文摘
新煤gangue-based地质聚合物制成的混凝土碱性干粉活化剂,煤矸石,粉煤灰是作者提出的。提出了地质聚合物的高温行为与不同的横截面钢筋混凝土梁和钢筋在这里工作了。高温行为由现有的数值模拟进行了验证实验。高温行为调查分析地质聚合物混凝土梁截面尺寸不同。温度分布和变形的梁从室温到相当高的温度进行了研究。等温线轮廓的光束在不同的温度和热应力轮廓的梁在不同时间获得和分析步骤。首先,地质聚合物梁的开裂荷载和极限荷载与不同的混凝土保护层厚度不同的高温条件下进行了分析。发现温度在截面中心线的煤炭gangue-based地质聚合物混凝土梁沿垂直方向逐渐降低。开裂荷载和极限荷载的地质聚合物混凝土梁高温影响混凝土保护层的厚度。随着温度的增加,中跨梁的挠度逐渐增加。 High temperature is a key factor for analysing the behaviors of coal gangue-based geopolymer concrete beams.
1。介绍
地质聚合物是一种新型环境友好材料有许多优点,如高强度、良好的耐蚀性和耐久性,快速硬化、早期强度(1,2]。地质聚合物是一种可以替代水泥的胶结材料,环保原材料准备混凝土。煤矸石是中国最大的固体废物。大多数煤矸石含有粘土矿物,与粘土的化学成分相似,可以作为原料制备地质聚合物和地质聚合物混凝土(3,4]。The authors have used coal gangue as the main raw material to prepare coal gangue-based geopolymer concrete, and its basic mechanical properties were studied [5- - - - - -7]。发现煤gangue-based地质聚合物混凝土具有良好的抗拉和抗弯强度,广泛的工程应用前景。
混凝土梁是结构中的重要组成部分之一,和它的性能直接影响整个结构的性能和安全。结构部件,如混凝土梁往往暴露在高温环境中由于功能需求或紧急情况(如火灾)。由于复杂的地质聚合物混凝土梁的应力状态,其高温性能仍然是一个关键问题进一步研究。正如上面提到的,地质聚合物混凝土作为一种新型环保材料,其高温性能几乎没有研究,尤其是对地质聚合物混凝土结构组成复杂的力和应力状态。众所周知,抗弯强度、抗剪强度、裂缝,地质聚合物混凝土梁的延性等性能将受到影响或改变了在高温下。然而,研究地质聚合物混凝土的高温性能组件非常有限,很难说明高温行为。因此,它具有重要意义研究地质聚合物混凝土的高温性能组件促进环境友好材料的广泛应用在实际工程。
尽管研究地质聚合物混凝土的高温性能组件仍非常有限,研究地质聚合物混凝土组件在室温下已经审查指导热行为研究。崔和公园(8)的微观结构研究fly-ash-based地质聚合物复合材料暴露于高温的表面分形维数分析。发现地质聚合物复合材料的力学和微观结构特性热暴露后改变了。Payakaniti et al。9)抗压强度的变化,研究微结构和磁性高钙粉煤灰地质聚合物受到温度升高。侯赛因et al。10]研究了高温行为和一些机械和微观结构特征的浪费硼添加剂metakaolin-based地质聚合物砂浆复合材料增强四种不同纤维类型。Sumajouw et al。11]研究了全美浮尘地质聚合物混凝土梁的结构属性。弯曲的失败6个钢筋混凝土梁不同强化比率(0.64% - -2.69%)进行了测试。正如预期的那样,受弯承载能力随拉伸配筋率的增加。在澳大利亚规范AS3600 [12),测试预计比率在0.98和1.28之间,其中大部分是保守的。Sumajouw和Rangan13]报道16抗拉强度比率(0.64% - -2.69%)和抗压强度(37 MPa - 76 MPa)的16种钢筋geopolymeric混凝土梁。从抗拉钢筋的影响比受弯承载能力和延性,地质聚合物混凝土梁的性能,包括抗拉钢筋的影响比受弯承载能力和延性,类似传统的水泥基混凝土梁。Lahoti et al。14]研究了碱的影响粉煤灰地质聚合物的阳离子型高温反应朝着结构的应用程序。Zhang et al。15]介绍了地质聚合物混凝土高温剥落测试结果。含水率的影响,混凝土强度、升温速率、温度水平对地质聚合物混凝土的剥落行为进行了研究。Kumaravel和Thirugnanasambandam16)采用ANSYS程序对数值分析预测无钢筋地质聚合物混凝土梁的弯曲性能。Kumaravel et al。17)获得了良好的预测和实验load-rotation之间的比较关系。此外,在研究阮et al。18],虽然预测偏差值给出的有限元模拟的有限元分析软件略有不同,仍有良好的一致性增强地质聚合物混凝土梁的试验和载荷挠度Si相关性能。基于这些研究,表明有限元分析软件和有限元分析软件可能是有用的工具来模拟混凝土结构构件地质聚合物的行为。有些学者评估腐蚀后地质聚合物混凝土梁的弯曲性能。湾仔(19)发现与控制包含传统的水泥基混凝土梁相比,全美浮尘地质聚合物混凝土梁的弯曲能力的退化的加速腐蚀下氯化钠溶液。当Kannapiran et al。20.]沉浸钢筋混凝土梁在硫酸和盐酸和硫酸溶液为180天,的抗弯能力略有下降(小于8%),和简几乎没有变化。
目前,主要的方法来研究钢筋混凝土结构的高温性能测试测量,实际图方法和数值模拟。数值模拟已经成为一种很有前途的方法由于高性能的电脑。此外,由于结构热分析是由非线性抛物型偏微分方程,它是一个有效的方法来解决方程数值。数值模拟为研究钢筋混凝土结构的高温性能可分为有限差分法和有限元法。很容易分裂使用有限元方法与各种形状复杂的结构。在时域,一步一步从初始值和计算时间节省计算时间。因此,有限元法是受欢迎的高温行为分析。
在这里工作,采用有限元数值分析的方法研究煤的高温行为gangue-based地质聚合物混凝土梁。提出了地质聚合物的高温行为与不同的横截面钢筋混凝土梁和钢筋在这里工作了。高温行为由现有的数值模拟进行了验证实验。高温行为调查分析地质聚合物混凝土梁截面尺寸不同。
2。煤炭Gangue-Based制备地质聚合物混凝土
煤炭gangue-based制备地质聚合物具体说明如下。(1)准备所需的煤矸石和粉煤灰:实验的煤矸石自燃煤矸石的高德牌我在阜新市辽宁;其化学成分如表所示1。这个测试使用阜新市电厂一级粉煤灰;化学成分如表所示2。(2)选择标准砂;技术指标如表所示3。(3)商用氢氧化钠和碳酸钙试剂氢氧化钠的纯度是99%。(4)细集料:本地河沙(细度模数为2.4);粗骨料:碎石(清洗和筛选后,颗粒大小是5∼31.5毫米)。
生产地质聚合物混凝土试块的过程如下:(1)首先,氢氧化钠(SH)的解决方案是混合着碳酸钙(CC)粉形成解决方案组成的氢氧化钙(CH)、碳酸钠(SC)和水钙碱(P),在烤箱干8个小时的80°C。(2)然后,粉末被固定的颗粒大小,和粉粒径小于0.03毫米的催化剂粉末。(3)然后,(自发点燃)煤矸石块被大锤,然后反复在破碎机粉碎成小颗粒。粉的粒径筛选0.01毫米和0.09毫米之间。(4)生产过程中测试块,沙子和石子投入搅拌机,搅拌大约140年代。然后,煤矸石粉和粉煤灰涌入搅拌机,搅拌20多岁。最后,干粉添加催化剂粉末和120年代了。
混合后,地质聚合物混凝土是注入模具,摇晃并压实,最后平滑地质聚合物混凝土试块,如图1。对于细节和机械性能,读者可以参考作者的发表论文之前(5,6]。
(一)
(b)
(c)
3所示。有限元分析理论的高温行为
3.1。基本假设
以下假设是研究煤的高温性能gangue-based地质聚合物混凝土梁:(1)梁组件的温度场的决定性因素是热量交换与周围的环境,并与材料的应力和应变。一旦结构混凝土裂缝、热侵入,影响附近的温度分布,沿轴不再是等价的。(2)没有钢筋和混凝土之间滑移。钢筋和混凝土之间的良好的债券是他们共同的基础。混凝土的开裂组件之前,没有相对滑动变形的两个相等。开裂后,裂纹附近的变形的两个是不同的,必须有相对滑动。在室温下,钢筋和混凝土之间的粘结滑移可靠参考或公式,但没有统一的公式在高温或引用在这方面。(3)这里被认为是地质聚合物混凝土的热传导是各向同性,均匀的四面八方。煤炭gangue-based地质聚合物混凝土是一种复合材料。在当地一个小范围内,混凝土的热传导是不同的,但是在一个大区域,热传导是各向同性和均匀。(4)没有热源煤炭gangue-based地质聚合物混凝土梁。上述研究发现,煤的聚合gangue-based地质聚合物混凝土会产生水化热,加热组件之后,各种放热的化学反应发生在其组成材料。本研究忽略了这些热量。(5)边界没有热负荷被视为完全绝热。(6)煤的裂纹深度和广度gangue-based地质聚合物混凝土梁是加热时间成正比。
3.2。热传导方程
煤的温度场分析gangue-based地质聚合物混凝土梁可以被看作是固体的导热问题;即可以建立热传导的微分方程和解决。
瞬态热传导方程的有限元格式写成 在哪里是节点温度数组,是时间的导数数组,比热是矩阵,是热传导矩阵,是温度载荷矩阵。
3.3。初始条件和边界条件
假设整个结构的温度是均匀的,等于环境温度 ,初始条件是写成
边界条件等许多因素相关的环境结构和周围介质的传热条件,通常可以分为四类。(1)温度对结构边界是时间的函数 ,如 (2)热通量 (n是正常的)结构边界是时间的函数 。(3)考虑到温度流体介质的接触结构,流过它的边界可以表示为 在哪里之间的传热系数结构边界和周围的流体介质。它被定义为单位时间、单位温差通过单位面积的热量;单位是 。(4)结构与其他固体材料和接触传热边界条件是已知的。
在这里工作,第三边界条件是在最初的高温。连续高温,第一可以采取边界。
3.4。地质聚合物混凝土的非线性理论
地质聚合物开裂前的地质聚合物混凝土的胶结材料,聚合物泥浆可以视为线弹性各向同性材料。一旦达到有效主应力组合的紧张状态结构裂缝,混凝土梁将显示裂纹垂直于主应力方向,和它的方向是固定的。在这个阶段,每一个同质性的本构关系,取而代之的是正交各向异性本构关系的开始。损伤的演化是通过减少裂缝方向的弹性模量。 在哪里的杨氏模量的地质聚合物混凝土和 是摧毁变量,反映了减少的 。 在哪里单轴拉伸下的应变峰值应力和是一个参数控制指数应变软化曲线的斜率,可以从断裂能量决定的。从一个固定的各向异性viscous-cracking模型用于反映剪切应力的能力发生裂纹,采用剪切保留因子,裂缝压力成反比 ,它是由
自应力、应变大小和方向演化过程的温度场和温度场的变化可能会改变,裂缝闭合引起的刚度恢复也被认为是在分析。
描述断裂破坏过程在本地计算坐标系统,遵循下面的加载方法。 在哪里是一个历史上依赖损伤参数用来记住最高的值,定义为
加载模式在公式(8)取决于Kuhn-Tucker loading-loading条件 在哪里是比例。在整个加载过程中,价值增加单调。
对于非线性力学分析,牛顿迭代法是结合基于最小势能原理有限元方法。为了计算能量存储在激烈的混凝土,二维分析的弹性应变能可以计算如下: 在哪里有效应力,弹性应变,每个元素的表面积,元素的个数。
对于不同的温度,温度Shoukry等人提出的具体的模型是用来计算具体的模型的参数。 在哪里 ,和抗压强度、抗拉强度和混凝土的弹性模量,分别和温度。煤的数据gangue-based地质聚合物是由煤的实验值gangue-based地质聚合物混凝土固化在室温下为28天。
4所示。高温分析煤炭Gangue-Based地质聚合物混凝土梁
4.1。验证
提出的数值方法验证了热混凝土梁的有限元分析[21]。数值模拟在ANSYS上执行;7个测点的位置和所有参数的设置是一致的(21]。有限元模型的网格,每个测点的位置如图2。
温度加载函数写成
温度加载函数拟合实验炉温度曲线。每个测点的温度变化计算与实验比较,如图3。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
从图可以看出3每个测点的温度变化基本上是一致的,从实验中,验证了数值模拟在这里工作。数值结果的原因是不同的从这些实验将采用统一模式的数值模拟,从而导致对称温度梯度曲线。此外,混凝土的细观特征如不均匀性和随机分布的大骨料混凝土统一模型中不考虑,可以反映在实验结果(即。非均匀分布在温度梯度曲线)。因此,为了获得更精确的数值结果,应考虑混凝土细观的特征。
4.2。煤的高温行为Gangue-Based地质聚合物混凝土梁
验证后,非线性有限元分析煤的高温行为gangue-based地质聚合物混凝土简支梁进行,并由ANSYS的APDL。
对普通混凝土梁是很常见的,随着时间的增加和接触区域的组件在高温、组件的温度场分布部分将被改变。因此,为了准确地研究煤的高温行为gangue-based地质聚合物混凝土梁,两种类型的简支不同的地质聚合物混凝土梁截面尺寸选择进行分析。梁的详细数据如表所示4。
这四个不同的横截面梁的特征在室温(20°C), 200°C, 400°C, 600°C, 800°C进行了分析。煤的几何尺寸和钢筋分布gangue-based地质聚合物梁图所示4。
(一)
(b)
4.2.1。准备强化材料的属性
地质聚合物的钢筋混凝土梁在单轴应力状态及其力学模型简化为一个线性理想弹塑性模型。强化和支撑板采用经典的双线性随动强化模型,米塞斯屈服准则,和随动强化标准,材料的应力-应变关系是由两条直线描述。钢筋的材料参数在不同的温度下(22)如表所示5。
4.2.2。煤的性质Gangue-Based地质聚合物混凝土材料
混凝土是一种弹塑性材料,因此有必要考虑其非线性和定义具体的失效准则的定义。假定混凝土的拉伸和压缩失败两种主要失效机制;像其他本构模型的基本元素是屈服准则,流量和硬化规则考虑张力和压缩条件下强度的变化。
本文两阶段模式23音乐会]采用地质聚合物的应力-应变曲线, 在哪里 峰值应变,峰值应力,一个和b分别使用寿命的功能。
4.2.3。煤的高温行为Gangue-Based地质聚合物混凝土梁
有限元模型在ANSYS建立了两个不同的截面。混凝土和钢筋不同截面的网格数据所示5和6,分别。数据7和8显示等温线轮廓的梁在不同的温度下(600°C和800°C)。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
可以看到它的轮廓,横向层地质聚合物混凝土简支梁的经验由于高温热膨胀。如果宏观现象是拉伸扩张,各层会有不同程度的延长由于温度梯度的存在。低端的扩张是最大的,上端是最小的。因此,可以推断,两端简支梁的弯曲向上,在一定的温度下达到最大,伴随着物理和力学性能的变化。同时,它是发现,在底部的三张拉钢筋,张拉钢筋的温度附近的两面混凝土增加更快,和middle-tensioned钢筋慢。底部保护层的厚度和消退的混凝土梁高温影响内部钢筋的温度上升,因此它具有重要意义来选择合理的混凝土保护层厚度。图9显示了温度分布在两束的横截面中心线。
(一)
(b)
从图可以看出9在横截面中心线温度逐渐下降沿y方向,有一个关键截面中心线位置。曲线的斜率下面这个位置略有变化,和上面的曲线的斜率这个位置变化很大。以200毫米×400毫米截面梁为例,的位置点是0.28米,0.24米,0.2米,0.18米,分别,所以可以看出关键位置向下移动的增加三面温度。
(一)
(b)
从数据可以看出10和11随着时间的增加,煤的温度gangue-based地质聚合物混凝土梁从外到内逐渐增加,梁和底部温度上升最快,和梁的两侧温度上升缓慢。在底部的三个压力钢,附近的温度应力钢混凝土的两面相对较高。推断,合理的混凝土保护层厚度具有重要意义的高温性能地质聚合物混凝土梁。
(一)
(b)
图12显示了中跨维度在不同高温偏转不同的部分。
(一)
(b)
下面的结论可以从图的分析12,(1)煤炭的变化规律gangue-based地质聚合物混凝土梁不同截面的大小与温度变化基本上是相同的。随着温度的增加,中跨梁的挠度逐渐增加。在室温下的中跨梁的挠度是最小的,和中跨梁的偏转800°C是最大的,表明高温有负面影响地质聚合物混凝土梁的变形。(2)中跨的不同横截面的梁的挠度是不同的高温。它可以发现横截面越大,越小中跨偏转。高温时的变形梁可以有效地减少截面尺寸的增加。
梁的开裂荷载和极限荷载与不同的截面大小不同的混凝土保护层厚度如表所示6和7,分别。
以下从表可以得出的结论6和7。(1)开裂荷载和极限荷载是影响混凝土保护层的厚度。(2)高温,截面尺寸的增加,开裂荷载和极限荷载增加,表明可以提高梁的承载能力增加横截面尺寸。(3)地质聚合物混凝土的开裂荷载和极限荷载梁受到温度的影响。随着温度的增加,梁的开裂荷载减小,表明由于高温承载力降低。在室温下,混凝土保护层厚度的增加,梁的开裂荷载与不同的截面大小略有增加。然而,随着温度的增加(> 200°C), 35毫米保护层的开裂载荷大于25毫米的梁和40 mm口径的保护层,表明35毫米是防护层的最佳厚度。增加的部分维度,开裂荷载的增加而增加保护层厚度。因此,梁截面尺寸的增加,梁的承载力在高温下可以提高通过增加保护层厚度。(4)在室温下,混凝土保护层厚度的增加,梁的极限荷载和不同截面尺寸略有增加。然而,当温度高于200°C, 35毫米保护层的极限载荷150毫米×200毫米截面梁高于25毫米和40毫米保护层,表明35毫米是本节的最佳保护层厚度的大小。
5。结论
煤的高温行为gangue-based地质聚合物混凝土梁已经进行了研究。主要结论如下:(1)随着温度的增加,梁的开裂荷载减小,表明由于高温承载力降低。截面尺寸的增加,开裂荷载和极限荷载的增加。梁的承载力在高温下可以提高通过增加保护层厚度和截面尺寸。(2)随着温度的增加,中跨梁的挠度逐渐增加。在800°C的中跨梁的挠度是最大的。横截面越大,越小中跨偏转。高温时的变形梁可以有效地减少截面尺寸的增加。(3)在未来的工作中,混凝土的细观的特点将会考虑建立一个非均匀模型获得更准确的结果对高温性能的煤炭gangue-based地质聚合物混凝土。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(没有。52178468),广西重点实验室基金嵌入式技术和智能系统,广西重点实验室的地质力学和岩土工程(GUIKENENG19-Y-21-2),广西重点实验室新能源和建筑节能的基础(Gui Keneng 19-J-21-14),国家自然科学基金会的联合培养项目广西(2019 gxnsfaa245037),广西青年创新人才的研究项目(Guike AD19245012),和科学和技术创业基金会的桂林理工大学(GUTQGJJ2019041和GUTQDJJ2019042)。