现浇磷石膏-混凝土组合墙受压力学性能研究及破坏分析

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我国每年新增磷石膏排放量约5000万吨,贵州省两大磷酸基地瓮福与开阳排放的磷渣(磷石膏)每年达1000万吨。工业废弃石膏堆填会占去大量的土地资源,如果沿着岩溶、裂隙渗漏到地下会造成土壤、地表水、地下水的污染。将工业废弃石膏进行改性并加以综合利用,便可变废为宝,用作生产水泥的缓凝剂、土壤改良剂,或者建筑的装修等,但以上领域对石膏的消耗量有限,难以达到大规模处理工业废渣的目的。因此,本文将磷石膏作为建筑材料,并基于聚乙烯增强磷石膏强度的理论,以磷石膏-混凝土网格式框架组合墙为研究对象,通过数值模拟和试验方法分析墙体受压破坏机理,为磷石膏在结构工程中的应用提供有用参考,为磷石膏的资源化利用开辟新的途径。本文首先通过有限元软件对聚乙烯改性的磷石膏-混凝土网格式框架组合墙、无填充的混凝土框架墙、未改性的磷石膏-混凝土组合墙进行数值模拟,并对比三种墙体的力学性能。结果表明,相比于无填充混凝土框架墙,磷石膏-混凝土组合墙和改性磷石膏-混凝土组合墙的承载力分别提高62.57%和70.48%,说明填充磷石膏可与混凝土框架墙协同工作,能显著提高墙体承载力;此外,当墙体钢筋屈服时,改性的磷石膏-混凝土组合墙对应的位移比未改性的磷石膏-混凝土组合墙提高59.11%,表明改性磷石膏对墙体的延性有改善作用,改性磷石膏-混凝土框架组合墙变形更均匀,延性更好;通过对比三种墙体的应力云图发现,三种墙体最大承载时的中柱所受应力约为边柱的2倍,而填充材料的存在,改善了混凝土网格墙柱的受力分布,极大降低了中柱轴力与边柱轴力的比值,使整个墙体受力趋于均匀,极大改善了墙体因局部破坏而致使墙体丧失功能的可能性。其次,采用相似性计算,设计了聚乙烯改性的磷石膏-混凝土网格式框架组合墙、无填充的混凝土框架墙、未改性的磷石膏-混凝土组合墙的1/3缩尺试验模型,通过墙体顶部均布加载的方式对组合墙体进行压缩试验,并对比三种墙体的力学性能。试验结果表明,相比于无填充混凝土框架墙,磷石膏-混凝土组合墙和改性磷石膏-混凝土组合墙的承载力分别提高86.57%和46.16%;对比改性前后磷石膏-混凝土组合墙的填充块(改性前后的磷石膏)受力情况,发现改性后填充块强度大于改性前,并且改性后填充块对墙体整体受力的贡献度也优于改性前;观察三组墙体的实物破坏图,发现无填充框架墙和磷石膏-混凝土组合墙在发生脆性破坏前,墙面未出现明显裂纹,而改性磷石膏组合墙体在发生破坏前,墙面出现大量水平裂纹和斜裂纹,破坏过程表现出明显的延性;与数值模拟结果相比,基本接近,其中误差较大的是改性磷石膏-混凝土组合墙的承载力。最后,结合试验分析,从墙体的受力-变形角度出发,深入研究改性前后磷石膏-混凝土组合墙的破坏机理,对墙体的竖向承载构件进行局部分析。其中,对监测墙体楼层梁位移与边柱竖向移动的位移计进行细致研究,将墙体主要承受竖向荷载的中柱与边柱进行受力分析,并对整体墙面分为三个截面并进行分区域研究。结果表明:改性磷石膏-混凝土组合墙中柱的荷载-应力曲线与磷石膏-混凝土组合墙几乎一致,但边柱的荷载-应力曲线出现骤增,骤增起始荷载为765 k N;在荷载处于765 k N—944.85 k N时,改性磷石膏-混凝土组合墙边柱的竖向位移增长率比中柱高37.5%,表明边柱变形较大;改性磷石膏-混凝土组合墙2/3截面边柱所受应力先降后增,左边柱降幅最大,所受应力最大仅为11.91 MPa,表示2/3截面的左边柱出现了局部混凝土断裂,促使后期加载过程中只有中柱承担所有纵向荷载,加速了墙体破坏,从而导致改性磷石膏-混凝土组合墙的承载力低于磷石膏-混凝土组合墙。
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