辅助性材料修复的再生粗骨料混凝土物理力学性能研究

摘要

伴随着银川市城市建设发展建筑垃圾数量迅速增加，为实现建筑业向可持续化、绿色化发展，本研究将建筑垃圾分离，利用其中废弃混凝土部分做再生粗骨料，同时考虑宁夏工业废灰、废渣量较大，将辅助性材料粉煤灰、矿粉加入以节约水泥用量并添加新型引气剂K12烷基硫酸钠调整再生混凝土性能，进一步实现环境与资源协调发展。本文以试验研究为基础，重点以宁夏银川地区为例系统研究了再生粗骨料的基本物理力学性能，以正交试验选择再生粗骨料混凝土的最优配合比，在此基础上分析环境因素对再生混凝土耐久性的影响并进行试验研究。另外根据损伤理论建立了再生粗骨料混凝土单轴受力损伤模型并对其进行了验证，最后对宁夏地区建筑垃圾综合有效利用提出措施建议，主要研究内容包括:
　　首先深入调查了再生混凝土国内外研究现状及未来发展趋势及对再生骨料生产中建筑垃圾的分离、破碎工艺，分类标准，衡量指标等，在此基础上提出了本研究适宜生产工艺及所适用技术标准;选取银川地区有代表性的拆除旧楼梁柱、实验室废弃试块等为材料做了再生粗骨料性能试验，同时提出了本次研究中再生粗骨料采用人工分离破碎方式结合物理强化方式水冲洗、二次搅拌工艺和化学强化方式及添加阴离子表面活性剂来改善再生混凝土性能，阴离子表面活性剂K12烷基硫酸钠的使用属于本研究创新，研究显示它对改善再生混凝土耐久性抗冻融破坏、抗渗有良好促进作用。
　　其次选取水灰比、粗骨料、粉煤灰、矿粉掺量五因素四水平的正交试验方案，通过再生粗骨料混凝土的塌落度、立方体抗压强度进行测试和分析，综合考虑强度和经济环境效益优化确定了配合比及获得了最佳正交组合为A2B2C3D2E3，即水灰比0.32，再生粗骨料掺量40％，粉煤灰掺量20％、矿粉掺量10％。影响因素依次为:水胶比、再生粗骨料掺量、矿粉、粉煤灰。试验结果显示再生粗骨料混凝土力学性能如抗压强度、弹性模量均低于同等强度的天然骨料混凝土。且由于再生粗骨料高吸水性存在，拌制中需水量大于天然骨料混凝土。
　　然后提出了环境因素对再生混凝土耐久性损伤模型，以该模型为基础通过各项耐久性试验测试各组混凝土的抗渗性、抗冲耐磨性、抗硫酸盐侵蚀性、收缩性、抗冻融循环性、抗碳化性，在试验基础上对再生混凝土性能做了系统对比、分析评价。通过实验得出:再生粗骨料混凝土抗渗性能达到P10要求，抗冲耐磨性能能够满足一般混凝土工程对抗冲耐磨性的要求，收缩率略大于普通混凝土，抗硫酸盐侵蚀能力较好，能够满足普通混凝土抗渗性的要求，抗冻融循环性能明显低于普通混凝土;加入引气剂K12烷基硫酸钠后明显改善了再生混凝土抗冻、抗渗性能，对再生混凝土抗冲耐磨性能、后期收缩有适当提高。
　　针对再生骨料、再生混凝土微观结构、孔隙裂缝内部损伤、水泥石界面及界面过渡区的粘结状况进行测试，分析微观组成、界面特点、损伤特征，从微细观层次上对天然骨料混凝土与再生混凝土进行对比研究。观察粉煤灰、矿粉、K12烷基硫酸钠对再生混凝土骨料—水泥石界面的改善状况。
　　然后在系统研究损伤理论基础上提出单轴受力条件下损伤本构模型，通过试验分析对比了模型和试验的差异，结果表明所建模型在单轴压缩试验的应力应变曲线上升段可较好地模拟再生混凝土单轴受力条件下应力—应变关系，下降段则有一定偏差，有待进一步完善研究。
　　最后本文对宁夏地区建筑垃圾综合有效处理及再生粗骨料系统有效利用做了技术评价，并从理论角度提出解决该问题的有效途径。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 再生骨料混凝土的研究背景及应用

1．1．1 选题背景及意义

1．1．2 再生骨料混凝土应用与工程建设发展的相关性

1．2 国内外对再生骨料混凝土的研究动态及应用

1．2．1 国内再生混凝土研究动态

1．2．2 国外再生混凝土研究动态

1．2．3 国内外对再生骨料混凝土的应用

1．2．4 宁夏地区建筑垃圾再生利用现状

1．3 再生混凝土存在问题及研究

1．3．1 再生混凝土配合比设计及标准

1．3．2 再生混凝土高性能化发展与应用

1．3．3 再生骨料混凝土组合结构发展与应用

1．4 论文主要研究内容及创新点

1．4．1 论文主要研究内容

1．4．2 论文创新点

第二章 再生粗骨料的基本特性

2．1 再生骨料的生产与加工现状

2．1．1 日本再生骨料的生产工艺流程

2．1．2 俄罗斯再生骨料的生产工艺流程

2．1．3 我国再生骨料的生产工艺流程

2．1．4 实验采用再生骨料的生产工艺

2．2 再生骨料的分类

2．2．1 国际材料与结构研究实验联合会(RILEM)再生骨料标准

2．2．2 德国再生骨料技术标准

2．2．3 日本再生骨料技术标准

2．2．4 我国再生骨料技术标准

2．3 再生粗骨料的基本性能

2．3．1 再生粗骨料来源

2．3．2 再生粗骨料粒形、表面结构

2．3．3 再生粗骨料的密度、孔隙率

2．3．4 再生粗骨料的吸水性

2．3．5 再生粗骨料的强度

2．3．6 再生粗骨料的强化

2．4 本章小结

第三章 再生粗骨料混凝土基本性能研究

3．1 实验原材料与试验方法

3．1．1 骨料

3．1．2 胶凝材料

3．1．3 混凝土外加剂

3．1．4 养护水和拌合水

3．1．5 拌合及养护

3．2 正交试验方案设计及过程

3．2．1 正交方案设计

3．2．2 正交实验过程

3．3 实验结果分析

3．3．1 再生混凝土的和易性

3．3．2 力学性能分析

3．4 本章小结

第四章 再生粗骨料混凝土耐久性研究

4．1 再生混凝土耐久性损伤模型及实验方案选取

4．1．1 再生混凝土耐久性损伤模型建立

4．1．2 实验方案的确定

4．1．3 实验基本性能检测

4．2 再生粗骨料混凝土抗水渗透试验

4．2．1 再生粗骨料混凝土渗透机理

4．2．2 再生粗骨料混凝土抗渗实验方法

4．2．3 再生粗骨料混凝土抗渗实验仪器

4．2．4 再生粗骨料混凝土抗渗试验步骤

4．2．5 试验结果与分析

4．3 再生粗骨料混凝土抗冲耐磨试验

4．3．1 再生混凝土抗冲耐磨破坏机理分析

4．3．2 再生混凝土抗冲耐磨试验方法

4．3．3 试验设备

4．3．4 试验结果与分析

4．4 再生粗骨料混凝土干缩变形试验

4．4．1 机理分析

4．4．2 早期干燥收缩实验方法

4．4．3 试验计算结果及分析

4．5 再生粗骨料混凝土抗冻融循环试验

4．5．1 再生粗骨料混凝土冻融机理分析

4．5．2 再生混凝土抗冻融循环实验方法及步骤

4．5．3 试验结果分析

4．6 再生粗骨料混凝土抗硫酸盐侵蚀试验

4．6．1 再生混凝土硫酸盐侵蚀破坏机理分析

4．6．2 再生混凝土抗硫酸盐侵蚀试验方法及步骤

4．6．3 试验结果

4．6．4 试验结果分析

4．7 再生粗骨料混凝土抗碳化试验

4．7．1 再生混凝土碳化机理

4．7．2 再生混凝土抗碳化性能试验方法及结果

4．7．3 抗碳化性能试验结果分析

4．8 本章小结

第五章 再生混凝土的微观结构与破坏特征研究

5．1 再生粗骨料混凝土材料的微观结构

5．1．1 再生粗骨料微观组成

5．1．2 辅助矿物材料微观组成

5．2 再生粗骨料混凝土微观结构及形成机理

5．2．1 再生粗骨料混凝土微观结构组成

5．2．2 再生粗骨料混凝土微观结构实验结果及分析

5．3 再生粗骨料混凝土破坏特征

5．3．1 再生粗骨料混凝土受压破坏特征

5．3．2 再生粗骨料混凝土劈裂破坏特征

5．4 再生混凝土损伤

5．4．1 再生粗骨料混凝土初始损伤

5．4．2 再生粗骨料混凝土损伤演化

5．5 本章小结

第六章 再生混凝土单轴受力损伤模型

6．1 损伤理论关键性问题

6．1．1 损伤本构模型建立的理论基础

6．1．2 损伤变量的确定

6．1．3 有效应力应变及等效性假设建立

6．1．4 损伤与塑性的关系

6．1．5 损伤演化规律的确定

6．2 再生混凝土损伤本构模型的建立

6．2．1 损伤准则

6．2．2 弹性损伤本构模型

6．2．3 弹塑性损伤模型

6．2．4 再生混凝土单轴受力损伤模型

6．3 数值实现

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间发表的论文及参与的科研工作