橡膠集料混凝土的微觀解析及其結(jié)構(gòu)理論的探索研究.pdf

1、橡膠集料混凝土是一種“年輕”的新型建筑材料，僅有不到三十年的研究歷史，它的誕生是對水泥混凝土科學(xué)發(fā)展的推進(jìn)。橡膠集料混凝土表現(xiàn)出了一系列與普通混凝土顯著不同的工程性能，基于目前人們對橡膠集料混凝土的認(rèn)識：(1)抗開裂性能顯著增強；(2)抗?jié)B、抗氯離子侵蝕性能大幅提高；(3)基體變形能力增強，能夠吸收更多應(yīng)變能。這些獨特的宏觀性能是與它的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，并影響到其結(jié)構(gòu)性能。因此，從微觀角度進(jìn)一步“解析”橡膠集料混凝土和探討橡膠集料混凝土

2、對結(jié)構(gòu)性能的影響具有十分重要的意義。
　　 本課題取材于國家自然科學(xué)基金項目“橡膠集料混凝土的機(jī)理研究”和“彈性混凝土工程與力學(xué)性能及應(yīng)用研究”。主要研究了橡膠集料對混凝土中物相結(jié)構(gòu)的影響，橡膠集料混凝土的孔結(jié)構(gòu)，基于應(yīng)力集中理論的裂縫發(fā)展延緩機(jī)制，此外，還建立了橡膠集料混凝土梁受彎承載力的計算方法以及延性的評價方法。
　　 本文所采用的主要研究方法有：(1)試驗研究，主要包括SEM試驗，X射線衍射試驗(XRD)，壓汞試

3、驗(MIP)，以及基本力學(xué)性能試驗；(2)數(shù)值計算，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計算分析；(3)理論分析。
　　 本文主要研究成果如下：
　　 (1)XRD試驗結(jié)果表明，盡管水泥的化學(xué)成分復(fù)雜，并且水化反應(yīng)時會釋放大量的熱，但摻入橡膠集料后，在其水化產(chǎn)物中并沒有發(fā)現(xiàn)新的物相結(jié)構(gòu)；摻加橡膠集料的水泥凈漿的水化產(chǎn)物中氫氧化鈣(CH)晶體的衍射峰強度顯著降低。據(jù)此筆者推斷，摻加橡膠集料后，水泥基材料后期強度的提高幅度將增大。并

4、且這一推論初步得到其他研究人員試驗數(shù)據(jù)的支持。筆者認(rèn)為：這是因為橡膠集料的憎水性在橡膠集料表面外圍一定厚度范圍內(nèi)形成了低水灰比環(huán)境，該環(huán)境使CH、Aft等晶體的發(fā)育程度受阻。因此在水泥水化反應(yīng)的初期階段在橡膠集料表面由各種晶體“搭建”起來的“框架結(jié)構(gòu)”的體積減小，這可能是導(dǎo)致?lián)郊酉鹉z集料的水泥基材料后期強度持續(xù)大幅提高的原因之一。
　　 (2)采用壓汞試驗對橡膠集料混凝土的孔結(jié)構(gòu)和分形特征進(jìn)行了量化研究。試驗結(jié)果表明，橡膠集料混

5、凝土的最可幾孔徑、平均孔徑、中值孔徑以及孔隙率均增大；但孔徑分布更趨于均勻。橡膠集料混凝土的孔隙分形維數(shù)D值隨著橡膠集料摻量的增加而減小，它表明橡膠集料的引入使得橡膠集料混凝土的孔結(jié)構(gòu)分布更趨于規(guī)則。
　　 (3)橡膠集料對混凝土中裂縫發(fā)展的阻礙機(jī)制非常復(fù)雜，難于具體量化分析。本文建立了含橢圓形孔洞的矩形板有限元分析模型，研究了基于應(yīng)力集中理論的橡膠集料阻礙裂縫發(fā)展的機(jī)理，詮釋了橡膠集料混凝土在宏觀力學(xué)上表現(xiàn)出的高延性特點。計算

6、中采用了應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)作為研究方法。計算結(jié)果表明：隨著橢圓形狀系數(shù)的增加，SCF顯著增大；軟性填充材料能夠顯著降低橢圓孔洞處的應(yīng)力集中，使得孔洞沿x方向和y方向的影響范圍都明顯減小，因為軟性填充物所分擔(dān)的拉應(yīng)力隨橢圓形狀系數(shù)的增加而逐漸增大。這些結(jié)論成功詮釋了低溫下橡膠集料混凝土仍能表現(xiàn)出延性破壞的原因。
　　 (4)提出了橡膠集料混凝土新的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線；基于這一關(guān)系曲線，建立了橡膠混凝土梁的受彎承載力的計算方法。該

7、計算方法中，考慮了橡膠集料混凝土峰值壓應(yīng)變和極限壓應(yīng)變對承載力的影響。橡膠集料混凝土的極限壓應(yīng)變比普通混凝土的顯著增大，梁的中和軸明顯下移，使得橡膠集料混凝土梁的受壓區(qū)高度顯著增大。計算結(jié)果表明，在相同混凝土強度等級下，橡膠集料混凝土梁的受彎承載力比普通混凝土梁提高0～10％(橡膠集料摻量在0～12％之間，即λ1≤1.5；λ2≤2.0時)。在影響橡膠集料混凝土梁受彎承載力的各種因素中，橡膠集料混凝土的應(yīng)變系數(shù)λ2對承載力的影響十分顯著，

8、而λ1對承載力的影響較小。通過一算例，計算了相同截面的橡膠集料混凝土簡支梁和普通混凝土簡支梁的受彎承載力。該算例表明，前者的受彎承載力比后者提高了7.6％。
　　 (5)以新建的橡膠集料混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線為基礎(chǔ)，通過梁構(gòu)件的截面曲率延性系數(shù)(CDF)建立了橡膠集料混凝土梁延性的評價方法。在鋼筋混凝土梁構(gòu)件的彎拉設(shè)計中，不僅要滿足承載力要求，還要滿足一定的延性要求。橡膠集料混凝土的誕生開辟了從材料自身角度出發(fā)來增加構(gòu)件延性的新