详情

原文传递铸造废砂超高性能混凝土基本性能及梁抗弯性能研究

论文题名：	铸造废砂超高性能混凝土基本性能及梁抗弯性能研究
关键词：	桥梁工程;高性能混凝土;超高性能混凝土;铸造废砂;抗弯性能
摘要：	混凝土是在土木工程中应用最为广泛的材料，天然砂石是制备混凝土的主要原材料，我国每年的天然砂石需求量十分巨大，而天然砂石的大量开采引发了诸多环境问题。我国当前处于基础建设快速发展时期，每年会产生大量废弃材料，若能将废弃材料用于混凝土制备，不仅能缓解环境压力，而且能降低经济成本，因此许多学者开始针对各种废弃材料替代天然砂石制备混凝土的可行性展开研究。　　铸造废砂（WasteFoundrySand，WFS）是在铸造过程中不可避免产生的一种废弃材料，研究表明WFS可用于替代骨料制备普通混凝土。超高性能混凝土（Ultar-HighPerformanceConcrete，UHPC）具备出色的力学性能与耐久性能，是目前最先进的水泥基工程材料。WFS具备作为细骨料的替代物制备UHPC的潜力，而UHPC与普通混凝土有诸多区别，因此WFS在普通混凝土中的研究结果不能直接用于UHPC中，然而，截至目前还没有针对WFS在UHPC中的应用研究。本文采用试验、模拟与理论相结合的方法，开展铸造废砂超高性能混凝土（FUHPC）材料性能和构件性能研究，明确WFS的掺入对FUHPC材料性能和构件受力性能的影响规律，以指导FUHPC的工程应用。本文主要研究内容与结论如下：　　（1）对FUHPC的配合比进行设计，并对其各项基本性能进行测试，结果表明：WFS替代率和水胶比均会对FUHPC的基本性能产生影响，随着二者的增大，工作性能分别会降低和提升，而力学性能和耐久性能均呈现先提升后降低的变化特征。此外，WFS会抑制胶凝材料的水化，其表面的杂质会引起FUHPC性能的降低，而且孔隙结构也会随着WFS的掺入而受到影响。从FUHPC基本性能角度来看，WFS最佳替代率和最佳水胶比分别是20%和0.18。　　（2）对FUHPC梁开展四点弯曲试验，揭示梁体破坏过程及形态，分析梁体挠度、应变、裂缝宽度，探讨WFS的掺入对于梁体抗弯性能的影响，结果表明：WFS替代率和水胶比对FUHPC梁的抗弯性能影响比较明显，随着二者的增大，梁体抗弯承载力先提升后降低，混凝土极限应变先增大后减小，破坏阶段梁体裂缝数量先增多后减少，而裂缝平均宽度和裂缝间距先减小后增大。从FUHPC梁抗弯性能角度来看，WFS最佳替代率为20%，对应最佳水胶比为0.18，这与FUHPC基本性能的试验结论一致。　　（3）采用ABAQUS软件，建立FUHPC梁有限元模型，在对模型进行验证的基础上，开展抗弯性能参数影响分析，结果表明：FUHPC梁跨中受压区和受拉区分别是混凝土应力和钢筋应力的主要分布区域，且破坏时模型梁的混凝土塑性损伤主要集中在纯弯段。受拉钢筋强度、受拉钢筋配筋率和梁截面高度均会对FUHPC梁抗弯性能产生明显影响，三者的增大均会导致梁体抗弯承载力的提升，其中梁截面高度的影响最为显著。　　（4）基于试验结果及相关计算假定，开展FUHPC梁抗弯性能理论分析，推导得到FUHPC梁的理论计算公式，结果表明：钢纤维和WFS的掺入会影响梁体的抗弯性能，应在公式中予以考虑。各试验梁的开裂弯矩、抗弯承载力和裂缝宽度的计算结果与试验结果相一致，二者比值的平均值分别为1.00、0.93和1.06，表明所推导的计算公式具有较高的精度。
作者：	刘硕
专业：	建筑与土木工程
导师：	武芳文
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022