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再生骨料/水泥复合材料干缩性能研究

郭远臣  
【摘要】:基于综合利用建筑废弃物以推进建筑业的可持续发展,本文综合应用试验研究、有限元分析和理论研究等方法对再生骨料混凝土干缩性能、基本力学性能和微观结构进行了研究,并从孔隙结构、材料润湿性、水分迁移等角度出发研究了再生骨料混凝土的干缩机理。 本文首先研究了再生骨料混凝土基本力学性能,以保证所配制的再生骨料混凝土首先在力学性能上满足国内外相关标准及实际工程的需要,同时,为再生骨料混凝土干燥收缩数学模型的建立提供必要的力学性能参数;其次,鉴于目前混凝土干缩预测数学模型很少考虑再生骨料、外加剂效应(影响系数)的现状,建立了考虑再生骨料、工程常用外加剂(包括粉煤灰、减水剂与膨胀剂)影响系数、构件尺寸、环境湿度、混凝土强度等级、混凝土强度等主要影响因素的再生骨料混凝土干燥收缩数学模型,然后将其转化为应变增量式,再利用FORTRAN语言编写的用户子程序USDFLD,把场变量转化为热应变作为中间变量,对再生骨料混凝土干缩模型进行有限元分析,并进行必要的实验验证。最后,通过有限元分析、试验验证、理论分析等方法研究了再生骨料混凝土的干缩机理。 第一,以C30天然骨料混凝土的配合比设计为基准,进行了再生骨料混凝土干缩数学模型基本力学参数选取实验,并进行了理论分析,结果表明:再生骨料的添加降低了混凝土的流动性,在孔隙结构及旧水泥砂浆综合影响下,当再生骨料取代率较低时会提高再生骨料混凝土的强度,但过多的再生骨料掺量会导致再生骨料混凝土力学性能与同条件下的天然骨料制品相比有所下降;由于粉煤灰的“滚动效应”,增加了再生骨料混凝土的流动性,又因其改善了再生骨料混凝土孔隙结构从而提高了粉煤灰再生骨料混凝土的力学性能;在拌合水和水泥用量固定的情况下,减水剂的添加相当于增加了拌合水的相对用量,提高了再生骨料混凝土的流动性,但同时导致再生骨料混凝土孔隙率有所提高,致使再生骨料混凝土强度随减水剂掺量的增加逐渐下降;膨胀剂的添加降低了再生骨料混凝土的流动性,但同时却提高了拌合物的黏聚性和保水性;适量的膨胀剂掺量有助于提高再生骨料混凝土的强度,但当膨胀剂掺量较大时,致使再生骨料混凝土强度有所下降;对于再生骨料混凝土的弹性模量进行了测试和分析,并通过对比研究建议可利用式预测再生骨料混凝土弹性模量值 第二,在试验的基础上通过麦夸特法(Levenberg-Marquardt)+通用全局优化法回归拟合提出考虑再生骨料、粉煤灰、减水剂和膨胀剂影响系数的再生骨料混凝土干燥收缩预测数学模型,并将其转变为应变增量式(式5.1),通过利用FORTRAN编写用户子程序USDFLD,将场变量转化为热应变作为中间变量,从而利用大型有限元分析软件ABAQUS实现了再生骨料混凝土干缩数值模拟,并进行了必要的试验验证。结果表明:在干燥早期,再生骨料混凝土Mises应力值和位移(收缩)增长均表现的特别明显,但随着干燥龄期的发展,逐渐变的缓慢;位移的变化首先发生在干缩试件的表面,位移变化最大值也出现在试件顶面;干缩扩散到50mm深度时需30-70d时间;通过误差分析表明,再生骨料混凝土干缩模拟计算值与试验值吻合程度较好;在本文研究条件下,再生骨料混凝土位移与应力值之间具有良好的线性相关关系;再生骨料混凝土干缩值略高于同条件下天然骨料混凝土。 第三,建立了基于孔隙结构模型的再生骨料混凝土干缩理论,并通过试验、模拟研究及理论分析等手段探究再生骨料、减水剂、膨胀剂、粉煤灰的添加及不同混凝土配合比等因素造成的再生骨料混凝土孔隙结构、材料润湿性、水分迁移状态的改变,进而分析再生骨料混凝土干缩变形机理:再生骨料混凝土的干缩机理同天然骨料混凝土类似。再生骨料混凝土干缩变形是孔隙结构、材料与水润湿性、水分浓度场分布等综合作用的结果。通过改善再生骨料混凝土孔隙结构、降低再生骨料混凝土材料与水润湿性(增大接触角)以及减小水分扩散速率均有利于抑制再生骨料混凝土的干缩。利用上述理论能很好的解释水灰比、再生骨料、减水剂、粉煤灰对再生骨料混凝土干缩的影响,膨胀混凝土干缩机理可以利用“相向变形”与“背向变形”理论加以解释。 第四,采用大型有限元分析软件ABAQUS中质量扩散模块对再生骨料混凝土材料水分扩散行为进行模拟计算,并进行了实验验证,同时,通过实验研究分析了再生骨料混凝土干缩值与失水量之间的关系。结果表明:通过误差分析表明,再生骨料混凝土水分迁移模型失水量计算值与室内实验测试值吻合较好;水分的蒸发首先从再生骨料混凝土表面开始,并迅速达到平衡值,然后逐渐扩展到再生骨料混凝土的内部,扩展的速率极其缓慢,最终达到与环境湿度平衡,在扩散过程中,水分浓度呈梯度分布;水分干燥扩展至50mm厚度时大约需33d-65d时间,具体时间因配合比不同而略有差异;再生骨料混凝土干缩值与同条件下失水量之间并不是简单的线性关系。 本文的研究为再生骨料混凝土干燥收缩性能研究提供了研究基础,为建筑废弃物资源化、规模化利用提供了必要的技术支撑和理论依据。


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