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硅粉橡胶纤维再生混凝土轴压及断裂性能研究

李自坚  
【摘要】:随着中国经济的发展,每年都会制造大量的固体废弃物,如废旧橡胶和大量由于拆迁和地震等原因而产生的建筑垃圾。如何有效循环利用这些固体废弃物,既减轻环境污染,又节省原材料的消耗,是城市可持续发展的热点研究课题之一。本研究拟以再生废旧的橡胶和混凝土为目的,通过掺入硅粉和纤维,生成一种新型的环保建筑材料—硅粉橡胶纤维再生混凝土(简称SRSRAC),通过实施一系列的轴压和断裂试验,探讨该类新型混凝土的抗压和断裂性能。本文的主要研究内容和结论如下:(1)以环保、节能、循环利用为目标,利用废旧混凝土取代粗骨料、橡胶颗粒替代细骨料,通过内掺或外掺硅粉以及掺入纤维,在大量试验研究的基础上,成功地研发了一种新型再生环保混凝土材料(SRSRAC)。研究结果表明,该类新材料中具有优良的力学性能,而且符合国家节能减排的发展方向;硅粉与钢纤维显现优良的耦合作用,能明显提高橡胶再生混凝土的抗压和断裂性能。(2)以硅粉掺量和掺入方式(内掺0%,5%,10%和外掺3%)、橡胶掺量(0%、5%、10%、15%和20%)以及纤维种类(钢纤维和聚丙烯纤维)为变量,制备了29组共87个SRSRAC圆柱体试件(150mm × 300mm)。通过实施轴压试验,研究了各变量对SRSRAC的抗压强度、弹性模量、韧性、应力应变关系等影响规律。研究结果表明,硅粉能有效增强天然和再生混凝土的抗压强度,但对于SRSRAC,外掺3%或内掺5%以下掺量的硅粉并不能明显改善其抗压性能;钢纤维或聚丙烯纤维可以增强混凝土的耗能能力,与钢纤维相比,聚丙烯纤维的掺入能提供更高的抗压强度;综合考虑SRSRAC的抗压指标,钢纤维掺量为1%、内掺硅粉10%、橡胶掺量为5%的SRSRAC可获得相对较优的抗压性能。(3)制备了19组57个尺寸为100mm × 100mm × 515mm的SRSRAC小梁试件,通过实施进行三点弯曲试验,测定了SRSRAC的荷载—挠度曲线、荷载—裂缝尖端张开口位移(CMOD)曲线。在此基础上,计算出SRSRAC的断裂能、起裂韧度和失稳断裂韧度,并探讨了硅粉掺入方式和橡胶掺量对SRSRAC断裂性能的影响规律。研究结果表明:随着橡胶掺量的增加,SRSRAC断裂能呈现先增后减的趋势,其断裂韧度呈下降趋势,5%-10%为SRSRAC抗断裂性能的最优橡胶掺量;与聚丙烯纤维相比,钢纤维和硅粉的复掺能更有效提高混凝土的断裂性能;随着硅粉掺量的增加,钢纤维混凝土的断裂性能显著提高,使用外掺3%硅粉的方法能取得与内掺10%硅粉相同的改性效果。(4)基于SRSRAC的轴压与断裂实验,探索了SRSRAC的轴压和断裂破坏机理。研究发现:硅粉能增强再生混凝土的密实性,提高钢纤维与再生混凝土的粘结作用;SRSRAC在轴压过程中,橡胶的掺入能较好减缓裂纹尖端处应力集中,钢纤维则起到阻裂作用;SRSRAC在断裂过程中,裂缝横穿粗骨料,钢纤维被拔出,混凝土开裂后应力主要是由钢纤维承担,其裂缝发展分为起裂,发展和失稳三个阶段。


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