開題報告(王俊)

1、橡膠混凝土力學(xué)性能的分形研究橡膠混凝土力學(xué)性能的分形研究 專專 業(yè)：結(jié)構(gòu)工程業(yè)：結(jié)構(gòu)工程 研究方向：結(jié)構(gòu)動態(tài)分析研究方向：結(jié)構(gòu)動態(tài)分析 研究生：王研究生：王 俊俊 導(dǎo)導(dǎo) 師：白英師：白英 教授教授1.研究的目的和意義2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.研究內(nèi)容和方案 4.預(yù)期目標(biāo) 橡膠混凝土是以混凝土為基材, 摻入膠粉包括粒徑較大的膠粒制成的土木工程復(fù)合材料。膠粉主要通過物理作用改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu), 不改變混凝土中各種材料的化學(xué)性能，因而不會破壞混凝土的耐久性。 廢舊橡膠作為一種工業(yè)廢棄物其數(shù)量在廢舊高分子材料中僅次于廢舊塑料居第二位, 不僅污染環(huán)境, 而且占用土地。日益增加的廢橡膠的處理已成為全球性環(huán)境

2、及資源難題,其合理回收與利用,對于環(huán)保問題突出、資源相對缺乏的我國尤其具有重要意義。將廢橡膠摻入普通混凝土內(nèi), 既減少了廢橡膠固體廢棄物, 又能夠改善普通混凝土的一些性能, 能夠?yàn)樯a(chǎn)所用。因此, 研究橡膠混凝土的材料性能有著重要的科學(xué)意義和社會意義。 近年來，分形理論在材料、地質(zhì)、物理、化學(xué)、生物等許多學(xué)科中的應(yīng)用如雨后春筍一般迅速發(fā)展起來，大量研究表明：分形可以有效地定量描述和區(qū)分那些具有自相似或統(tǒng)計自相似特征的復(fù)雜的、極不規(guī)則的形體或行為。分形理論為描述混凝土的骨料級配問題和混凝土內(nèi)部不規(guī)則裂縫問題提供了一條新途徑。本試驗(yàn)將分維值引入混凝土骨料的級配研究上，使我們可以從一個新的角度嘗試對

3、骨料進(jìn)行定量分析。從骨料自身角度出發(fā)將骨料級配分維值作為衡量骨料級配優(yōu)劣的指標(biāo)，這對今后混凝土骨料的研究應(yīng)該是個比較好的方向。此外，分形維數(shù)作為構(gòu)件損傷程度的一個衡量指標(biāo)，用其來描述混凝土表面裂紋的擴(kuò)展，為混凝土剩余壽命的評價及結(jié)構(gòu)的無損檢測提供了一種新的途徑。 近20年來，分形理論已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用,在包括物理、化學(xué)、生物學(xué)、天文學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、哲學(xué)等相對獨(dú)立的領(lǐng)域內(nèi)獲得了大量成果。著名混凝土專家S.Diamond分析了混凝土斷面集料的分形特征；徐定華教授在專著混凝土材料學(xué)概論中對集料的粒型分形特征進(jìn)行了評價。 摻廢舊橡膠顆?；炷翍{其重量輕、韌性高、能量吸收多、隔聲、隔熱

4、、減震等優(yōu)異性能,且有效地對廢棄橡膠進(jìn) 行了再利用等優(yōu)點(diǎn), 日益受到各國學(xué)者的重視。從上個世紀(jì)80年代開始, 很多學(xué)者和研究人員就將焦點(diǎn)移到了將廢輪胎橡膠摻加到混凝土的領(lǐng)域上。 Topcu IB分別以15% 30% 45%的橡膠粉按質(zhì)量取代粗細(xì)骨料, 得到的混凝土脆性隨橡膠粉摻量的增大而減小。 lee研究表明, 含有30% 45% 60%的橡膠粉改性的混凝土的斷裂是在逐步剪切下產(chǎn)生的, 并形成了一種斜紋斷面，而未經(jīng)橡膠粉改性的混凝土卻表現(xiàn)出爆發(fā)性斷裂, 試樣能分裂成多塊。因此, 當(dāng)橡膠摻量達(dá)到一定程度時, 混凝土斷裂模式不同于普通混凝土的脆性斷裂, 呈現(xiàn)屈服破壞形態(tài)從而吸收更多的能量, 因此,

5、其韌性得以提高。 楊若沖在摻聚合物的橡膠混凝土路用性能研究摻聚合物的橡膠混凝土路用性能研究一文中一文中表明:替代粗集料的橡膠體積分?jǐn)?shù)不超過30 %時,可獲得路用性能及減振降噪效果較優(yōu)的橡膠混凝土路面材料。 應(yīng)用實(shí)例 國外已有將橡膠混凝土應(yīng)用于道路、鐵路、橋梁等交通工程的工程實(shí)例。如2003 年6 月，美國亞利桑拿州交通部首次在該州北部建造了世界上第一條橡膠混凝土路面道路段，因其性能優(yōu)良，2003 年10 月，該州交通部又建造了多個彈性混凝土試驗(yàn)點(diǎn)路段。眾多的研究資料均指明, 國內(nèi)外對橡膠混凝土的研究大部分涉及其強(qiáng)度和變形性能,基本一致的研究結(jié)論是： 隨著橡膠粉摻量的增加, 混凝土強(qiáng)度會顯著降低

6、, 韌性有所增加。由于目前關(guān)于橡膠混凝土顆粒級配分形試驗(yàn)研究極少, 所以在這一階段的試驗(yàn)中 ,制備不同骨料級配分維值以考察橡膠顆粒在不同摻量的情況下的強(qiáng)度指標(biāo), 期望能尋找出影響橡膠混凝土強(qiáng)度的一些因素以及橡膠混凝土強(qiáng)度配合比的一些規(guī)律, 為今后橡膠混凝土的研究打下基礎(chǔ)。所以本文將研究和分析以下內(nèi)容： 1）研究和分析橡膠混凝土橡膠骨料級配的分形特征對其力學(xué)性能及早期表面塑性開裂的影響。 2）設(shè)計和實(shí)施橡膠混凝土測試方法。 3）從理論上探討橡膠混凝土兩種骨料級配的分形特征與其強(qiáng)度和早期表面塑性開裂的優(yōu)化設(shè)計。研究方案如下： 取骨料級配分維值D=2.2，2.4，2.6，2.8，用粒徑為0.16mm

7、，0.315，0.63，1.25，2.50，5.0，10.0，16.0，20.0的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分骨料，求出級配骨料的通過率。骨料粒徑分布函數(shù)的分形級配形式: （ ） 其中式中，N(r)為不大于粒徑r的骨料總數(shù)， 為系統(tǒng)骨料總數(shù)； 為骨料最大粒徑， 為骨料最小粒徑；D為骨料粒徑分布維數(shù)。minminmax( )( )DDDDorrN rF rNrr03DoNmaxrminr 骨料質(zhì)量分布函數(shù)的分形級配形式: （ ） 其中式中，M(r)為不大于粒徑r的骨料總質(zhì)量， 為系統(tǒng)骨料總質(zhì)量； 為骨料最大粒徑， 為骨料最小粒徑；D為骨料粒徑分布維數(shù)。 所以骨料分形級配形式表示為： 當(dāng) 表示篩子孔徑是， 表示級配

8、骨料的通過率。33min33minmax( )( )DDDDorrM rP rMrr03DoMmaxrminr33min33minmax( )DDDDxxP xxx( )P xx 大量研究得出結(jié)論： 混凝土骨料顆粒（粒徑）級配質(zhì)量分布與骨料顆粒（粒徑）級配體積分布相等，都與體積分布維數(shù)有關(guān)，不同的分維值對應(yīng)不同的級配關(guān)系，同樣分形體積與分形空隙率也與分維值有關(guān)。 混凝土存在許多的分形現(xiàn)象，其中骨料的級配具有明顯的自相似性，可以通過分形幾何學(xué)及其相關(guān)原理進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。 以兩種不同粒徑的微粒 1 5mm 橡膠?；? 12 mm 橡膠塊為橡膠摻合料,以30%體積替代砂或碎石配制不同分維值橡膠混

9、凝土。 試驗(yàn)采用的骨料可分兩組：一組是粒徑為1 5mm 橡膠粒以30%體積替代砂；另一組是粒徑為6 12mm 橡膠粒以30%體積替代碎石。再以分維值D=2.2，2.4，2.6，2.8分別配置四組，擬配置8組試件。 每組試件為8塊， 5塊150mm 150mm150mm 標(biāo)準(zhǔn)抗壓試件；3塊100 mm100 mm400mm標(biāo)準(zhǔn)抗折，初步確定橡膠混凝土試塊64塊，試件成型后，靜置24h 后，編號拆模，放入溫度為202，濕度為90%以上移動式恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天。 1）通過試驗(yàn)在水灰比、拌制、養(yǎng)護(hù)條件相同，只有骨料級配分維值不同的情況下，分別測試兩組橡膠混凝土試塊的抗折、抗壓強(qiáng)度； 2）研究分析同種骨料橡膠混凝土試塊抗壓、抗折強(qiáng)度隨不同分維值的變化情況。 (所有研究者的試驗(yàn)結(jié)果均表明與普通混凝土相比，橡膠混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度略有降低，其降低程度與膠粉用量、粒徑及表面粗糙度有關(guān)。) 3）通過實(shí)驗(yàn)得出外荷載作用下橡膠混凝土試件表面裂紋擴(kuò)展的分形維數(shù)變化。 4）建立骨料級配維數(shù)與表面裂紋維數(shù)變化的關(guān)系。 5）從理論上探討橡膠混凝土的優(yōu)化設(shè)計。全國最長橡膠瀝青混凝土路面在宜賓鋪筑完工四川宜賓四川宜賓蜀南竹海景區(qū)橡膠瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)形式為：在舊混凝土路面上，鋪筑1cm橡膠瀝青碎石應(yīng)