再生塑料改性混凝土力学性能研究及数值模拟.pdf
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1、第 1 4卷第 2期 2 0 1 1年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI L DI NG MATE RI AL S Vo1 1 4, No 2 Ap r , 2 0 11 文章 编号 : 1 0 0 7 - 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 1 7 3 0 7 再 生塑料 改性混凝土力学性能研究及数值模 拟 刘 锋 , 黄 海滨 , 夏 晓舟 , 李丽娟 , 钟根 全 , 郭永 昌 ( 1 广东 工业 大学 土 木 与交通 工 程学 院 ,广东 广 州 5 1 0 0 0 6 2 广东工业大学一 香港理工大学 高性能结构与材料联合研究中心 , 广东 广州 5
2、 1 0 0 0 6 ) 摘 要 :将再 生 AB S P C塑料 颗粒掺 入 混凝 土 中制 成塑 料 改性 混凝 土 , 对 该 改 性 混凝 土进 行 立方 体 抗 压 强度 、 轴 心抗 压 强度 、 劈 裂抗拉 强度 和抗 折 强度试 验 , 研 究 了不 同掺 量 再 生 AB S P C塑料 颗 粒 对混凝土力学性能的影响 基于二 维圆形随机 骨料模 型, 运用有限元 方法进行单轴压 缩细观数值 模拟, 得到 了不 同掺量下再生塑料改性混凝土的应力一 应 变曲线; 将单轴压缩强度计算值 与实验值 进行了对比, 结果表明: 该方法能很好地模拟计算再生塑料改性混凝土的单轴抗压强度 关
3、键 词 : 再 生 塑料 改性 混凝 土 ;力 学性 能 ;试验研 究 ; 数 值模 拟 中图分 类号 : T U5 2 8 4 1 文 献标 志码 : A d o i : i 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 2 0 0 6 M e c ha ni c a l Te s t o n M o di f i e d Co nc r e t e Pa r t i c l e s a nd I t s Nu me r i c a l wi t h Re c y c l e d Pl a s t i c S i mu l a t i o n L
4、儿 Fe n g , HUANG Ha i b i n , XI A Xi a o z h o u , LI Li - j u a n , ZH ONG Ge n q u an GUO Yo n g c h an g 。 ( 1 Fa c u l t y o f Ci v i l a n d Tr a n s p o r t a t i o n En g i n e e r i n g,Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ,Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6,Ch i n a ; 2 GDU
5、T- HK POLYU J o i n t Re s e a r c h Ce n t e r f o r Hi g h P e r f o r ma n c e S t r u c t u r e s ,Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y, Gu a n g z h o u 5 1 0 0 0 6,Ch i n a ) Ab s t r a c t :I n t h i s e x p e r i me n t ,d i f f e r e n t a mo u n t o f r e c y c l e d
6、AB S PC p l a s t i c p a r t i c l e s we r e p u t i n t o t h e n o r ma l c o nc r e t e The t e s t o f c u bi c c o mpr e s s i v e s t r e ng t h, a xi a l c o mpr e s s i ve s t r e n gt h, s pl i t t i ng t e ns i l e s t r e n g t h a n d f l e x u r a l s t r e n g t h we r e c a r r i e
7、d o u t t o s t u d y t h e me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e s o f t h e mo d i f i e d c o n c r e t e wi t h d i f f e r e nt c on t e n t o f r e c y c l e d p l a s t i c p a r t i c l e s Ba s e d o n t he t wo d i m e ns i on a l r a n do m r o un d a g g r e g a t e mo d e l ,t h e f i
8、 n i t e e l e me n t me t h o d wa s u s e d t o n u me r i c a l l y s i mu l a t e t h e u n i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e ng t h o f t he s pe c i me n o n m e s o l e ve l , a n d t he s t r e s s s t r a i n c ur v e s o f mo di f i e d c o nc r e t e wi t h d i f f e r e n t p l a
9、s t i c c o nt e nt we r e ob t a i ne d The nu m e r i c a l r e s ul t s we r e c ompa r e d wi t h t he e xp e r i me n t whi c h s ho we d t h a t t h i s me t h o d c a n we l 1 b e u s e d t o s i mu l a t e t h e me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f mo d i f i e d c o n c r e
10、t e wi t h r e c y - c l e d pl a s t i c Ke y wo r ds :mod i f i e d c o nc r e t e wi t h r e c y c l e d pl a s t i c;me c ha ni c a l pe r f o r m a nc e ;t e s t r e s e a r c h;nume r i c a l s i m 一 1 1 1 a t j o n 随着塑料制品工业的飞速发展 , 大量塑料制 品 被广泛应用 2 0 0 1年, 全球年消耗 塑料材料 已经接 近 1 亿 t 然而 , 在塑料制 品工业蓬勃
11、发展的同时 , 必然会伴随大量废弃塑料的产生 2 0 0 7年 中国回收 废弃塑料总量就已达 1 4 8 0多万 t 如此大量的废弃 塑料污染环境 , 危害人类健康 , 必须进行 回收再利 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 0 2 2 ;修订 日期 : 2 0 1 0 0 4 1 2 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 1 0 8 7 2 0 5 2 ) ; 广东省 自然科 学基金重 点资助项 目( 0 7 1 1 7 4 1 9 ) ; 广东省 科技攻关项 目( 2 0 0 8 13 0 1 0 6 0 0 0 1 1 ; 2 0 0 9 t3 0 1 1 2 0 0 0 0 3
12、 ; 2 0 0 9 1 3 0 1 1 0 0 0 0 2 0 ) 第一作者 : 刘锋( 1 9 6 5 一) , 男 , 江苏南通人 , 广东工业大学教授 , 博 士 E ma i l : f l i u g d u t e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4卷 用 然而 , 从 目前情况看 , 废弃塑料只是做到 了回收 , 却没有真正做到再利用 国外处理 回收废弃塑料 的 主要 方法 是 丢弃 、 掩埋 、 焚烧 、 或者 运往 他 国 废 弃 塑料 的利用受到越来越广泛 的关注 , 将其破碎成颗 粒或粉末直接掺人其他
13、材料 中, 是废弃塑料 回收再 利用的最佳选择 3 Ma r z o u k等 将废弃 P E T瓶破 碎成颗粒后 按照不 同体积替代率 将其加入混凝 土 中, 结果表明, 再生塑料的颗粒粒径 、 替代率对混凝 土性能有重要影响 Ko u等 则用再生 P VC管颗粒 和膨胀 黏 土制作 了非 承 重 轻 质 混凝 土 , 该 混 凝 土 具 有密度低、 延展性好、 低干缩和较高抗氯离子渗透性 等良好特性 P a n y a k a p o等 6 将热 固性三聚氢胺塑 料颗粒 、 粉煤灰和铝粉等混合研制了塑料轻质混凝 土, 其密度和强度均满足相关标准要求 Dwe i k等 7 将三聚氢胺一 甲醛
14、替代 0 6 O ( 质量分数) 天然砂 , 结果表明, 当替代率从 0增至 3 O 时, 混凝土密度 随替代率的增大而降低 , 而抗压强度则随替代率 的 增大 而提 高 本文将再 生 A B S P C塑料颗粒掺人混凝土 中 制成 再 生塑 料改 性 混 凝 土 ( MC R P) , 然后 对该 改 性 混凝土进行立方体抗压强度 、 轴心抗压强度 、 劈裂抗 拉强度 和抗 折 强 度 试 验 , 研 究 了不 同掺 量 再 生 AB S P C塑料 颗粒 对 混 凝 土 力 学性 能 的影 响 采 用 二维圆形随机骨料模型模拟 MC R P细观各相 , 利用 非线性有限元方法 , 得到了不
15、 同掺量下单轴压缩时 MC R P的应力 应变 全 曲线 1 试验概 况 1 1试验 原材 料 水泥: 广州石井水泥公司生产的 P SA矿渣 硅酸盐水泥 , 强度等级为 3 2 5 R; 水 : 普通 自来水 ; 砂 : 普通河砂 , 中砂, 连续级配 , 表观密度为 2 6 1 0 g c m a , 细度模数 2 9 ; 碎石 : 花 岗岩碎石 , 粒径 5 2 5 mm; 塑料 颗粒 : 再 生 AB S P C塑料 颗 粒 , 粒 径 1 2 mm, 短 柱状 , 密度 为 1 1 0 0 g c m。 1 2试 验 配合 比 将 C 3 o普通混凝土作 为基材 , 用再生塑料颗粒 部
16、分替代 细骨料 , 其 替代 率分别 为胶 结料 质量 的 2 , 5 , 8 , 1 1 配合 比如表 1 所示, 其 中 A表示 再生 A B S P C塑料颗粒 , o , 2 , 5 , 8 , 1 1 表示替代率 表 1 配合比 T a b l e 1 M i x p r o p o r t i o n s A0 A2 A5 A8 A1 1 2 MC RP的力学性能 2 1 密度 MC R P标准养护 2 8 d后的密度变化如图 1所 示 由图 1可 以看 出, 随着再 生塑料颗粒掺 量的增 加 , 该改性混凝土的密度有所降低 未掺再生塑料颗 粒混凝土密度 为 2 4 6 5 g c
17、 m。 , 掺 l 1 9 6 再生塑料颗 粒混凝土密度为 2 3 9 1 g c m。 这是 由于再生塑料 颗粒密度小于天然砂所致 2 2立 方体 抗压 强度 抗压试验采用 YE S 一 3 0 0 0数显 式压力试验机 试件尺寸为 : 1 5 0 mm1 5 0 mm1 5 0 mm, 共 1 O组 , 每组 3个试件 试件的立方体抗压强度见表 2 由表 2可以看出, 试件 7 , 2 8 d立方体抗压强度 随着再生塑料颗粒掺量 的增加先提高后降低 , 掺量 图 1 MC R P的密度变化 Fi g1 Cha ng e i n d e ns i t y o f M CRP 为 5 9 5
18、时达到最大值 , 分别为 3 2 4 3 , 4 2 2 7 MP a 而 且掺再生塑料颗粒混凝土的抗压强度比普通混凝土 高 , 增幅为 3 2 1 9 4 吕0 【 s 口 0 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 刘锋 , 等 : 再生 塑料 改性 混凝土力学性能研究及数值模拟 表 2 试件立方体抗压强度试验结果 Ta b l e 2 Re s u l t o f c u b i c c o mpr e s s i v e s t r e n g t h t e s t s MPa 将混凝土立方体抗压强度与其质量之比定 义为 强质 比 MC R P的
19、强质比随再生塑料颗粒掺量 的变 化如图 2所示 由图 2可以看出, 随着再生塑料颗粒 掺量的增加, MC R P的强质 比先增加后降低 , 而且比 普通混凝土的强质比高 , 提高幅度为 4 5 2 1 3 , 当掺量为 5 时, 强质比达到最大值( 5 1 9 MP a k g ) 香 虿 黾 图 2 MCRP的 强 质 比 Fi g 2 Ra t i o be t we e n s t r e ngt h a nd qu a l i t y 2 3 轴 心抗压 强 度 为了与混凝土的实 际工作状态一致 , 常用棱柱 体试件来检测混凝 土的抗压强度 根据文献 8 - 1 , 本 次试验采用 1
20、 0 0 mm1 0 0 mm3 0 0 mm非标准试 件 , 标准养护 2 8 d MC R P的轴心抗压 强度试验结 果 如 图 3所示 图 3 MC R P的轴 心抗压强度 Fi g 3 Ax i a l c ompr e s s i v e s t r e n gt h 由图 3可 以看 出 , 随 着再 生 塑 料 颗粒 掺 量 的增 加 , MC R P的轴心抗压强度先 提高后 降低 , 而且 均 比普通混凝 土 高 , 提高幅度 为 1 7 O 5 7 9 , 当 掺 量 为5 时,轴 心 抗 压 强 度 达 到 最 大 值 ( 3 0 5 MPa ) 2 4 劈 裂抗 拉 强度
21、 劈裂 抗拉 试件 尺 寸 、 养 护条 件 同 2 3节 , 测 试 方 法参照文献 9 , 试验结果见 图 4 图 4 MC R P的劈裂抗拉 强度 Fi g 4 Sp l i t t i ng t e ns i l e s t r e ngt h 由图 4可见 , 掺再生塑料颗粒后 , 混凝土的劈裂 抗拉 强 度 比普 通 混 凝 土 高, 增 幅 为 2 7 5 4 4 8 7 9 , 当掺量为 5 时 , MC R P的劈裂抗拉强度 达 3 O 8 MP a , 提 高约 5 O 表 3为 1 0 0 mm立方体劈裂抗拉强度与抗压强 度之 间 的关 系 , 其 中 1 0 0 mm
22、立 方体 抗压 强度 由 1 5 0 mm试 件换 算而来 ( 系数取 0 9 5 ) 由表 3可 以看 出, 未掺再生塑料颗粒混凝土的拉压比( 1 o 1 8 1 ) 小于掺再生塑料颗粒混凝土的拉压 比( 1 0 1 4 5 ) , 这说明再生塑料 颗粒能改善混凝 土 的脆性 破坏性 能 虽然再生塑料颗粒掺量不同, 但其拉压 比值基本 相 同 , 表 明掺量 为 2 1 l 时 , 再 生 塑料 颗 粒 对 混 凝 土 的脆 性改 善作 用与 其掺 量大 小无 关 表 3 1 0 0 n n n立方 体 试 件 劈 拉 强 度 与 抗 压 强 度 的 关 系 T a b l e 3 Re l
23、 a t i o n s h i p b e t we e n s p l i t t i n g t e n s i l e a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c u b i c s p e c i me n s co a S p l i t t i n g t e M n s i l e C m om 唧 pr e s s i v e R c0m Dr es s l ve st re ngt h A0 A2 A5 A8 A1 1 3 7 4 4 3 8 9 1 4 4 8 1 4 1 1 9 3 8 6 4 2 5抗 折 强度 抗
24、折试件为 1 0 0 mm1 0 0 mmX 4 0 0 mm 非标 准试件 , 标准养护 2 8 d , 采用 KZ 1 0 0抗折试验机进 行试验, 测试方法参照文献- 9 - , 试验结果见 图 5 由 6 4 2 0 8 6 4 2 O 8 如 如 勰 时 、 I I 扫0 一 0 lJ 口 I I o 0_【 对 x v 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 4卷 图 5可 以 看 出 , MC RP的 抗 折 强 度 比 普 通 混 凝 土 高 , 提高幅度为 1 O 3 4 1 6 O 9 , 当再生塑料颗粒 掺量为 5 时 , M
25、C R P的抗 折强度最大 ( 5 0 5 MP a ) 图 5 MC R P的抗折强度 Fi g 5 Fl e xu r a l s t r e ngt h 3 MC RP二维细观数值模拟 MC R P是 由粗集 料、 水 泥砂浆、 再 生塑料 颗粒 以及水泥砂浆与 2种集料之间的界面过渡区组成 的 四相复合材料 本文应用细观有限元数值模拟方法 , 采用二维圆形随机骨料模型模拟 MC R P细观各相 , 对不 同再 生塑料 颗粒 掺量 下单 轴压缩 时这种 改性 混 凝 土 的破 坏过程 进行 了研 究 3 1 二维 集料 数 目计算 及细 观单 元力 学参数 单轴压缩时, MC R P试件
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