高温下再生混凝土单向板试验研究

发布时间：2016-12-19 20:09

第 1 章  绪论

1.1 前言 
火是人类从事各类生产、生活的重要工具，它见证并且推动了人类社会的发展，人类社会不能没有火的存在。然而俗话说水火无情，也就是说火既可以助人为乐，也可以谋财害命。中国古代把火纳入“五行”，主礼。究其原因，大概是因为如果火“懂礼貌”的话就可以造福一方，如果“不讲礼貌”就能形成火灾，贻害四方。由此可见，火是一把双刃剑，人们必须合理使用火这种工具，并且研究火灾发展规律，为人类发展未雨绸缪。 火灾发生概率大，造成的损失也大，是威胁人类的最大灾害之一。据资料统计[1], [2]，2004~2013 年，我国年均发生火灾 19.49 万起，直接财产损失 19.51  亿元，因灾死亡 1661人，受伤 1281 人。表 1-1 和图 1-1、图 1-2 分别给出了从 2004 年至 2013 年火灾情况统计。 从表 1-1、图 1-1 和图 1-2 可以看出，，自 2004 年至 2013 年，火灾所造成的经济损失逐年攀增。其中，自 2004 年至 2012 年，火灾发生次数、伤亡人数呈现逐年下降趋势。但 2013 年火灾发生次数、直接经济损失、伤亡人数均呈现出猛增势头，每天约发生 1065.3起火灾，经济损失达 1327.9 万元，死亡 5.8 人，伤 4.5 人。也就是说，在消防疏散性能化设计越来越合理，消防设备越来越先进，救援设施越来越可靠的今天，火灾发生规律依然呈现出不可预估性。因此，我们必须防患于未然，做好各类防范措施，秉承生命至上的理念，优化结构设计，争取把人民生命财产损失降到最低。建筑火灾所造成的火灾损失高居各类火灾之首[3]。据参考文献[1]、[2]分析得知，建筑火灾引火源除家具、设备等常规易燃品外，建筑构件和建筑材料占很大比重，约占整个室内引火源的 15%。近年来，我国各地区城镇化建设飞速发展，大量的建筑如雨后春笋层出不穷，加之人们越来越注重室内外装修效果，大量使用易燃的装修材料，导致火灾频发。钢筋混凝土结构是目前比较主要的房屋结构类型。混凝土这种材料虽然具有热惰性，但是在高温作用下，钢筋和混凝土的强度、弹性模量等均呈现劣化趋势。另外，由于高温作用使得结构内部产生温度应力，造成结构同时承受外荷载及温度作用共同作用，加重了整个结构负担，进而降低了结构承载能力，最终可能导致构件或结构的破坏。 
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1.2 课题研究背景
近年来，随着我国社会经济的飞速发展，建筑业更是日新月异。一时间，似乎高楼大厦的落成总是伴随着老旧房屋的拆除，这就产生了大量建筑垃圾。根据报道，美国废弃的混凝土年产量达到了 1.5 亿吨[4]，日本废弃的混凝土年产量约 1.1 亿吨[5]。而在我国，以 2005 年为例，废弃的混凝土量达到了 1 亿吨[6]。《中国建筑垃圾资源产业化(2014 年度)发展报告》中提到，随着近几年我国建筑业的不断发展，我国每年产生的建筑垃圾总量超过了 15.5 亿吨，占城市垃圾的比例达到了 40%。 除了老旧房屋拆除所产生的建筑垃圾之外，自然灾害也是产生建筑垃圾的原因之一。例如 2008 年汶川特大地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失，与此同时还导致大规模建筑物、道路、桥梁等设施的破坏。据有统计，此次地震造成了大约 530 多万间房屋倒塌，2143 万间损毁，有 1300 余万人需转移安置，据此估计此次地震所产生的建筑垃圾约 3 亿吨[7]。 对建筑垃圾进行如填埋、随意倾倒等粗狂式的处理，不仅会导致占据土地，阻塞河道等后果，甚至还会引起扬尘，污染水土资源，破坏环境，从而导致环境恶化等严重恶果。我国对建筑垃圾已经开展大量预防和整治工作。《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》中明确了我国对固体废弃物污染防治的基本原则，即处理固体废弃物污染防治的“减量化、资源化、无害化”的“三化”原则[8]，这也是我国在建筑垃圾管理领域的基本技术政策。《中国建筑垃圾资源化产业发展报告（2014 年度）》提出了我国在“十三五”时期建筑垃圾资源化的目标和重点任务：一是要大力发展与建筑垃圾资源化相关的产业；二是要制定、修改和完善关于建筑垃圾处理利用的相关法律法规和制度体系；三是要达到一定的目标，即在“十三五期间”大型和中等城市的建筑垃圾资源化利用率要达到 60%，其他城市要达到 30%。由此可见，我国下一步将大力发展建筑垃圾处理产业，为实现青山、绿水、蓝天打下牢固基础。 建筑垃圾资源化是指从建筑垃圾中回收有再使用价值的物品或利用某些物质产生新的物质。它包括物资回收、物质转换、能量转换三方面的内容。  对废旧混凝土进行回收利用，不仅可以避免建筑业对天然砂石等原材料过度依赖，还能减轻对自然环境的影响和破坏。因此，研究再生混凝土对实现建筑业可持续发展和建设环境友好型社会具有重大现实意义。
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第 2 章  常温下与高温下再生混凝土单向板试验方案 

2.1 试验目的和任务
研究不同骨料取代率（r）的再生骨料混凝土单向板在常温下与高温下的受力和变形性能，为再生骨料混凝土板的结构设计和结构耐火设计提供试验数据，并为普通混凝土板和再生混凝土板在火灾后的工作性能提供参考依据。（1）实测常温下钢筋强度； （2）实测常温下和高温后不同骨料取代率的混凝土试块抗压强度； （3）进行常温下不同骨料取代率的再生混凝土单向板承载力试验； （4）进行高温下不同骨料取代率的再生混凝土单向板耐火试验。
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2.2 试验场地和设备选择 
（1）在北京市朝阳区三间房水泥构件厂进行构件制作、试块留取、养护。 （2）在建研科技股份有限公司结构试验室进行材料力学性能试验和再生混凝土单向板承载力试验。 （3）在中国建筑科学研究院建筑安全与环境实验室进行再生混凝土单向板耐火试验。 （4）所用设备有万能试验机、50t 压力试验机、压力传感器、水平燃烧炉、位移采集仪、温度采集仪、起重机等。 
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第 3 章 受高温作用的混凝土和钢筋的力学性能研究与试验 ........ 20 
3.1 高温下与高温后普通混泥土的力学性能研究 ........... 20 
3.1.1 高温下普通混凝土力学性能 .......... 20 
3.1.2 高温后普通混凝土力学性能 .......... 22 
3.2 高温后再生混泥土的力学性能研究 ......... 24
3.3 高温下与高温后钢筋的力学性能研究 ..... 25 
3.3.1 高温下钢筋的力学性能 ......... 25 
3.3.2 高温后钢筋的力学性能 .........28 
3.4 高温下与高温后钢筋和普通混凝土的粘结性能研究 ........ 29 
3.5 常温下与高温后再生混凝土和钢筋力学性能试验 ............ 30
3.6 本章小结 ........ 35 
第 4 章 常温下再生混凝土单向板承载力试验与结果分析 ............ 36 
4.1 各测点位置与编号 .......... 36 
4.2 加载过程与试验现象 ...... 37
4.3 试验结果分析 ......... 43
4.4 本章小结 ........ 50  
第 5 章 高温下再生混凝土单向板耐火试验与结果分析 ....... 51 
5.1 板的安装与就位 ..... 51 
5.2 试验过程与试验现象 ...... 52
5.3 试验结果分析 ......... 55
5.4 本章小结 ........ 65 

第 5 章  高温下再生混凝土单向板耐火试验与结果分析 

5.1 板的安装与就位 

按前述 2.4.2 相关计试验划进行安装。在试验开始前，对构件进行了外观检查，发现构件完整，基本没有掉角、开裂等现象，尺寸和热电偶预埋位置准确。与此同时检测了混凝土抗压强度，待混泥土强度达到 100%抗压强度设计值后进行吊装和运输。构件运至中国建筑科学研究院建筑安全与环境实验室后，将与板同条件养护的同配合比的试块摆放在燃烧炉内，然后将构依次吊装至燃烧炉上方就位，板两端支撑长度 150mm，为简支式。 待单向板安装就位后，在每块板上方摆放加载块。加载量按《混凝土结构试验方法标准》中要求的预加荷载不超过设计开裂荷载的 70%进行加载。以下公式是关于开裂荷载的计算方法：以上两种方法计算的开裂荷载值见表 5-1。若按照开裂荷载的 70%计算的话，应当在每块板上布置不超过 17.70KN 的加载块。为了保证安全，同时也是根据《建筑结构荷载规范》的相关要求，本试验预加荷载的加载量定为 6KN/板，即 2KN/m2。构件安装效果见 2.4.2 图 2-10。待各个板均安装完毕后进行接线工作，将预埋热电偶与数据采集仪相连。同时，在每块板跨中位置布置 1 个量程为 20cm 的电子位移计。由于板的受热应当是单面受火，为了保证混凝土板受热过程中板侧不受热，在试验开始前用石棉将板与板之间以及板与燃烧炉之间进行填塞。待全部构件安装完毕，各个仪表读数正常后，人员撤离至安全地带，进行点火作业，按照标准升温曲线进行加温 1.5 小时，中途不停止，直至试验结束。按照事先制定的计划，本文对 NCB-2、RCB-2、RCB-4、RCB-6 四种不同再生骨料取代率的再生混凝土单向板进行了高温下的耐火试验。表 5-2 和图 5-1 是本文试验实际升温曲线与 ISO834 标准升温曲线的对比。通过对比可以发现本文试验的炉内升温曲线与标准升温曲线差异很小，这说明炉温控制得当，所取得的试验结果应当是准确有效的。 通过比对可以看出，本试验炉温升温完全符合《建筑构件耐火试验方法》中关于炉温控制的相关要求。 

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结论 

本文通过研究总结近年来再生混凝土和普通混凝土结构在材料、构件、结构耐火性能方面的相关内容，了解到国内外在普通混凝土结构耐火方面已经取得一定进展，但对再生混凝土结构的耐火研究还不是很多，因此本文通过试验研究了再生混凝土单向板的耐火性能。 本文制作了 8 块混凝土强度等级为 C40 的再生骨料取代率不同的混凝土单向板，其中 4 块进行了常温下的承载力试验，另外 4 块进行了高温下的耐火试验。除此之外，本文还做了材性试验。主要研究结论如下：在材料研究方面，总结了前人的研究成果并进行了部分试验。根据这些成果和试验得到如下结论： 常温下混凝土的抗压强度与再生骨料取代率有关。再生骨料取代率越大，抗压强度越小。再生粗骨料取代率为 40%的混凝土抗压强度与普通混凝土相差不大。全再生粗骨料混凝土的抗压强度大约是普通混凝土的 91.6%； 高温下普通混凝土的抗压强度和弹性模量均有所降低，且弹性模量的下降幅度更大。混凝土的抗压强度随着温度的升高而不断降低，但 200～300℃时抗压强度变化不明显； 高温后普通混凝土、再生混凝土的抗压强度和弹性模量均有所降低，但降低幅度并不相同。本文通过试验研究发现，经历高温作用的全再生骨料混凝土抗压强度下降幅度最小； 高温下与高温后钢筋的屈服强度、抗拉极限强度和弹性模量均呈现降低趋势，且弹性模量降低幅度更大。
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参考文献(略) 

本文编号：220468