盐冻循环作用下再生混凝土力学性能与微观结构探讨

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论文字数:35526 论文编号:sb2021060413570035909 日期:2021-07-04 来源:硕博论文网
本文中的研究内容主要是针对内蒙地区单盐溶液冻融循环后的试验研究,受到试验条件等方面的影响,研究的内容有限,所得结论具有一定局限性,对于内蒙地区再生混凝土的研究还有大量工作需要继续进行:(1)本文仅针对内蒙地区单盐侵蚀与冻融作用下再生混凝土力学性能与微观结构研究,对于单盐侵蚀与冻融多轴受压力学性能变化规律及本构关系有待研究。

1 绪论

1.1 背景和意义
随着我国城市化建设和农村城镇化建设的不断扩大,每年因废旧房屋的拆除、道路翻修以及重大自然灾害等所产生的建筑垃圾总量约为 18 亿吨,占城市垃圾总量的80~90%,利用率却不足 10%,远低于欧美等发达国家的 70%以上[1],北方地区每年也有上万吨建筑垃圾产生。另一方面目前对于建筑垃圾的粗放处理方式,对生态环境造成了一系列破坏,如占用大量耕地、破坏城市景观、产生大量的粉尘污染等[2]。此外,砂石等自然资源的大量开采,导致天然骨料的日渐枯竭,材料价格上涨迅猛。针对以上问题,亟需寻找一种新的材料和技术来解决,再生混凝土技术应运而生,不仅可以解决一系列的资源和环境问题,还能推动建筑业的绿色可持续发展。
图 1.1 建筑废弃物来源
图 1.1 建筑废弃物来源
再生混凝土是将废弃的混凝土经破碎、筛分等程序处理后,使其比例级配符合普通天然骨料标准规范,然后部分或全部替代天然骨料,与水泥、砂、水、外加剂等材料共同拌制而成。再生混凝土的应用将减少砂、石等自然资源的消耗,可以带来良好的经济效益与生态效益。但由于地区和环境的差异,导致再生混凝土的研究与推广应用受到限制,没有形成完善的再生混凝土国家规范标准,有大量的技术问题亟待解决。
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1.2 研究现状
1.2.1 冻融循环作用下再生混凝土的力学性能研究
按照渗透压、静水压和冻胀力等理论,混凝土的抗冻性取决于混凝土的渗透性、可冻水的数量等因素。混凝土内水分在冷冻后结冰,产生体积膨胀,导致内部的空隙和微裂缝被不断扩展,相互贯通,导致强度不断降低,最终破坏[8]。
刘全升[9]、胡琼等[10]分别通过改善骨料性能和添加矿物掺合料的方法,提高了再生混凝土的抗冻性与耐久性;吴耀鹏[11]、刘全升[9]、周宇[12]、S.C.Kou 等[13]研究认为再生混凝土的抗冻性随骨料取代率的增加而降低;刘军[14]认为再生骨料取代率低于75%时抗冻性最好;魏毅萌[15]认为取代率 50%时抗冻性与普通混凝土接近,100%时最差;S.Kox 等[16]试验表明取代率 40%时,对混凝土耐久性影响最小,并且认为再生骨料本身的抗冻性对混凝土影响不大;曹万林等[17]认为当粗骨料取代率在 50%时能够用于寒冷地区的房屋结构。
对于再生混凝土本构关系也有许多学者进行了研究。邹超英等[18]研究表明再生混凝土在冻融循环后,峰值应力和弹性模量小于普通混凝土,而峰值应变呈现出各不相同的规律,冻融后的再生混凝土横向变形系数在 0.1-0.3。齐振麟[19]的试验表明再生混凝土在冻融循环后,峰值应力、弹性模量和横向变形系数降低,峰值应变增加,建立了峰值应力、峰值应变与冻融循环次数的关系式;范玉辉[20]测量了骨料取代率为 66%时冻融循环后再生混凝土的应力应变全曲线,拟合得出了冻融循环次数与基本力学性能参数的影响。
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2 试验概况及方案

2.1 试验材料材性指标测试
2.1.1 原生混凝土强度
研究表明再生混凝土的强度受原生混凝土强度等级影响,由于其骨料的组成成分不同,强度等级、使用年限以及服役环境不同,将导致混凝土强度存在差异性[6,7]。因此有必要对试验所用废弃混凝土强度进行测试。本试验用的废弃混凝土来自包头某建筑拆除的废弃楼板,见图 2.1。由于服役年限、原始强度等信息缺失,为了较准确的推测出本批次废弃混凝土的强度,试验采用钻芯法。随机选择六块拆除的废弃混凝土板,钻取 2 组 R=100mm,H=100mm 的圆柱体试件,如图 2.2 所示。利用液压压力试验机对圆柱体进行加载,测量两组试件的抗压强度,最后取平均值,得到棱柱体抗压强度値为 28.09MPa。
图 2.1 废弃混凝土楼板
图 2.1 废弃混凝土楼板
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2.2 再生混凝土配合比
鉴于目前再生混凝土配合比设计没有相应的国家规范,因此参考普通混凝土配合比设计规范以及文献[51,52]进行配合比设计。根据前期对再生骨料的基本性能测试结果可知,再生骨料的吸水率高,10min 吸水率达 80~90%24h,因此试验中增加了附加水。根据文献[53,54]再生混凝土配合比的研究,在适配过程中,先将再生骨料倒入料斗并加入附加水,使再生骨料吸水,达到饱和面干状态,10min 后放入砂,水泥,搅拌均匀,再加入水和外加剂搅拌 2~3min,为了达到预定的强度等级以及良好的和易性,塌落度控制在 100±5mm,进行多次适配调整,并最终确定了混凝土配合比,如表 2.5 所示。
表 2.5 混凝土配合比
表 2.5 混凝土配合比
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3 再生混凝土盐冻循环试验 ............................................. 13
3.1 盐冻循环试验现象及结果 ......................................... 13
3.1.1 试验现象 ..................................... 13
3.1.2 质量变化 ............................. 14
4 单轴受压性能试验研究 ............................. 25
4.1 单轴受压破坏形态 ................................ 25
4.2 应力应变全曲线分析 ............................... 27
5 再生混凝土盐冻融循环后微观结构分析 .............................. 47
5.1 再生混凝土盐冻循环后 XRD 分析......................... 47
5.2 再生混凝土冻融前后电镜分析 ............................. 48

5 再生混凝土盐冻融循环后微观结构分析

5.1 再生混凝土盐冻循环后 XRD 分析
为了研究再生混凝土在不同盐溶液中冻融循环后所产生的化学产物,现采用XRD 衍射仪器对粉末状的混凝土样本进行检测,样本取自 RC30、RC40、RC50 组中90 次的试件。
图 5.1 为再生混凝土在 3.7%氯盐溶液中冻融循环后的 XRD 衍射图谱,从图中可知,冻融循环后,再生混凝土内部的化学物质主要是 SiO2,所对应的衍射峰非常显著,它主要是细骨料组成部分,不会参与化学反映。内部其他化学物相主要包括 NaCl,Friedel 盐和 Na2SiO3.nH2O、Al2Ca3(OH)12 和 AFt 等物质。NaCl 为氯盐溶液的结晶产物,Friedel 盐为氯盐侵蚀产物,生成的同时消耗大量 Ca(OH)2。图中不同强度等级再生混凝土中晶体的 XRD 衍射峰峰值和峰强基本相似,说明强度等级对盐冻循环后内部化学生成物没有太大影响,均为同类化学物质。
图 5.1 90 次冻融循环后各组再生混凝土 XRD 图谱
图 5.1 90 次冻融循环后各组再生混凝土 XRD 图谱
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6 结论与展望

6.1 结论
文章对再生混凝土力盐冻循环后的力学性能以及微观结构进行了研究,得出了以下结论:
(1)相同盐溶液浓度下,盐冻循后再生混凝土的质量损失,动弹性模量损失,立方体抗压强度损失均大于普通混凝土,表明普通混凝土抗氯盐冻融性能优于再生混凝土;不同强度等级再生混凝土的抗盐冻性依次为:C50 C40 C30,90 次盐冻循环后 RC50、RC40、RC30 组对应的质量损失,相对动弹性模量,立方体抗压强度损失分别为:RC50 组 0.83%,95.40%,20.93%;RC40 组 2.654%,78.11%,36.71%;RC30组 4.41%,61.2%,62.33%。硫酸盐溶液中再生混凝土的力学性能指标损失前期较慢,降低速速低于氯盐中再生混凝土,90 次循环后迅速下降。
(2)根据试验所得数据,分别建立了氯盐与硫酸盐中再生混凝土的损伤模型,并通过现有的文献验证了模型的可靠性,能够反映内蒙地区单盐冻融循环下的变化规律。
(3)试验得到了针对内蒙环境下,单盐冻融循环后再生混凝土的应力应变曲线,以及相关参数值的变化曲线图,分析得到:NC40 组的峰值应力略大于 RC40 组,峰值应变,极限应变小于 RC40 组,弹性模量和泊松比大于 RC40 组;盐冻融循环后,峰值应力随再生混凝土强度等级提高增大,峰值应变减小且 RC40 与 RC50 组差距较小,RC40 组与 RC30 组极限应变较接近,弹性模量随等级增加增大,泊松比范围一般在 0.12-0.28;SC40 组与 RC40 组的峰值应力、峰值应变、弹性模量在 0-60 次循环时差距显著,90 次后两者较接近,硫酸盐组极限应变随冻融循环次数减小,泊松比在 90 次冻融循环后硫酸盐组大于氯盐组,更容易发生横向变形。
参考文献(略)