关键词： 再生混凝土   冻融损伤   力学性能  

摘要： 为研究冻融损伤后再生混凝土的基本力学性能退化机理,通过对54块混凝土试件进行物理、力学试验,分析再生混凝土试件的破坏形态和基本力学性能在经历不同冻融次数后的变化情况.结果表明:冻融循环后再生混凝土的质量损失率和超声波速损失率均高于普通混凝土,抗压强度、劈裂抗拉强度显著下降.

关键词： 风沙冲蚀   橡胶砂浆   水泥砂浆   田口方法   冻融循环  

摘要： 内蒙古中西部地区的巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、库不齐沙漠等是我国沙尘暴的主要来源,该地区还分布着大量多种类型的盐渍土,寒暑变化剧烈,对该地区混凝土构筑物及路面的使用寿命和服役期质量具有显著影响。由于混凝土构筑物及路面在施工时的振捣作用会造成其表面材料以砂浆为主,因此,本文采用橡胶砂浆代替橡胶混凝土来研究其在盐渍环境、冻融交替和风沙环境三种因素作用下的损伤情况。根据所采盐渍土的分析结果配制了复合盐溶液,对橡胶砂浆进行了复合盐冻融循环腐蚀试验;利用模拟风沙环境侵蚀实验系统对橡胶砂浆和冻融后的橡胶砂浆进行了风沙冲蚀试验,分析了在不同冲蚀力学参数下的损伤规律以及不同冻融循环次数下的质量损失规律;运用田口方法分析了各冲蚀影响因素作用程度的大小;通过场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测了试件受损表面的形貌,运用X射线衍射仪分析冻融后表面化学成分的变化,从微观角度探究其破坏机理。研究结果对提高混凝土构筑物及路面在盐渍区的抗冻性能以及抗风沙冲蚀性能具有显著意义。本课题受国家自然科学基金项目《风沙环境下钢结构涂层侵蚀力学行为及损伤评价研究》(批准号:11162011)和《严寒环境下西部盐渍区道面混凝土受风沙侵蚀损伤机理研究》(批准号:51468049)资助,具体研究内容如下:1.分析了内蒙古地区种类多、面积大的盐渍土分布特征,四季分明、寒暑变化剧烈的气温特征,丰富的沙尘源、强风及热力条件导致的风沙环境特征。2.根据内蒙古地区的沙尘天气特征,对10目、40目、80目橡胶砂浆和水泥砂浆进行风沙冲蚀试验,以风力(风速)等级对照表为依照,选取7级到11级风级中的五个风速为冲蚀速度,依次选取15°到90°中的六个值为冲蚀角度,利用量纲齐次原则,得出室外沙尘浓度与试验下沙量之间的转化关系,考虑试验设备水平和短期加速试验效果后选取15g/min到55g/min五组下沙量。3.利用模拟风沙环境侵蚀实验系统对水泥砂浆和橡胶砂浆进行冲蚀试验,分别就冲蚀速度、冲蚀角度、下沙量三个因素展开研究,同时运用场发射扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测冲蚀后形貌,结果表明:试件的冲蚀率均随冲蚀速度的增大而增大,随冲蚀角度的增大而增大,随下沙量的增大先降低后增大,在45g/min时冲蚀率最低;对比橡胶砂浆和水泥砂浆在相同冲蚀条件下的试验结果,得到其冲蚀率大小依次为:10目橡胶砂浆<水泥砂浆<80目橡胶砂浆<40目橡胶砂浆;通过微观形貌分析,得出10目的橡胶颗粒与水泥浆体的结合比较紧密,对风沙粒子的撞击有很强的吸收作用,40目的橡胶颗粒在沙粒的冲击作用下则容易脱落。4.为了得出各影响因素对橡胶砂浆所造成冲蚀损伤程度的大小,采用田口方法进行试验设计,结果表明:在冲蚀速度为17m/s,橡胶目数为10目,橡胶掺量为5%,冲蚀角度为45°和下沙量为45g/min的组合下,橡胶砂浆的冲蚀率最小;各因素对橡胶砂浆冲蚀率的影响程度为:下沙量>冲蚀速度>橡胶目数>冲蚀角度>橡胶掺量。5.根据盐渍土采集结果,配制浓度为3.6%的复合盐溶液对水泥砂浆和橡胶砂浆进行冻融循环试验,并采用场发射扫描电子显微镜和X射线衍射仪观测冻融后表面,结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件的质量损失率先降低后增大,在冻融循环10次时质量损失率最小;冻融15次之前水泥砂浆的质量损失率较小,冻融15次后橡胶砂浆的质量损失率较小,相比10目和80目橡胶砂浆,40目橡胶砂浆的质量损失率更小。6.对复合盐冻融循环后的橡胶砂浆和水泥砂浆进行风沙冲蚀试验,结果表明:相同冻融循环次数后,材料的抗风沙冲蚀性能为:80目橡胶砂浆<40目橡胶砂浆<水泥砂浆<10目橡胶砂浆;盐冻后橡胶砂浆表面产生的柱状石膏与钙矾石晶体在风沙的冲蚀下剥离基体,使得表面变平整光滑,露出橡胶颗粒。

关键词： 纳米混凝土   冻融循环作用   冻融损伤模型   冻融损伤  

摘要： 冻融破坏是严寒地区混凝土结构的主要破坏形式之一,几乎所有处于严寒地区的混凝土结构均遭受了不同程度的冻融损伤。对于普通水泥混凝土,由于在冻融循环作用下其抗冻性能相对较差,导致混凝土的使用寿命显著降低,很难满足严寒地区混凝土的耐久性要求。纳米材料作为21世纪的一种新型材料,具备微集料填充效应、晶核效应、表面效应和界面效应等传统材料所不具有的优异特性。在混凝土中掺入适量纳米材料,配置高性能高强度的纳米混凝土,这将显著改善混凝土的抗冻性能。因此,基于损伤理论和试验研究纳米混凝土的冻融损伤,建立冻融损伤模型以定量分析实际冻融损伤显得十分重要。首先,本文基于疲劳累积损伤理论,采用可测度的宏观变量,即采用相对动弹性模量作为损伤变量来描述混凝土材料在冻融作用下其内部结构的损伤状态及该损伤状态对混凝土材料力学性能、耐久性能以及外观等的影响,将材料在微观上的缺陷体现于宏观性能上,从而定量地评价混凝土结构的冻融损伤劣化程度;其次,在已有混凝土疲劳损伤累积模型的基础上,试图建立纳米混凝土冻融损伤模型以量化实际冻融损伤,结合试验数据,采用数据处理软件进行回归分析,确定冻融损伤模型参数,进而建立不同纳米材料在不同纳米掺量下的纳米混凝土冻融损伤模型,以此揭示冻融循环作用下纳米混凝土材料内部冻融损伤的劣化规律,并对其冻融损伤进行定量分析;最后,通过试验数据及理论验证对所建的冻融损伤模型进行可靠性验证,以验证所建纳米混凝土冻融损伤模型的正确性和合理性,并基于冻融损伤模型建立了预测纳米混凝土实际安全服役寿命的一种方法。研究表明:本文所建立的纳米混凝土冻融损伤理论模型所反映的实际冻融损伤特征与实际冻融情况较为吻合,拟合精度较高,且冻融损伤理论值与试验值较为接近。因此,本文所建的冻融损伤模型能较好地表征冻融循环作用下纳米混凝土材料的冻融损伤劣化规律,能有效地定量分析和准确地预测纳米混凝土的冻融损伤,且能确定纳米混凝土的冻融疲劳寿命。

关键词： 冻融循环   铝合金管混凝土   轴压试验   有限元分析  

摘要： 铝合金管混凝土具有自重轻、抗腐蚀性强、低温性能好以及外观优美等特点,因此铝合金管混凝土结构具有很高的研究价值。到目前为止,已有学者对铝合金管混凝土构件进行研究,但大多体现在构件常温下轴心受压承载力、压弯稳定性以及抗疲劳等方面。然而,与常用金属管混凝土(钢管混凝土、不锈钢管混凝土)构件相比,铝合金管材料的热膨胀系数约为混凝土材料热膨胀系数两倍,本文以此为研究背景,通过试验研究了冻融循环过程对铝合金管混凝土柱界面粘结强度影响情况和不同冻融循环次数对不同长径比的铝合金管混凝土柱轴心受压力学性能影响情况。验证了常用金属管混凝土承载力计算公式对铝合金管混凝土构件的适用性,在此基础上建议了冻融循环折减系数?对铝合金管混凝土承载力公式进行修正,并用试验结果与修正后的承载力计算结果进行对比,吻合较好。本文主要工作内容如下:(1)收集资料熟悉两种材料抗冻性能,翻阅相关设计规范设计试件尺寸,按照冻融循环规范要求设计温度曲线,根据研究内容设计试验方案。(2)浇筑完成了9根铝合金管混凝土长柱、9根铝合金管混凝土短柱、9根铝合金管混凝土短柱推离试件以及部分辅助试件,所有试件均分为三组,取其中两组进行冻融循环试验,采集试验过程中不同试件测点应变片读数,通过试验数据分析冻融循环作用对铝合金管混凝土界面粘结性能的影响。(3)对三组经过不同冻融循环周期处理后的铝合金管混凝土柱分别进行轴压试验,研究其冻融循环作用后轴压力学性能变化情况和破坏形态。并对铝合金管混凝土短柱推离试件进行推离试验,研究冻融循环作用对铝合金管混凝土界面粘结强度和界面剪应力临界值影响情况。(4)使用有限元软件对铝合金管混凝土柱轴压试验过程、破坏现象以及极限承载力进行模拟,验证有限元软件计算的正确性和可行性。(5)通过对试验数据进行分析,建议了冻融循环折减系数?并对铝合金管混凝土承载力公式进行修正,通过试验数据验证修正后铝合金管混凝土柱承载力公式的正确性。(6)根据有限元计算结果建议了铝合金管混凝土长柱稳定性折减系数系数,得到经过冻融循环作用后的铝合金管混凝土长柱极限承载力计算公式,并通过试验结果验证公式正确性。

关键词： 冻融循环   氯盐腐蚀   滑移   粘结强度  

摘要： 混凝土结构耐久性问题是一个十分重要也是迫切需要解决的问题。在我国北部严寒地区,特别是海洋及近海地区的钢筋混凝土结构,由于混凝土发生冻融破坏以及海洋环境对混凝土结构的腐蚀,这已成为实际工程失效的重要问题。冻融和氯离子侵蚀均会破坏钢筋与混凝土之间的粘结性能,而粘结作用是钢筋与混凝土能够共同工作的基础,因此,研究在氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下钢筋与混凝土之间的粘结锚固性能显得尤为重要。在实际工程中,大多数混凝土结构的失效是各种因素共同作用的结果。因此,本文通过中心拉拔试验方法,探讨钢筋混凝土试件在经过冻融循环和氯盐腐蚀耦合作用后的强度和粘结锚固性能。本次试验设置了三种不同冻融次数(15次、25次、50次)和三种不同浓度(3.5%、7%、10%)氯盐溶液进行正交试验,进行下列问题的研究:(1)对冻融循环作用下和冻融腐蚀耦合作用下混凝土试件的粘结强度和粘结滑移进行试验研究(2)分析冻融循环和氯盐腐蚀对混凝土试件粘结性能的影响(3)对光圆钢筋拉拔试验进行数值模拟,并与试验结果进行比较。研究结果表明,随着冻融循环次数的增加,混凝土试件的粘结强度呈明显的下降趋势;氯盐对粘结性能的影响与冻融循环次数和腐蚀程度有关。

关键词： 冻融循环作用   型钢混凝土结构   粘结滑移   粘结应力   力学性能  

摘要： 型钢混凝土结构因其优点众多，在我国得到广泛使用，在此结构中，型钢与混凝土的粘结作用是其工作的基础。在我国三北地区及冬季大部分地区的型钢混凝土结构常年遭受冻融破坏。而已有研究表明，冻融循环作用后钢筋混凝土结构的粘结性能受到明显影响，而型钢混凝土结构的粘结性能与其相似，因此研究冻融循环作用后型钢混凝土的粘结滑移性能具有具有较大的工程实践价值。　　论文设计了34个试件（包括23个冻融作用后试件），通过轴心推出试验和理论分析相结合的方式，研究了冻融循环次数、型钢锚固长度和配箍率对型钢混凝土试件粘结滑移性能的影响规律，分析了冻融循环后型钢混凝土试件的荷载-滑移曲线、粘结-滑移曲线的特点，探讨了冻融循环后型钢混凝土的粘结滑移本构模型，拟合了考虑冻融循环作用次数、型钢锚固长度和配箍率等因素的相关计算公式，为完善型钢混凝土的粘结滑移理论提供了大量的试验数据。

关键词： 疲劳荷载   冻融循环   疲劳-冻融多次交互   疲劳加载均值   试验周期   损伤变量  

摘要： 混凝土大坝、桥梁,路面以及我国北方地区的建筑物在服役期间都要承受荷载及冻融循环等损伤因素的共同作用,因此现阶段开展对混凝土在疲劳荷载和冻融循环多次交互作用下损伤性能的研究已成为了一项必要工作。本研究课题将对共计82个试件分别进行单一疲劳、单一冻融以及两种疲劳加载值下的疲劳-冻融一次交互和多次交互的损伤试验,试验研究了疲劳和冻融分别在单因素作用及交互作用下混凝土的损伤特性,分析了疲劳加载值对多次交互下混凝土性能的影响,并通过引入叠加效应变量K值以及从微观角度说明疲劳荷载和冻融循环两种损伤因素之间的相互关系。主要工作如下:（1）分别研究了疲劳荷载和冻融循环在单因素作用下混凝土的损伤特性。分析了不同疲劳次数以及疲劳加载值对混凝土相对动弹性模量、抗压强度、峰值应变和应力-应变曲线的影响。结果表明,试件的相对动弹性模量下降速率先快后慢,抗压强度先增加后降低,峰值应变和损伤变量则先降低后增加;同一疲劳荷载次数下,加载均值0.2fc与0.3fc对试件的损伤性能影响并无明显分别。同时也分析了不同冻融次数对混凝土质量、相对动弹性模量,强度及变形性能的影响,研究表明,随着冻融循环次数的增加,试件的质量呈现先上升后下降的变化趋势,相对动弹性模量则持续递减,抗压强度的降低速率、峰值应变及损伤变量的增加速率在50次冻融后均明显加快。（2）对混凝土在疲劳-冻融多次交互作用下的损伤性能展开了研究。将疲劳-冻融多次交互与一次交互以及单因素冻融作用下试件的损伤性能进行对照,并分析了疲劳加载值对多次交互下试件损伤性能的影响。研究结果表明,随着试验周期的增加,多次交互下试件的质量呈现先升高再降低的变化趋势,相对动弹性模量、抗压强度持续降低,峰值应变增加;与单因素冻融循环以及疲劳-冻融一次交互的试件相比,多次交互对混凝土力学性能的影响较显著,试件的质量、相对动弹性模量、峰值应力及峰值应变随试验周期的增加变化速率较快,并且经历的试验周期次数越多,其试验曲线变化幅度越大;疲劳加载值的增加在一定程度上加快了多次交互下试件的损伤,但促进作用并不明显。（3）探讨了疲劳荷载和冻融循环两种损伤因素的交互作用对混凝土性能的影响,通过引入叠加效应变量K值,分析单因素与双因素作用下损伤变量的相互关系。得出,在任何试验周期下,疲劳荷载和冻融循环多次交互均为正效应,所引起的损伤变量均大于单因素作用的叠加值;疲劳荷载值的增加对损伤变量的增长只有微小的促进作用,影响作用并不明显。对比了疲劳和冻融在不同损伤条件下的微观形貌,从微观角度揭示了多次交互作用下试件的力学性能劣化特征。

关键词： 温拌胶粉改性沥青混合料   冻融循环   高温流变性能   低温流变性能  

摘要： 随着全球自然环境问题的突出,人们逐渐的意识到环境保护的重要性,经济与自然环境的可持续发展是全球高度关注的问题。胶粉改性沥青混合料的出现为废旧轮胎的处理提供了良好的解决方法,但是由于胶粉沥青粘度较大,需要较高的拌和、压实温度,因此施工过程中将产生大量的有害气体,对环境造成了二次污染,同时较高的施工温度也会消耗大量的能源。温拌技术的出现有效的解决了上述问题,因此近几年温拌技术在全世界得到了高度的重视和飞速的发展。在我国内蒙古中西部地区,由于冬季持续时间较长,冰雪不易消融,给路面的使用性能造成了极大的影响,所以经常会通过铺洒除冰盐的方式进行融雪,而沥青路面则是处于冻融循环的不断交替状态,同时除冰盐溶液也会对路面产生侵蚀作用,这对沥青路面的长期使用性能提出了严峻考验。同时该地区夏季路面最高温度可以达到60℃以上,在此温度下沥青路面极易发生车辙破坏,对道路的行车舒适性及行车安全有着非常严重的影响,同时相比于低温开裂,高温车辙对路面的危害更为严重,因此在考虑内蒙古中西部地区的沥青路面使用性能时要注意以下两点:○1保证沥青混合料要具有较好的高温抗车辙性能,同时要兼顾沥青混合料的低温抗开裂能力;○2保证沥青混合料的有着较好的抗冻融及盐侵蚀能力。鉴于此,本文主要通过三轴重复蠕变实验、小梁弯曲实验、弯曲蠕变实验对冻融循环及盐侵作用下温拌胶粉改性沥青混合料的高低温性能进行研究。首先通过马歇尔设计法对胶粉改性沥青混合料的配合比进行了设计,最终确定最佳沥青用量为5.45%,温拌胶粉改性沥青混合料的拌和、压实温度分别是160℃、145℃。其次,对冻融循环作用下温拌胶粉改性沥青混合料高低温性能影响因素进行了分析,选取了4种沥青混合料分别为温拌混合目胶粉改性沥青(WJH)、混合目胶粉改性沥青(JH)、温拌60目胶粉改性沥青(WJ60)、60目胶粉改性沥青(J60)混合料,4种冻融循环次数,4种除冰盐浓度。研究表明:对高低温性能影响因素大小排序均为:沥青混合料类型>冻融循环次数>除冰盐浓度。同时WJH混合料的高温性能较好,低温性能与WJ60混合料相差不大。最后,根据内蒙古中西部地区的环境特点,考虑到高温车辙破坏现象较为频繁,同时对路面的危害较大,故选取高温性能较好、低温性能与WJ60混合料相差不大的WJH混合料进行进一步分析,通过对WJH、JH混合料的高低温性能实验数据对比分析,结果表明SDYK型表面活性剂的加入较为明显的改善了胶粉改性沥青混合料的高低温性能。随着冻融循环次数的增加WJH、JH混合料的高低温性能均逐渐降低,除冰盐加速了冻融循环对沥青混合料的破坏作用,且8%除冰盐浓度影响最大。SDYK温拌剂的加入减缓了盐冻循环对沥青混合料的破坏。但通过高低温性能实验发现,除冰盐对冻融循环下WJH混合料的破坏作用略大于JH混合料,但整体性能上WJH混合料依然要优于JH混合料。

关键词： 膨胀土   流变试验   冻融循环   西原模型   扰动状态概念  

摘要： 东北地区为典型的高寒深季节冻土区,强烈的冻融循环效应严重影响各类土工构筑物长期的安全及工作性能。而在季冻区的工程实践中发现,广泛分布于温湿气候区域的膨胀土也在季冻区发育,长期冻融循环作用成为诱发滑坡的重要因素,因此针对冻融循环下膨胀土长期性能研究是当前改进寒区土工工程长期安全性的重要前提。本文依托寒区高速铁路工程,在总结国内外土体流变研究的基础上,以宾西膨胀土与另外两种膨胀土作为研究对象,先后进行了三种膨胀土的基本物理指标试验以及冻融循环作用下无荷载膨胀率试验,常规及冻融循环条件下的三轴蠕变试验与应力松弛试验。研究过程中对宾西膨胀土进行了不同含水量、不同围压/竖向压力、及冻融循环次数下的三轴蠕变试验与直剪应力松弛试验,并与试验手段相同的佳木斯膨胀土与延吉膨胀土的实验结果进行了对比;根据试验数据建立了基于扰动状态概念考虑冻融循环影响的改进西原模型,并进行参数拟合,证明该模型可表现出冻融循环对膨胀土长期性能的影响。总结起来,本文的研究内容及成果如下:首先,试验获得了膨胀土的基本物理力学参数,包括矿物成分、膨胀矿物含量、颗粒级配、界限含水量、自由膨胀率及无荷载膨胀率等。其中,无荷载膨胀率试验研究了宾西、佳木斯及延吉膨胀土在不同含水量、干密度、及冻融次数下的变化规律。其次,通过非冻结与考虑冻融循环作用的膨胀土蠕变与应力松弛试验,探究了宾西膨胀土在不同含水量、围压或竖向压力、冻融循环次数下的蠕变与应力松弛变化规律,并与佳木斯与延吉膨胀土的流变特性进行比较。另外,流变试验结果表明含水量的增加会对膨胀土长期性能产生明显影响,围压及竖向压力则会抑制膨胀土的流变特性,冻融循环对膨胀土的长期性能具有明显的不利影响。最后,建立了基于扰动状态概念考虑冻融循环效应的改进西原模型。其中,以扰动函数D考虑膨胀土流变性能随冻融循环次数变化的特性。在西原模型的基础上,通过扰动函数反映冻融循环作用对膨胀土长期性能的影响,该模型可有效考虑膨胀土在不同冻融循环次数下的蠕变与应力松弛特性。