【摘要】：隨著我國城市化進程的日益加快，由于建筑垃圾所造成的城市污染也日趨嚴重，而再生混凝土（RAC）作為一種能夠有效利用建筑垃圾的新型建筑材料，符合我國節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的國家戰(zhàn)略，同時也是一種能夠節(jié)約不可再生資源、改善城市環(huán)境、推進并發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的有效途徑。然而由于地域性差異，各地區(qū)建筑垃圾來源不盡相同，導致所制備的普通RAC物理力學性能差異較大，加之目前對于普通RAC的研究成果均表明其抗裂能力和延性較差，故本文主要針對西安地區(qū)的地域特點，在對不同類別廢舊混凝土調研基礎上，采用人工破碎、機械破碎、清洗、篩分等加工處理方法，制備了3種不同來源、不同服役壽命的再生混凝土骨料和普通RAC試塊，并進行了相應的力學性能研究。隨后，基于性能增強需要，采用4種不同再生纖維，即聚丙烯三枝抗老化網(wǎng)狀纖維（PPF-1）、改性聚丙烯（粗）TANK纖維（PPF-2）、子午線鋼絲纖維（RSF-1）和尼龍纖維（RNF-2）等，并將其進行一元、二元、三元混雜后摻入普通RAC中，制備了相應的性能增強再生混凝土（EC-RAC）材料，同時進行了相應的力學性能研究，對比分析了其性能增強效果。接著，文中還以上述普通RAC和EC-RAC材性試驗為基礎，分別設計制作了1根普通混凝土，3根普通RAC和2根EC-RAC受彎構件以及1根普通混凝土，3根普通RAC和2根EC-RAC柱，并進行了相應的抗震性能試驗。最后，文中還設計制作了1個縮尺比例為1：4的含有多種類型的普通RAC和EC-RAC構件的框架結構試驗模型，進行了模擬地震振動臺試驗研究，得出了一些具有創(chuàng)新意義的研究成果。本文的主要研究工作如下： （1）收集3種不同來源和不同服役壽命的建筑垃圾，通過破碎、清洗、篩分等方法，制備了40組再生粗骨料和12組再生細骨料，進行了相應的顆粒級配、表觀密度、孔隙率、含水率、含泥量、氣干及飽和面干狀態(tài)下的壓碎值指標等物理力學性能試驗，計算了顆粒不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)，評價了再生骨料級配不均勻性、表觀密度和孔隙率等性能指標。結果表明，文中制備的再生混凝土骨料級配良好，能夠用于再生混凝土材料的制備。 （2）采用文中制備的再生粗骨料，考慮不同再生骨料取代率，根據(jù)現(xiàn)有普通混凝土配合比設計方法，經(jīng)現(xiàn)場試配和調整等，確定了文中普通RAC配合比，并制備了91組共273個普通RAC試塊，進行了抗壓、劈裂抗拉、抗折及變形性能等力學性能試驗，建立了再生骨料取代率r與f c/f cu的計算公式以及f cu與f c的換算關系、劈拉強度與立方體抗壓強度的換算關系、抗折強度與立方體抗壓強度的換算關系、彈性模量與立方體抗壓強度的計算公式、峰值應變與軸心抗壓強度的計算公式、普通RAC應力-應變曲線與取代率r之間的計算公式等，為進一步研究提供了依據(jù)。 （3）采用PPF-1、PPF-2、RSF-1和RNF-2等4種不同再生纖維，分別在再生骨料取代率為0%、30%和50%的普通RAC基礎上，摻入單一纖維，二元混雜纖維和三元混雜纖維，制備了150組共450個EC-RAC試塊，進行了EC-RAC材料的力學性能試驗研究，探討了不同種類纖維及其摻入量等對普通RAC強度和變形性能的影響，分析了EC-RAC的各強度指標、峰值應變和彈性模量以及比普通RAC的增強效果，建立了在不同取代率（0%、30%和50%）下，單摻、二元、三元混雜纖維后所得EC-RAC受壓時的應力-應變方程。 （4）根據(jù)前述材性試驗結果，考慮不同再生骨料取代率和不同混雜纖維摻量，研究了其對于受彎構件承載力及變形性能的影響。本文設計并制作了縮尺比例均為1：2的1根普通混凝土受彎構件、3根普通RAC受彎構件和2根EC-RAC受彎構件試驗模型，進行了相應的靜力加載試驗研究，探討了試驗過程中各受彎構件的破壞規(guī)律和破壞特征，對比分析了試驗所得各受彎構件的開裂彎矩、極限承載力和跨中變形等，確定了各特征值隨再生骨料取代率和不同混雜纖維摻量的變化規(guī)律，特別是混雜纖維摻量對普通RAC受彎構件承載力和變形性能的影響；通過試驗所得結果，利用最小二乘法進行了內(nèi)力臂系數(shù)η、截面彈塑性抵抗矩系數(shù)ζ和鋼筋應變不均勻性系數(shù)公式的擬合，建立了適用于RAC受彎構件的短期剛度計算公式，同時計算了正常使用狀態(tài)下的梁的撓度值。最后，將ABAQUS有限元軟件模擬結果與試驗結果進行了比較，兩者吻合較好。 （5）考慮不同再生骨料取代率和不同混雜纖維摻量等因素，設計并制作了縮尺比例均為1：2的1根普通混凝土柱、3根普通RAC柱和2根EC-RAC柱試驗模型，同時進行了相應的低周反復加載試驗，探討了各柱試驗模型的破壞過程及特征，分析了其承載力、滯回曲線、骨架曲線、延性和耗能能力等抗震性能指標及其相應的變化規(guī)律，特別是混雜纖維摻量對普通RAC柱承載力和抗震性能的影響。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析與擬合，建立了適用于普通RAC和EC-RAC柱的三折線型P-Δ恢復力模型，同時擬合了正反向加卸載各階段的剛度退化公式。利用所建立的恢復力模型，分析了各柱相應的滯回曲線和骨架曲線，最后采用ABAQUS有限元軟件，對各柱在低周反復荷載下的滯回性能進行了模擬，得到了相應的滯回曲線和骨架曲線，并與試驗結果進行了對比，二者吻合較好，上述結果表明文中建立的恢復力模型和有限元分析結果可靠，可用于這類構件的抗震性能分析。 （6）根據(jù)試驗模型相似理論，以某3層實際框架結構為原型，設計并制作了1個縮尺比例為1：4的3層單跨框架結構試驗模型。為了有效對比不同取代率和不同纖維摻量對于RAC梁、柱構件的抗震性能的影響，對框架模型結構中的梁、柱采用了多種類RAC進行澆筑。進行模型結構的模擬地震振動臺試驗時，各工況開始前、后均采用白噪聲掃頻，以測試模型結構的自振特性；然后按照地震烈度從小到大的順序，分別進行EL Centro波、Taft波、蘭州波（人工波）的單向、雙向輸入下的模擬地震振動臺試驗，，從而考察了模型結構在各工況下的震害特點和規(guī)律，同時測試了其相應各層的加速度和位移響應，求解了模型結構的加速度幅值、位移幅值、層間位移幅值和層間位移角等，對比分析了普通RAC和EC-RAC框架結構的抗震性能。 （7）根據(jù)白噪聲掃頻結果，利用MATLAB編程，計算了模型結構在各工況后的自振特性，并根據(jù)所求層間位移角，同時參考試驗現(xiàn)象，提出了普通RAC和EC-RAC框架結構破損等級的5級初步劃分標準；利用整體結構在試驗各階段計算所得頻率和阻尼比，考慮結構X、Y方向不同剛度、結構振型數(shù)量、結構形式以及自振頻率測試方法等影響，建立了適用于普通RAC和EC-RAC框架整體結構的損傷模型；根據(jù)各工況后普通RAC和EC-RAC框架結構計算所得的損傷指標以及相應的臺面加速度峰值，擬合了方便實用的框架結構快速評定結構損傷指標的計算公式；基于上述損傷模型，計算了各試驗工況后模型結構的損傷指標，結合上述破損等級的5級初步劃分標準，建立了普通RAC和EC-RAC框架結構破損程度的綜合評定標準；利用ANSYS有限元軟件，對該模型結構進行了X向主輸入的雙向地震作用下的有限元模擬，并與試驗結果進行了對比，兩者較為吻合，因此可用有限元軟件分析這類結構的抗震性能。 研究結果表明，文中提出的再生骨料、普通RAC和EC-RAC的制備方法有效可靠，所建立的力學性能計算公式和本構關系與試驗結果吻合良好，梁、柱構件及框架結構的抗震性能均能夠滿足《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）等規(guī)范的要求，特別是混雜纖維的摻入能夠有效地增強材料和構件的抗裂性能及延性，提高框架結構的整體抗震性能，減小地震災害的影響，同時相應的制備技術、本構關系、恢復力模型、結構損傷綜合評定標準等均可為工程應用時提供必要的技術參考。
【學位授予單位】：西安建筑科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TU352.11


本文編號：2568339