考虑环境作用的橡胶集料混凝土力学性能及耐久性研究

摘要

橡胶集料混凝土是一种水泥基复合材料，是在普通水泥混凝土中掺入粉碎后的废旧橡胶粉或橡胶颗粒来替代部分骨料制备而成。作为一种新兴的“绿色建材”，其耐久性是它能否推广使用的关键问题之一。本论文结合混凝土工程长期所处的气候环境条件，分别对橡胶集料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性、抗渗性以及抗冻性等耐久性问题进行深入细致地研究。主要包括以下研究内容: (1)采用粒径为50目的橡胶粉和3～4mm的橡胶颗粒取代部分砂，运用正交试验方法设计并制备出不同配合比的橡胶集料混凝土试件。对各组试件进行基本力学性能试验，研究各因素变化对力学性能的影响，得出满足不同性能要求的橡胶集料混凝土较优配合比。并对普通水泥混凝土的配制强度公式进行修正，提出橡胶掺量强度影响系数αc，得到橡胶集料混凝土的配制强度表达式。研究表明，对橡胶集料混凝土强度影响最大的是水灰比，其次是橡胶掺量，砂率的影响最小。 (2)将不同配合比的橡胶集料混凝土试件浸泡在浓度为5％的Na2SO4溶液中，研究不同腐蚀龄期硫酸盐对橡胶集料混凝土的侵蚀效应。基于橡胶集料混凝土的配制强度公式，建立硫酸盐腐蚀作用下，橡胶集料混凝土的强度增长演化模型和强度衰减演化模型，该模型能够很好地反映抗压强度随硫酸盐腐蚀龄期的变化规律。研究表明，掺入5％～15％的橡胶粉能够改善混凝土的耐硫酸盐性能，试件外观保持良好，耐蚀系数较大。而橡胶颗粒集料混凝土的抗硫酸盐性能较差。 (3)对橡胶集料混凝土试件进行恒压作用下的抗水渗透试验，揭示橡胶掺量、水灰比和砂率等对抗渗性能的影响规律。研究结果表明，掺量是影响渗透性的最主要因素，橡胶掺量为5％～15％时抗渗性较好;当掺量超过15％而达到20％时，混凝土的抗渗性显著下降。橡胶粉集料混凝土的抗渗性比橡胶颗粒的好。水灰比对抗渗性的影响与普通水泥混凝土一致。并依据人工神经网络理论，建立了以橡胶粒径、橡胶掺量、水灰比和砂率为输入变量的橡胶集料混凝土抗渗性BP网络预测模型，经测试该模型能够对其抗渗性作出较准确地预测。 (4)采用混凝土快冻法进行冻融循环试验，以相对动态弹性模量和质量损失率为指标来研究橡胶集料混凝土在冻融循环作用下的损伤劣化规律。基于混凝土损伤力学理论，以相对动弹性模量为损伤变量，对橡胶集料混凝土的冻融损伤进行理论分析，提出不同配合比橡胶集料混凝土的抗冻因子ω及其表达式，并建立了橡胶集料混凝土冻融损伤模型。抗冻因子ω可作为橡胶集料混凝土的抗冻性评价指标，该损伤模型能够很好地描述橡胶集料混凝土的冻融损伤演化过程。 (5)对不同环境作用下橡胶集料混凝土的损伤破坏机理进行分析。结果表明，适量橡胶粉的掺入对混凝土抗硫酸盐侵蚀性能、抗渗性、抗冻性的改善作用可概括为:改善内部孔结构，提高混凝土抗裂性。橡胶集料在混凝土内起到填充、阻隔、引气和缓冲等作用，减少和减小连通孔，增加封闭微小孔，缓冲各种内应力，限制微小裂缝的产生、扩展和延伸。橡胶集料混凝土的抗硫酸盐侵蚀性、抗冻性与抗渗性之间相互联系，具有一定的相关性，尤其是在环境作用早期，抗渗性的好坏直接影响其它两方面的性能。掺入5％～15％的橡胶粉能够在混凝土抗压强度下降不超过17％的前提下，使混凝土的抗硫酸盐侵蚀性、抗渗性和抗冻性得到提高。因此，橡胶粉集料混凝土可以进一步推广和使用。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2研究现状和发展趋势

1．2．1橡胶集料混凝土拌和物性能的研究

1．2．2橡胶集料混凝土物理特性的研究

1．2．3橡胶集料混凝土静力性能的研究

1．2．4橡胶集料混凝土动力性能的研究

1．2．5橡胶集料混凝土变形性能的研究

1．2．6橡胶集料混凝土耐久性的研究

1．2．7橡胶集料混凝土热工性能的研究

1．2．8橡胶集料混凝土吸声和隔声性能的研究

1．3有待解决的科学问题

1．4研究内容

1．5技术路线

第2章橡胶集料混凝土的配合比设计与基本力学性能研究

2．1引言

2．2影响橡胶集料混凝土力学性能的因素

2．2．1橡胶粒径

2．2．2橡胶掺量

2．2．3水灰比

2．2．4砂率

2．3橡胶集料混凝土配合比设计

2．3．1橡胶集料混凝土配合比设计的基本原则

2．3．2基于正交试验方法的橡胶集料混凝土配合比设计

2．4试件制备及试验方法

2．4．1试件制备

2．4．2主要仪器设备

2．4．3各项性能试验试验过程及方法

2．5橡胶集料混凝土物理和力学性能变化规律

2．5．1橡胶掺入对混凝土重量的影响

2．5．2橡胶掺入对混凝土动态弹性模量的影响

2．5．3橡胶掺入对混凝土抗压强度和抗弯强度的影响

2．6橡胶集料混凝土配制强度表达式

2．7本章小结

第3章橡胶集料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究

3．1试验方法及评价指标

3．2试件和溶液制备

3．3试验步骤

3．4硫酸盐侵蚀下橡胶集料混凝土抗压强度的变化规律

3．4．1橡胶粉集料混凝土的抗压强度及抗压强度耐蚀系数

3．4．2橡胶颗粒集料混凝土的抗压强度及抗压强度耐蚀系数

3．5硫酸盐腐蚀作用下橡胶集料混凝土抗压强度演化模型

3．6本章小结

第4章橡胶集料混凝土抗渗性研究

4．1抗渗性试验研究方法

4．1．1稳定流动法

4．1．2渗透高度法

4．1．3逐级加压法

4．1．4现场混凝土表层渗水性测试方法

4．2本论文研究抗渗性的试验方法

4．2．1试件制备

4．2．2主要仪器设备

4．2．3试验步骤

4．3橡胶集料混凝土的渗水高度及相对渗透系数

4．3．1橡胶粉集料混凝土的抗渗性分析

4．3．2橡胶颗粒集料混凝土的抗渗性分析

4．4基于人工神经网络的橡胶集料混凝土抗渗性预测

4．4．1 BP网络

4．4．2运用MATLAB来实现BP网络的设计

4．4．3橡胶集料混凝土的抗渗性预测

4．5本章小结

第5章橡胶集料混凝土抗冻性研究

5．1引言

5．2混凝土抗冻性试验研究方法

5．2．1国外抗冻性试验方法及评价参数

5．2．2国内抗冻性试验方法及评价参数

5．2．3本论文采用的抗冻性试验方法

5．3橡胶集料混凝土抗冻性试验

5．3．2主要仪器设备

5．3．3试验步骤

5．4橡胶集料混凝土冻融试验结果及分析

5．4．1冻融循环作用对橡胶集料混凝土动态弹性模量的影响

5．4．2冻融循环作用对橡胶集料混凝土质量损失率的影响

5．4．3冻融循环作用对橡胶集料混凝土抗弯强度的影响

5．4．4不同因素对橡胶集料混凝土抗冻性的影响规律

5．5橡胶集料混凝土冻融损伤模型研究

5．5．1混凝土的损伤度及冻融损伤模型

5．5．2橡胶集料混凝土的损伤度及冻融损伤模型

5．6本章小结

第6章环境作用下橡胶集料混凝土损伤机理分析

6．1硫酸盐对橡胶集料混凝土的侵蚀机理分析

6．1．1橡胶集料混凝土表面的侵蚀效应

6．1．2硫酸根离子对橡胶集料混凝土的侵蚀机理

6．2橡胶集料混凝土的渗透机理分析

6．2．1普通水泥混凝土的渗透机理

6．2．2橡胶集料对混凝土抗渗性的影响机理分析

6．3橡胶集料混凝土的冻害机理分析

6．3．1混凝土冻融破坏形式

6．3．2混凝土冻融机理

6．3．3橡胶集料混凝土冻融破坏机理分析

6．4橡胶集料混凝土抗硫酸盐性能、抗渗性和抗冻性之间的关联性

6．4．1橡胶集料混凝土抗硫酸盐侵蚀性能与抗渗性之间的相关性

6．4．2橡胶集料混凝土抗冻性与抗渗性之间的相关性

6．5本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

博士期间参加的科研项目及获得成果