关键词：
透水混凝土
季冻区
橡胶
硅灰
疲劳
冻融
损伤
强度
摘要：
随着城市化的快速推进,城市地表被密实的混凝土材料所覆盖,由此引发诸多城市问题,如城市内涝、地下水位下降、噪声污染、城市热岛现象等,因此,城市的可持续发展已经成为全球共同关注的问题。近年来,我国提出海绵城市发展战略,首批试点已经布局海绵城市建设。透水混凝土作为海绵城市建设重要的组成部分,对海绵城市的建设具有重要的意义。然而,我国对透水混凝土的研究起步较晚,同时由于透水混凝土自身结构特征导致其力学性能和耐久性较差,使得其工程应用范围和规模相对较小。特别是对季冻区路面结构,冻融的影响严重制约了其发展和应用,因此,开展季冻区透水混凝土性能研究具有重要的现实意义。废旧橡胶作为工业发展的废弃物,通常采用掩埋、焚烧等方式处理,造成了严重的环境污染,由于橡胶具有高弹性、耐磨、耐久性好等特点,将其应用于混凝土路面材料中可以极大地改善混凝土材料的变形能力和耐久性。硅灰作为冶炼工业的副产品,其含量丰富的Si O2使得其成为性能优越的胶凝材料,将其应用于混凝土材料,不仅可以实现工业废弃物的再利用,还可以有效提高混凝土的力学性能和耐久性。本文依托吉林省科技发展计划项目“严寒地区生态绿色透水路面材料研究与应用”,针对季冻区路面材料的要求,对橡胶硅灰复合改性透水混凝土的配合比设计、基本力学性能、抗冻性能和疲劳性能等进行了试验研究,旨在开发一种具有较高力学性能和耐久性的、符合季冻区路面材料要求的透水混凝土。本文的主要研究内容如下:(1)基于三因素三水平正交试验,以骨料粒径、水胶比和孔隙率为正交试验因素,以透水混凝土的有效孔隙率、透水系数、抗压强度、弯拉强度和抗冻性为评价指标,通过正交试验极差分析和方差分析,分析了各因素对透水混凝土性能的影响。综合考虑各因素不同水平下透水混凝土的透水性、强度性能和抗冻性,确定了在满足透水性要求条件下,强度性能和抗冻性最优的透水混凝土配合比,作为后续试验研究的基础。(2)在透水混凝土配合比设计基础上,研究了橡胶改性透水混凝土的透水性能、力学性能和抗冻性能。测试了不同粒径橡胶在不同掺量水平条件下透水混凝土的透水系数、抗压强度、弯拉强度、破坏应变、弯拉弹性模量和抗冻性,得到具有较好变形能力和抗冻性、同时强度性能和透水性能满足要求的橡胶改性透水混凝土;以硅灰作为改性剂,等体积取代水泥,研究了不同硅灰掺量下透水混凝土的透水性能、力学性能和抗冻性能。得到具有优异强度性能和抗冻性能的硅灰改性透水混凝土;综合考虑橡胶和硅灰单一改性透水混凝土的强度、变形能力和抗冻性,对复掺硅灰和橡胶的透水混凝土性能进行了试验研究,得到变形能力好、强度高、抗冻性好的橡胶硅灰复合改性透水混凝土。(3)研究了普通透水混凝土和橡胶硅灰复合改性透水混凝土的弯曲疲劳性能,测定了两种透水混凝土在不同应力水平下的疲劳寿命。基于K-M生存分析,研究了应力水平和改性剂对透水混凝土疲劳性能的影响。建立了透水混凝土疲劳寿命两参数Weibull分布模型,以线性回归法、矩估计法和极大似然法对Weibull分布的形状参数和尺度参数进行了求解,并通过K-S拟合优度检验对所建立的模型进行了检验,以Weibull分布函数、概率密度函数和失效率函数分析了应力水平和改性剂对透水混凝土疲劳性能的影响。基于所建立的Weibull分布模型,建立了透水混凝土不同可靠性概率条件下的疲劳方程,分析了改性剂对疲劳方程的影响。(4)针对处理疲劳损伤的传统方法的不足,基于疲劳力学,从原子热扰动运动出发,确定了原子的循环变形是引起疲劳损伤的机理,并以此机理为基础,得到了一般形式的应力疲劳损伤演化规律,同时建立了基态交变荷载下的单轴应力疲劳理论,研究了疲劳循环寿命周期内的损伤演化,分析了普通透水混凝土和复合改性透水混凝土的疲劳损伤演化规律。以不同冻融循环后的复合改性透水混凝土的冻融损伤作为材料的初始损伤,分析了初始损伤对透水混凝土疲劳特性的影响,并建立了不同初始损伤下透水混凝土的疲劳损伤演化规律。
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