第1章 绪论
1.1 研究的背景及意义
混凝土对建筑行业起着至关重要的作用，而且它也被认为是未来绝对必要的主要建筑材料，由于其相对较高的耐久性和经济可行性，混凝土类材料（如砂浆、混凝土和土工材料）已经广泛应用于土木和军事工程结构中[1]。随着我国城市化进程的快速发展，建筑业对混凝土材料需求在逐年增加[2]，作为混凝土主要成分的水泥在其生产过程中释放出大量使全球变暖得温室气体。据统计，我国生产水泥能产生工业颗粒占全国排放量的15%~20%[3]。使用水泥是提高工程结构承载力，控制有问题土壤的沉降和改善地震作用下结构安全的常用方法之一。但是生产水泥的过程涉及燃料消耗，煅烧，电力等各个步骤，该行业被认为是高二氧化碳排放行业，生产水泥导致大量土地资源浪费[4]，水泥行业的能源消耗及其成本非常显著。此外，该行业高温排放的温室气体已造成严重的环境污染和其他后果[5]。为缓解这种问题，目前迫切需要找到一种替代胶结材料来减少建筑行业的水泥用量[6]。
事实证明对水泥替代材料进行积极的研究迫在眉睫。作为工业副产品的废玻璃，2017年我国城市产生的废弃玻璃物大约 2025.5 万吨[7]。但在我们生活中，只有少量废玻璃瓶可以回收，其他废弃玻璃残渣基本不会被回收。此外，玻璃生产企业每年生产约 30 万吨废玻璃污泥，这是制造平板玻璃的副产品，目前这一部分被倾倒在垃圾填埋场或被丢弃[8]，可以预见将废玻璃以各种方式应用于混凝土中会对社会方面作出重大贡献[9]。目前有很多学者研究了废玻璃作为混凝土中天然骨料的部分替代物[10-13]，因此有规模地将废玻璃用作混凝土骨料或磨成粉用作混凝土掺合料方面，可大大减少城市固体垃圾的总量，具有巨大的经济效益和社会效益，对可持续发展理念起到极其重要的促进作用[14]。
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1.2 国内外主要研究现状
1.2.1 废玻璃研究现状
废玻璃作为在混凝土中使用的丰富工业副产品。早在 1994 年，统计数据表明在美国 就处理了 920 万吨消费者玻璃[20]。在香港，每天处理 300 吨废玻璃[21]。虽然这种玻璃的一部分很容易在玻璃制造业中回收，但由于杂质，成本或混合颜色，并非所有用过的废玻璃都可以再循环到新玻璃生产中。因此，上世纪六十年代开始，土木工程学界开始研究在混凝土生产中使用废玻璃的可能性。由于废玻璃易于加工成不同粒径大小，因此废玻璃可用作混凝土骨料，也可将废玻璃研磨成粉末用作水泥替代品。
把废玻璃用作粗骨料替代品，与天然骨料混凝土相比，废玻璃几何形状对混凝土可加工性有比较大的影响。Chen[22]研究表明与混凝土中使用的废玻璃的百分比成比例地降低了可加工性（坍落度）。这归因于废玻璃的几何形状，更锐利的边缘，更有棱角的形状和更高的玻璃颗粒纵横比通过阻碍水泥浆和颗粒的移动而降低了砂浆的流动性[23]。De Castro 和De Brito [24]试验数据分析得废玻璃用作骨料而导致的抗压强度降低，研究了坍落度和废玻璃添加之间的关系是复杂的，并且行为高度依赖于被替换的聚集体的大小。而对于粗骨料，坍落度略有增加，因为替换比率在恒定的废玻璃粉/水泥比下增加，而细骨料则相反。
废玻璃的火山灰性质引起了废玻璃作为胶凝材料在混凝土生产中部分替代水泥的想法[25]。已有研究者使用废玻璃粉替代水泥[26-27]，研究废玻璃粉对混凝土力学强度性能的影响。国外研究者[28-29]研究了在混凝土中加入废玻璃粉对其抗压强度的影响。Alomayri[30]研究发现废玻璃的添加对混凝土抗压强度的影响是复杂的。一方面，废玻璃粉是一种骨料，它的强度与水泥基体的粘合会影响强度；另一方面，废玻璃粉具是火山灰性质。这两种（相反的）影响之间的相互作用将决定对废玻璃粉混凝土强度的最终影响。同时，一些研究报告指出掺合废玻璃的混凝土早期强度低于参考值，但后来随着龄期增加而废玻璃粉混凝土强度增加[31-33]。Vaitkevi?ius 等[34]发现废玻璃粉末比火山灰质材料更像催化剂，早期阶段废玻璃粉混凝土具有较慢的强度发展。Nassar 和 Soroushian[35]指出废玻璃粉形成更致密且渗透性更小的微观结构，可以实现后期强度的显着增加，这是亚微米尺寸玻璃颗粒填充效应的结果。
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第2章 废玻璃粉混凝土单轴拉伸试验条件与方法
2.1 试验原材料
（1）水泥
本试验采用强度等级为 P.C 32.5 的湖南省惠乐建材有限公司制作的复合硅酸盐水泥，实测其样品水泥得到化学组成如表 2.1。
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2.2 试件制作
2.2.1 废玻璃粉混凝土配合比 废玻璃粉混凝土配合比设计首要任务是：
（1）废玻璃粉混凝土配合比设计要求达到一定的强度，尤其建筑结构部位构造复杂、配筋密集、施工方法独特等，结构部位不仅受到施工荷载，同时该结构部位还会受到复杂应用环境下得荷载。
（2）废玻璃粉混凝土配合比不仅仅是满足于强度的要求，同时还要满足施工和易性的要求，要确保废玻璃粉混凝土具有良好的和易性，不发生离析和泌水，易于浇筑，提升废玻璃粉混凝土浇筑的质量。
（3）若在建筑结构中使用废玻璃粉混凝土，耐久性是其重要指标，为满足建筑结构抗渗、耐冻等耐久性能，在经济合理的情况下，优化配合比，保证废玻璃粉混凝土耐久性能达到要求，从而使废玻璃粉混凝土广泛应用于工程中。
本试验的配合比设计方法[61-62]和步骤：1.计算初步配合比，根据配制强度计算 1m3废玻璃粉混凝土中废玻璃粉、水泥、细集料、粗集料和水的用量；2.对初步配合比进行试配调整，包括确定混凝土的基准配合比和混凝土的实验室配合比。3.计算废玻璃混凝土施工配合比。最终确定了废玻璃粉掺量 0%，10%，20%的废玻璃粉混凝土配合比，水灰比 0.46，废玻璃粉混凝土设计配合比如表 2.3 所示。
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3.1 标准抗压强度试验 ......................................... 21
3.1.1 试验方法 ................................... 21
3.1.2 试验数据整理与分析 ................................... 21
第 4 章 废玻璃粉混凝土受拉破坏与统计损伤本构关系 ............................ 31
4.1 废玻璃混凝土受拉破坏形态及机理 .................................. 31
4.1.1 试件的破坏形态 .............................. 31
4.1.2 试件的破坏机理 ................................ 32
第 5 章 结论与展望 ............................. 43
5.1 主要结论 ............................... 43
5.2 展望 ............................... 43
第4章 废玻璃粉混凝土受拉破坏与统计损伤本构关系
4.1 废玻璃混凝土受拉破坏形态及机理
4.1.1 试件的破坏形态
试验表明，在单轴受拉应力下，废玻璃粉混凝土受拉破坏裂缝基本特征是横向拉断。随着加载速率的增加，混凝土的断面的形态也发生改变。在加载速率较低时，试件的断截面上比较粗糙（见图 4.1 和图 4.2），断截面不平整，有一定角度走势，说明裂缝扩展曲折绕行。当加载速率增加时，试件断截面比较平整，且断截面上粗集料多被拉断，破坏的瞬间可以听到清脆“砰”的响声，表现为脆性破坏。从宏观层面上当应变率高于过渡应变率时，破坏的形态对应变率的依赖性很强。
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第5章 结论与展望
5.1 主要结论
本试验采用两端预埋钢筋直接拉伸的试验，得到废玻璃粉混凝土轴心抗拉应力—应变上升段曲线。通过对废玻璃粉混凝土轴心抗拉试验研究，得到了废玻璃粉混凝土抗拉相关的力学性能，得到了以下主要结论：
（1）试验表明，随着加载速率的提高，废玻璃粉混凝土劈裂抗拉强度换算为轴心抗拉强度的系数逐渐增加；随着废玻璃粉掺量的增加，废玻璃粉混凝土轴心抗拉极限强度和劈裂抗拉极限强度与标准立方体抗压强度比值呈现增大趋势。
（2）由实验数据得出废玻璃粉的轴心抗拉强度与立方体抗压强度比值关系式、劈裂抗拉强度与立方体强度比值关系式以及轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度相互换算关系式。在相同掺量下，废玻璃粉混凝土的弹性模量不随加载速率的增加而改变。不同加载速率的大小对同一废玻璃粉掺量下的应力应变曲线的弹性阶段影响较小，但随着加载速率的增大相同掺量下的应力应变曲线的割线斜率越来越小。
（3）废玻璃粉混凝土的破坏过程是裂缝的产生、扩展和失稳的过程。随着加载速率的增大，混凝土的断面破坏形态发生了变化。加载速率较低时，试件断裂面较粗糙，加载速率较高时，试件断截面较平整且断面上碎石较多。
（4）建立废玻璃粉混凝土单轴拉伸细观统计损伤模型，从试验结果与损伤本构关系对比图可知，损伤本构关系和试验中的应力应变曲线非常相似，说明混凝土单轴拉伸细观损伤模型是可以用于废玻璃粉混凝土中的。
参考文献（略）