建筑垃圾废砖再生粗骨料混凝土及预制墙板受力性能研究

摘要

我国仍处于大规模的基本建设时期，新建工程和拆除旧有建筑产生了大量建筑垃圾，目前对建筑垃圾的处置方式主要是填埋与堆放，资源化再利用的比率很低，建筑垃圾大量填埋与堆放不仅侵占破坏土地，还严重污染环境。我国城乡大量的旧建筑物以砌体结构或混合结构为主，建筑垃圾中废砖所占的比例很大，但当前对废砖再生利用的研究较少。本文针对急待解决的大量废砖建筑垃圾的再生利用问题，开展建筑垃圾废砖再生粗骨料混凝土及预制墙板受力性能研究，力求将大量废砖建筑垃圾开发为一种新型墙体材料。论文的研究内容对促进建筑垃圾的综合利用，节约资源、保护环境具有重要意义，研究成果可供废砖再生粗骨料混凝土预制墙板的工程应用参考，对其他建筑垃圾的再生利用也有借鉴作用。论文研究工作得到了河南省新型墙材改革基金的资助。
　　论文在对废砖再生粗骨料和建筑垃圾再生细骨料的物理力学性能、废砖再生混凝土的配合比和物理力学性能试验研究的基础上，采用大粒径废砖再生粗骨料、废混凝土再生细骨料制作了再生混凝土预制墙板，进行了这种新型墙板在竖向荷载、平面外荷载和水平低周往复荷载作用下的受力性能试验，并进行了数值分析。根据研究结果并参考国内外有关资料，提出了工程应用的建议。
　　论文的主要工作和成果有:
　　1.采用废弃粘土砖经轻微破碎获得大粒径粗骨料，对废砖再生粗骨料和废混凝土再生细骨料的颗粒级配、表观密度、堆积密度、空隙率、吸水率、压碎指标等物理力学性能进行了较为系统的试验和分析，并与天然骨料进行比较。结果表明建筑垃圾废砖再生粗骨料强度较低，不适用于配制对强度要求较高的普通混凝土，但可用于配制对强度要求不高的墙板类构件或其他墙体材料的混凝土;废混凝土再生细骨料除吸水率较大外其他性能与天然砂相近，采取一定措施后可替代天然砂配制混凝土。
　　2.采用100％大粒径废砖再生粗骨料和100％废混凝土再生细骨料配置再生混凝土，根据废砖再生粗骨料吸水率大、吸水速度快的特点，采用预先添加附加水、二次搅拌的方法获得拌合物具有较好工作性能、强度等级可达到C10～C20的废砖再生混凝土;根据试验结果，给出了立方体抗压强度随净水胶比变化的关系式。对废砖再生粗骨料混凝土的抗压强度、弹性模量以及收缩变形、碳化等物理力学性能进行了试验研究，提出了废砖再生粗骨料混凝土弹性模量计算公式和力学性能建议指标，为墙板计算分析和工程应用提供了参考依据。
　　3.制作了边缘构件为普通混凝土、芯部为大粒径废砖再生粗骨料混凝土组成的预制墙板，进行墙板在竖向荷载和平面外荷载作用下的受力性能试验和分析。结果表明在平面内竖向荷载作用下，边缘构件的普通混凝土和墙板芯部的废砖再生粗骨料混凝土能共同受力，二种混凝土的强度均能较好发挥，建立了废砖再生粗骨料混凝土预制墙板轴向受压承载力的计算公式，公式的计算结果有较大安全储备并可保证墙板在正常使用极限状态下不出现裂缝;在大于可能承受的最大风荷载的平面外均布荷载作用下，墙板侧向挠度很小且未产生裂缝，在保证上、下两端可靠连接的基础上可不进行专门的抗风验算;基于弹性薄板理论和弹性支承边界条件，推导出废砖再生粗骨料混凝土预制墙板在平面外均布荷载作用下的位移、内力、应力和应变等的计算公式，为墙板在平面外荷载作用下的受力分析提供了有效方法。
　　4.进行了废砖再生粗骨料混凝土预制墙板在给定轴压比下的水平低周往复加载试验，对墙板开裂前后的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线、耗能和恢复性能、以及破坏特点等进行了分析。结果表明废砖再生混凝土预制墙板开裂前刚度退化不明显，水平荷载稳定;开裂后的耗能和变形能力均较好。参照深受弯构件受剪承载力的计算方法，建立了考虑边柱普通混凝土作用的废砖再生混凝土预制墙板的受剪承载力计算公式，公式计算值与试验结果符合较好，可供废砖再生混凝土预制墙板工程设计参考。
　　5.引入废砖再生粗骨料混凝土材料性能试验结果，运用有限元软件ABAQUS建立再生粗骨料混凝土墙板的分析模型，对废砖再生粗骨料混凝土预制墙板在低周往复荷载作用下的受力性能进行了数值分析并与试验结果比较。结果表明在各次荷载循环下数值分析的应力状态、滞回曲线、骨架曲线、耗能曲线、刚度退化曲线以及残余变形均与试验实测结果接近;考虑废砖再生粗骨料混凝土材料性能的有限元分析，可作为对废砖再生粗骨料混凝土预制墙板受力性能分析的一种有效方法。
　　6.根据试验研究成果并参考国内外相关资料，提出了包括废砖再生粗骨料混凝土预制墙板的制作、用于多层房屋承重墙体和框架结构房屋外墙及隔墙的设计施工要点等内容的工程应用初步建议。结合我国建筑垃圾再生利用的现状和存在的问题，提出了推广废砖再生混凝土预制墙板以及建筑垃圾处理和再生利用产业化的建议。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 建筑垃圾的产生及对环境的影响

1．2 国外及我国建筑垃圾再生利用及研究概况

1．2．1 国外建筑垃圾再生利用及研究概况

1．2．2 我国建筑垃圾再生利用及研究概况

1．3 建筑垃圾再生混凝土研究应用概况

1．3．1 再生骨料的破碎和强化工艺

1．3．2 再生骨料的性能和标准

1．3．3 再生混凝土材料性能

1．3．4 再生混凝土构件性能

1．4 本文研究的目的和内容

2 废砖和废混凝土再生骨料物理力学性能试验研究

2．1 废砖再生粗骨料物理力学性能试验

2．1．1 颗粒级配

2．1．2 表观密度和堆积密度

2．1．3 空隙率

2．1．4 吸水率

2．1．5 压碎指标

2．2 废混凝土再生细骨料物理力学性能试验

2．2．1 颗粒级配和细度模数

2．2．2 表观密度、堆积密度和空隙率

2．2．3 含水率和吸水率

2．2．4 压碎指标

2．3 本章小结

3 废砖再生粗骨料混凝土配合比及物理力学性能试验研究

3．1 废砖再生粗骨料混凝土的配合比设计和试件制作

3．1．1 废砖再生粗骨料混凝土的配合比设计

3．1．2 废砖再生粗骨料混凝土试件的制作

3．2 废砖再生粗骨料混凝土的抗压强度和弹性模量

3．2．1 立方体抗压强度

3．2．2 棱柱体(轴心)抗压强度

3．2．3 受压应力-应变曲线和弹性模量

3．2．4 废砖再生粗骨料混凝土力学性能计算指标建议

3．3 废砖再生粗骨料混凝土的收缩和碳化性能

3．3．1 废砖再生粗骨料混凝土的收缩变形

3．3．2 废砖再生粗骨料混凝土的碳化性能

3．4 本章小结

4 废砖再生粗骨料混凝土预制墙板竖向荷载及平面外荷载作用下受力性能试验研究

4．1 废砖再生粗骨料混凝土预制墙板的制作

4．1．1 墙板设计

4．1．2 墙板制作

4．2 预制墙板竖向荷载作用下受力性能试验及分析

4．2．1 试验方案

4．2．2 试验现象和试验结果

4．2．3 墙板竖向荷载作用下的应变和应力分析

4．2．4 墙板竖向荷载作用下承载力计算

4．3 预制墙板平面外荷载作用下受力性能试验及分析

4．3．1 试验方案

4．3．2 试验现象和试验结果

4．3．3 墙板平面外荷载作用下受力性能分析

4．4 本章小节

5 废砖再生粗骨料混凝土预制墙板在低周往复荷载作用下受力性能试验研究

5．1 试验墙板的设计和制作

5．2 试验方法和试验方案

5．3 试验现象和试验结果

5．3．1 试验现象

5．3．2 试验结果

5．4 受力特点及延性分析

5．4．1 骨架曲线分析

5．4．2 耗能量统计分析

5．4．3 刚度退化分析

5．4．4 边柱底部钢筋应变分析

5．4．5 墙板变形恢复能力分析

5．5 墙板水平荷载作用下承载力计算

5．6 本章小结

6 废砖再生粗骨料混凝土预制墙板低周往复荷载作用下受力性能的数值分析

6．1 混凝土材料的本构关系

6．1．1 混凝土单轴应力—应变曲线

6．1．2 滞回特性

6．2 有限元模型的建立

6．2．1 单元选择

6．2．2 材料本构模型

6．2．3 实体建模及网格划分

6．3 加载方式

6．4 数值分析结果

6．4．1 试验现象的对比

6．4．2 滞回曲线的对比

6．4．3 骨架曲线的对比

6．4．4 耗能量曲线的对比

6．4．5 刚度退化曲线的对比

6．4．6 墙板变形恢复能力的对比

6．5 本章小结

7 废砖再生粗骨料混凝土预制墙板的工程应用建议

7．1 概述

7．2 废砖再生粗骨料混凝土预制墙板的制作

7．3 设计施工要点

7．3．1 材料性能指标

7．3．2 承载力计算

7．3．3 节点及构造

7．3．4 施工要点

7．4 废砖再生混凝土预制墙板和建筑垃圾处理的产业化应用建议

8 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 有待进一步研究的问题及展望

创新点摘要

参考文献

致谢

个人简历、在读期间发表的论文与研究成果