煤矸石混凝土在主动及被动约束下受压力学性能研究

作     者：李永龙 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁兵;冯耀科

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：煤矸石混凝土 主动约束 PET FRP 被动约束 力学性能 

摘      要：作为煤炭资源开采和洗选过程中的副产品,煤矸石在我国大宗固体废弃物排放中占比超过10%。截至目前,我国煤矸石存量约为70亿吨且呈现出逐年增加的趋势。煤矸石的高效合理利用,不仅直接关系到国家经济的绿色发展,同时也直接影响到我国“碳中和、碳达峰目标的实现。考虑到煤矸石的主要成分与天然砂石骨料的相似性,利用煤矸石取代天然砂石骨料制备煤矸石绿色混凝土已经在业界内引起广泛关注。与煤矸石直接地面堆积、采煤塌陷区处理和煤矿井下直接填充等传统的手段相比,制备煤矸石混凝土的技术最大限度的提高了煤矸石的附加产值,同时对于缓解当前天然砂石资源短缺的现状也提供了一种新的思路。不同于天然砂石骨料,煤矸石作为来源复杂、成分不一的混合材料,其显著的非均质性导致煤矸石混凝土的力学性能相对较差。为提高煤矸石混凝土在土木工程领域的推广应用,相关学者从改变煤矸石混凝土的应力环境（主动约束和被动约束）的角度出发,开发了包括钢管煤矸石混凝土结构及FRP管煤矸石混凝土结构等新型的组合结构。本课题基于前人的研究成果,围绕煤矸石混凝土在三向应力状态下的力学响应机制这一关键科学问题,分析了不同煤矸石粗骨料取代率（0%、25%、50%、100%）及不同侧向围压（包括常规三轴和真三轴）对煤矸石混凝土力学性能（包括破坏模态、应力-应变曲线、体积应变-轴向应变曲线等）的影响。在此基础上,提出了一种使用回收塑料制品加工而成的纤维增强复合材料（聚对苯二甲酸乙二酯纤维增强复合材料,简称PET FRP）和煤矸石混凝土组合而成的新型组合结构,针对不同FRP约束刚度（0mm、0.841mm、1.682mm）和不同煤矸石粗细骨料混合取代（煤矸石粗骨料体积取代率0%、25%、50%、100%;煤矸石细骨料体积取代率0%、12.5%、25%、50%）条件下新型组合结构的力学特性展开研究。本课题的主要研究内容及结论如下:（1）选取典型生产矿井的煤矸石骨料作为研究对象,对其微观形貌、矿物组成和基本物理性能进行测试,得到煤矸石堆积密度、表观密度、吸水率和压碎指标等参数。与天然砂石骨料对比,结果表明煤矸石骨料符合作为混凝土骨料的相关要求。（2）设计了7组不同配合比的煤矸石混凝土,研究不同煤矸石骨料取代率条件下混凝土基本物理力学性能的变化规律。结果表明:随着煤矸石骨料取代率的增加,混凝土单轴抗压强度和弹性模量均呈现出减小的趋势,其对应的峰值应变有所增大。与普通混凝土相比,煤矸石混凝土的单轴抗压强度和弹性模量最大降幅分别达到约80%和89%,其主要原因在于煤矸石骨料较低的自身强度。（3）准备了56个标准立方体试件,研究了7组不同侧向围压条件下煤矸石混凝土在常规三轴压缩和真三轴压缩状态下的主动约束力学响应机制。结果表明:三轴压缩状态下煤矸石混凝土的破坏模态主要表现为柱状破坏（围压3-3MPa）、斜剪破坏（围压3-6MPa、3-9MPa、6-9MPa）和挤压流动破坏（围压6-6MPa、9-9MPa）三种类型;此外,与单一提高中间主压应力相比,同时提高最小和中间主压应力可以更为有效的增加煤矸石混凝土的抗压强度;随着煤矸石骨料取代率的增加,相同侧向围压下煤矸石混凝土的强度提升效率有所增加。（4）基于煤矸石混凝土三轴压缩试验数据,对现有理论模型和破坏准则的适用性进行评估。结果表明:现有模型无法准确预测煤矸石混凝土在常规三轴压下的应力-应变行为。本文在Popvics模型的基础上,通过修正模型的关键参数（包括混凝土弹性模量、约束混凝土峰值应力和峰值应变、单轴抗压强度对应的应变、形状系数）,得到适用于煤矸石混凝土特性的应力-应变模型。在此基础上,引入等效围压概念,成功预测了真三轴压缩状态下煤矸石混凝土的应力-应变关系。验证了过-王破坏准则和Ottosen破坏准则,并得到了真三轴压下不同取代率的煤矸石混凝土的破坏准则参数。（5）测试了21个未约束混凝土和28个PET FRP约束混凝土试件,研究了不同煤矸石骨料取代率和PET FRP约束刚度对被动约束下混凝土力学性能的影响,比较了现有理论模型预测PET FRP约束煤矸石混凝土轴压特性的可靠性。试验表明:经过PET FRP约束的煤矸石混凝土的强度和轴向变形能力均得到显著增加,其破坏模式主要为外部PET FRP达到极限拉伸强度后集中在试件中部的瞬时破坏。现有理论模型（特别是分析模型）对PET FRP约束煤矸石混凝土的极限强度预测较为准确。在极限轴向应变预测方面,分析模型有所高估,设计模型则偏向保守。