均值为0.991,判定系数为0.772。
  • 罗大明, 牛荻涛
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 165-173. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.019
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    为了研究预湿轻骨料的内养护效率受混凝土自身水胶比和外界养护条件的影响,采用改进的ASTM 1585试验方法,开展了不同水胶比、不同养护条件(饱和石灰水养护、喷雾养护、密封养护、干燥养护)下普通混凝土及内养护混凝土毛细吸水试验。从混凝土的水化程度、混凝土孔隙率等角度,解释了水胶比、养护条件以及内养护材料对混凝土中水分传输的影响。结果表明:水胶比、养护条件以及内养护材料的掺入对混凝土中水泥的水化和混凝土材料的孔隙率有较大影响。高水胶比试件比低水胶比试件具有更大的累积吸水量及二次吸水率,水胶比为0.5的试件的累积吸水量及二次吸水率分别为水胶比为0.3的试件的1.4~2.1倍和3~4倍;预湿轻骨料的掺入对高水胶比试件的累积吸水量、初始吸水率和二次吸水率的改善作用并不明显,但可以显著降低低水胶比试件的吸水能力,对于水胶比为0.3的试件,其累积吸水量和二次吸水量的降低幅度分别为7.7%~18.6%和20.4%~27.4%;随着外界养护环境湿度的降低,低水胶比试件的初始吸水率变化较小,累积吸水量和二次吸水率有轻微的上升;预湿轻骨料在低水胶比、密封养护条件下内养护效率较高。
  • 黄庆华, 周承宗, 顾祥林, 张伟平
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 174-180. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.020
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    设计制作了一批圆柱形水泥砂浆试件和混凝土试件,通过水分传输试验获取各试件的平均水分传输系数,引入界面过渡区(ITZ)与砂浆基体水分传输系数的比值β,再根据混凝土试件的并联传输模型反算获得β值。研究了截面形式、砂浆水灰比、砂灰比、粗骨料材质、表面粗糙度等因素对β值的影响。试验结果表明:ITZ与砂浆基体水分传输系数的比值β在90~175的范围内;截面形式相同时,花岗岩质粗骨料表面不进行处理时的β值均比进行喷砂处理时的β值大;β值随着砂浆水灰比的变化无明显变化,随着砂浆砂灰比的增大而减小;截面形式及砂浆配合比相同时,β值的大小不仅与骨料表面粗糙度相关,还与骨料材质相关。
  • 刘加平, 穆松, 蔡景顺, 姜骞
    建筑结构学报. 2019, 40(01): 181-187. https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.01.021
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    近年来,纳米材料改性技术已成为提升混凝土耐久性的发展方向,但传统纳米材料难分散、易团聚的特征导致混凝土工作性问题。针对上述传统纳米材料的问题,设计与制备了具备水溶性特征、可在水泥水化环境中自响应,且与Ca2+原位反应形成纳米有机酸钙盐颗粒的新型纳米材料,研究了该纳米材料的构效关系及其对混凝土性能的影响,分析了提高混凝土耐久性的作用机理,介绍了该材料在实际工程中的应用情况。结果表明:与传统纳米材料不同,水化响应材料对混凝土工作性能和干燥收缩基本不产生影响;掺加0.9%的水化响应材料可实现混凝土氯离子电迁移系数与吸水率的显著降低,降幅达到50%以上。