【摘 要】
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随着我国水利水电事业、“一带一路”建设、海洋强国及国家水安全建设的发展,寒冷地区在建和拟建水利水电民生工程日益增多,将废弃橡胶轮胎破碎后用于水工混凝土中,有助于保护环境和改善混凝土的抗冻性。橡胶的掺入使混凝土细观结构重新分布,增强了混凝土的变形适应能力,不同程度降低混凝土强度,使混凝土冻融损伤演化和冻融损伤后的受压损伤演化规律的不确定性增强,混凝土宏、细观结构的冻融响应和受压破坏过程变得更为复杂。
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随着我国水利水电事业、“一带一路”建设、海洋强国及国家水安全建设的发展,寒冷地区在建和拟建水利水电民生工程日益增多,将废弃橡胶轮胎破碎后用于水工混凝土中,有助于保护环境和改善混凝土的抗冻性。橡胶的掺入使混凝土细观结构重新分布,增强了混凝土的变形适应能力,不同程度降低混凝土强度,使混凝土冻融损伤演化和冻融损伤后的受压损伤演化规律的不确定性增强,混凝土宏、细观结构的冻融响应和受压破坏过程变得更为复杂。水工橡胶混凝土强度理论的不完善,冻融损伤机理和冻融损伤水工橡胶混凝土受压损伤演化机制,以及全应力-应变关系的不确定性成为制约其发展和应用的关键因素。对此,本文以水工橡胶混凝土力学试验和冻融循环试验为基础,开展水工橡胶混凝土力学性能及冻融损伤预测模型研究。主要研究工作和结论如下:（1）通过水工橡胶混凝土强度和弹性模量试验,研究了橡胶掺量、粒径及改性方法对水工混凝土强度和弹性模量的影响规律;通过CT和扫描电镜技术及硬化混凝土气孔结构分析方法,揭示了橡胶对混凝土强度和弹性模量的影响机理;根据试验结果,基于普通混凝土抗压强度计算公式,建立了水工橡胶混凝土抗压强度计算公式,在此基础之上,建立了水工橡胶混凝土劈裂抗拉强度、抗折强度和弹性模量分别与抗压强度的关系表达式,建立了计算公式;公式与同行试验结果进行对比分析,计算公式的计算值与试验值吻合较好。（2）通过水工橡胶混凝土单轴受压全应力-应变曲线试验,研究了橡胶掺量对水工混凝土单轴受压应力-应变关系的影响规律,提出了受压水工橡胶混凝土应力-应变曲线初始弹性模量和峰值应力的计算公式,揭示了橡胶掺量对水工橡胶混凝土受压损伤演化的影响规律,建立了包含橡胶掺量及其改性影响的受压混凝土损伤本构模型;本构模型与试验结果进行对比分析,表明建立的本构模型具有较好适用性,对于再生粗骨料掺量不大于50%,强度为16.2 MPa～32.6 MPa的橡胶再生混凝土仍可适用。（3）根据水工橡胶混凝土冻融循环试验结果,研究了冻融循环条件下,不同橡胶掺量的混凝土损伤演化规律,明确了相对动弹性模量、质量损失率和动弹性模量随橡胶掺量及其改性和冻融循环次数的变化规律,提出了水工橡胶混凝土抗冻耐久性指数计算公式;通过CT和扫描电镜技术及硬化混凝土气孔结构分析方法,阐明了橡胶对混凝土抗冻性的影响机理;基于Aas-Jakobsen混凝土疲劳公式,推导出包含橡胶掺量及其改性和冻融循环次数影响的混凝土冻融损伤参数ψn,建立了水工橡胶混凝土冻融损伤模型和抗冻耐久性寿命预测模型;预测模型与同行试验结果进行对比分析,该模型具有较好的适用性。（4）对橡胶掺量不同的水工橡胶混凝土,进行冻融循环试验后,开展单轴受压全应力-应变曲线试验,研究橡胶掺量及其改性和冻融循环次数对混凝土应力-应变关系影响规律,阐明了橡胶和冻融损伤对混凝土受压破坏状态的影响规律,揭示了橡胶掺量及其改性和冻融循环次数共同影响下混凝土受压损伤演化机理,建立了冻融损伤水工橡胶混凝土应力-应变曲线的初始弹性模量、峰值应力及峰值应变与橡胶掺量和冻融循环次数的关系式,推导了冻融损伤水工橡胶混凝土受压损伤演化方程式,建立了包含橡胶掺量及其改性和冻融循环次数影响的混凝土受压宏观本构模型,模型计算结果与试验值吻合较好。（5）基于混凝土统计概率损伤理论,求解了冻融损伤水工橡胶混凝土单轴受压细观损伤概率密度函数,揭示了受橡胶掺量及其改性和冻融损伤影响下混凝土受压细观损伤机制;通过水工橡胶混凝土单轴受压细观损伤概率密度函数与橡胶掺量和冻融循环次数的相关性分析,推导出包含橡胶掺量及其改性和冻融循环次数影响的混凝土单轴受压细观损伤本构模型参数,建立了水工橡胶混凝土单轴受压细观损伤本构模型,模型计算结果与试验值吻合较好。
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