[01228724]道路桥梁中绿色橡胶集料混凝土开发与应用关键技术研究

从1855年巴黎世博会第一次展出混凝土至今,混凝土对人类文明的发展起到了巨大的推动作用。经过多年的使用,混凝土产生了许多耐久性问题,如混凝土开裂、冻融破坏、氯离子引起的钢筋锈蚀等。近几十年,随着对建筑高度和跨度需求的不断增加,混凝土的强度等级已提高至100MPa以上,而混凝土强度的提高是以牺牲混凝土延性为代价的。高性能新型混凝土的研究和开发已成为当今混凝土学科新的生长点。废旧轮胎被称为“黑色污染”,是废旧橡胶物中的一种,20世纪以来汽车工业的迅猛发展使得废旧轮胎所带来的回收和处理问题越来越大,其回收和处理技术一直是世界性难题,也是环境保护的难题。处理好废旧橡胶,对于充分利用可再生资源,摆脱自然资源匾乏,减少环境污染,改善人类的生存环境是非常重要的。正是在寻求混凝土高性能化和利用工业废料发展绿色高性能混凝土的工程和社会背景下,绿色橡胶集料混凝土应运而生。绿色橡胶集料混凝土不仅可以弥补传统水泥混凝土耐久性差等诸多缺陷,实现混凝土技术的进一步发展,同时还可以利用废旧橡胶为实现资源回收利用提供新的途径。 本研究工作来源于国家自然科学基金项目“弹性混凝土工程与力学性能及应用研究”（批准号50478087）, “碾压橡胶混凝土技术性能研究”（批准号50679054） ,“橡胶集料混凝土机理研究”（批准号50878142）,“橡胶集料混凝土的材料特性对结构性能的影响”（批准号51078261）,高等学校博士学科点专项科研基金（20100032110043）,天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目“新型弹性混凝土与钢组合梁结构的疲劳性能研究”（批准号11JCZDJC24000）及天津市公路处等单位委托的9个横向项目。 本项目对绿色橡胶集料混凝土的关键理论与关键技术进行了大量卓有成效的研究,使一些新概念、新技术、新方法和新结构引入到绿色橡胶集料混凝土结构的分析和应用中,研究成果为绿色橡胶集料混凝土在我国的推广和应用提供理论依据、试验参考及工程应用指导。研究成果主要体现在以下几个方面： 1)绿色橡胶集料混凝土关键理论研究。阐明了绿色橡胶集料混凝土孔隙特征及其孔隙分形维数随着橡胶集料掺量的变化规律,提出了橡胶集料的引气系数公式及绿色橡胶集料混凝土孔隙率计算公式;进行了微观结构X射线衍射分析,得出了绿色橡胶集料混凝土中没有新物相结构生成的结论;揭示了橡胶集料混凝土面板良好的吸声特性,推动了橡胶集料拌合物在今后高速公路吸声栅栏的应用;揭示了橡胶集料掺量对橡胶集料混凝土的应力应变关系的影响及橡胶集料混凝土低温工作性能。揭示了绿色橡胶集料混凝土的橡胶掺量对其最佳砂率与可泵性的影响,提出了适用于橡胶细集料混凝土配合比设计的细集料体积率公式。揭示了绿色橡胶集料混凝土优越的抗裂性能及阻裂机理,提出了其抗渗性模型,揭示了其具有良好的抗冲磨性、耐腐蚀性和抗冻性的特点。 2)碾压绿色橡胶集料混凝土关键技术。揭示了碾压绿色橡胶集料混凝土在力学性能、变形性能及耐久性方面的优越性及其关键技术;研究了水灰比、橡胶粉用量对碾压绿色橡胶集料混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗开裂及抗拉变形的影响。 3)绿色橡胶集料钢筋混凝土梁。揭示了橡胶集料钢筋混凝土梁的工作性能,提出了绿色橡胶集料混凝土简支梁承载力的计算方法,绿色橡胶集料混凝土受弯构件延性的定量计算方法及绿色橡胶集料混凝土叠合梁的分析计算方法,为绿色橡胶集料混凝土梁的推广和使用提出了设计和分析方法。 4)绿色橡胶集料混凝土与钢组合梁的应用与开发。将绿色橡胶集料混凝土引入到组合梁中,开发了绿色橡胶集料混凝土-钢组合梁结构。研究了橡胶集料、剪力连接程度和栓钉直径对组合梁的极限承载力、弹性变形、极限变形和刚度的影响以及剪力连接程度对组合梁中性轴分布的影响;推导出连接节点的疲劳模式为栓钉疲劳破坏,分析橡胶掺量对栓钉的疲劳寿命和极限滑移的影响。推导出组合梁的疲劳模式为栓钉剪断和混凝土开裂,并提出中性轴高度系数辅助判定疲劳破坏,当中性轴高度系数达到0.4时,试件发生疲劳破坏。分析了不同剪力连接形式对绿色橡胶集料混凝土-钢组合梁静力及疲劳性能的影响。 总之,本项目的大量研究成果为绿色橡胶集料混凝土结构的技术发展和推广应用提供了理论基础和分析设计方法,研究成果可为相关规范、规程的编制提供给参考依据,并应用到实际工程中,这些都为相应的工程应用积累了宝贵的实践经验,也为今后相关项目的深入研究打下了良好的理论基础,必将推动了绿色橡胶集料混凝土结构技术的发展,具有较好的社会效益和经济效益。