关键词： 混凝土微裂缝   试验方法   冻融循环   吸含水率  

摘要： 混凝土材料因其强度高、取材容易等特点,已成为全世界使用最为广泛的建筑材料。在季冻地区受冻融循环的影响,混凝土结构内部会出现微裂缝,造成混凝土的开裂,大大降低混凝土结构的耐久性,导致结构失去使用功能。现今评测冻融循环造成的混凝土内部破坏的情况的试验方法主要有:动弹性模量法、电通量法和电阻率法。这些方法存在操作复杂、试验时间较长、对试件尺寸要求较高的缺点。但混凝土吸含水率试验并不存在上述缺陷。混凝土试件内部处于水饱和或近水饱和状态时,混凝土才会发生冻融循环破坏,而混凝土冻融循环破坏会引起混凝土在饱和状态时水量的变化,因此,提出了以混凝土吸含水率作为评测混凝土内部由冻融循环引起的内部破坏情况的试验指标。本文的主要工作内容和研究成果如下:(1)总结了冻融循环破坏作用在混凝土内部破坏的机理,并在此基础上研究了动弹性模量法、电通量法(氯离子快速渗透试验)和电阻率法(表面电阻率)这三种评测混凝土内部破坏的试验方法原理,分析了各个实验方法对混凝土内部损伤的评测特点。理论分析结果表明氯离子快速渗透试验和表面电阻率试验对较长微裂缝可以十分有效的表征。(2)基于达西定律、毛细作用动态理论模型以及冻融循环破坏机理,分析了混凝土吸含水率与混凝土内部微裂缝发展的相关关系,从理论上说明了混凝土吸含水率可有效反映混凝土内部破坏状态。同时研究结果表明,吸含水率与试件电阻率(表面电阻率试验结果)成反比,与电荷通过数成正比(氯离子快速渗透试验)。(3)在实验室制备了18个试件,分三组分别进行100次、200次数、300次数冻融循环,对每一个试件分别进行了动弹性模量试验、表面电阻试验、氯离子快速渗透试验和吸含水率试验。试验结果表明,动弹性模量试验中试件的动弹性模量值在本试验中对混凝土的内部破坏状态的评测可能并不十分有效;对相同的内部损伤状态,当混凝土骨料种类和体积、添加剂、配合比等不同时表面电阻率试验测试的电阻率会有不同,说明对于不同材料的混凝土其电阻值不能直接用于对比混凝土的内部破坏情况;吸含水率试验与氯离子快速渗透试验对混凝土内部破坏的评测结果基本一致,说明吸含水率试验用于评测由冻融循环引起的混凝土内部破坏情况是可行的。

关键词： 生态混凝土   骨料粒径   物理力学性能   冻融循环   动水冲刷  

摘要： 目前,生态混凝土因其透水、植生的功能而被普遍运用到护坡工程中,面对冻融破坏和冲刷磨蚀,其耐久性受到了考验。本文在国家自然科学基金项目“基于冻融与硫酸盐侵蚀环境的多孔质生态混凝土动水冲刷试验与损伤机理研究(项目编号:51608235)”,2015年镇江市重点研发计划——社会发展面上项目“透水混凝土——人工湿地雨水回用智能系统设计与应用研究(项目编号:SH2015004)”和北控水务自主科技立项项目“层状双金属氢氧化物改性生态混凝土在人工湿地中的应用研究(项目编号:ZZLX-2017-12)”的资助下,基于已有理论和研究基础,对生态混凝土分别进行了冻融循环、动水冲刷以及双重因素交替作用下的侵蚀试验;建立了冻融损伤的寿命预测模型并验证了模型的可靠性,为今后的配合比设计和工程应用提供参考。主要内容如下:1、介绍生态混凝土的组成成分及原材料的选择要求,提出配合比设计方法和制备工艺,确定不同骨料粒径生态混凝土的配合比,对水泥净浆流动度、孔隙率和抗压强度进行了测试。2、采用快速冻融法对三种尺寸的生态混凝土试块进行了冻融循环试验,即100mmx100mmx400mm棱柱体试块、100mm立方体试块和150mm立方体试块,探索了其宏观力学性能与冻融循环次数的关系,观察试块的破坏现象并探讨冻融破坏机理。试验结果发现生态混凝土的质量、相对动弹性模量和抗压强度都随着冻融循环次数的增加而降低,其中抗压强度受冻融循环作用的影响更大;生态混凝土冻融破坏的速度比普通混凝土更快,主要是因为其内部连通孔隙的孔径远大于水泥石内的毛细孔,承受更大的膨胀压力和渗透压力。建立了冻融损伤的寿命预测模型,预测出生态混凝土试块的最终冻融循环次数为38次,预测值与试验值相符。3、采用水下钢球法对三种骨料粒径(3～7mm,5～16.5mm,16.5～31.5mm)的生态混凝土进行了冲刷试验,探究其磨损率与抗冲磨强度随冲刷时间的变化规律以及骨料粒径对其耐磨性的影响。生态混凝土的抗冲刷性能高于普通混凝土,且骨料粒径越大,抗冲刷性越好;适当调整骨料粒径可以提高抗冲磨强度,但也要注意细骨料和水泥含量,若过少则会导致骨料间粘结力过低。对生态混凝土进行冻融循环与动水冲刷交替作用的侵蚀试验,与单因素试验进行对比,发现交替作用对生态混凝土的影响更大,主要是因为在冻融作用下骨料间的水泥浆受到膨胀应力和渗透压力的破坏而出现微裂缝,随着含砂水流的冲刷,骨料间的水泥浆更容易脱落,粗骨料也因此丧失粘结力而整块脱落。

关键词： 沥青混合料   冻融循环   CT扫描   数字图像处理   玄武岩纤维   细观研究  

摘要： 随着我国公路网日益完善,高速公路在我国道路建设中起着越来越重要的作用,高速公路通常铺设在野外,受自然因素影响较大。我国北方大面积为季冻区,高速公路的路用性能在行车荷载和冻融循环共同作用下快速下降,提高道路抗冻性和耐久性刻不容缓。随着对道路材料研究的不断深入,对沥青混合料的研究逐渐由宏观层次向细观层次转移。传统研究方法无法反映混合料真实内部结构的变化,为分析冻融循环下的混合料细观损伤机理及内部结构变化,需借助CT扫描等无损检测手段进行研究。本文结合吉林省交通科技项目“水-温耦合作用下玄武岩纤维沥青混凝土损伤特性及机理研究”,对玄武岩纤维SMA-13混合料和木质素纤维SMA-13混合料的抗冻融能力进行研究。首先从宏观层次入手,研究两种沥青混合料的空隙率和力学指标随冻融循环的变化规律;然后借助CT机获取两种沥青混合料在不同冻融损伤周期的扫描图像,使用数字图像处理技术对扫描图像进行处理,分析试件的内部结构随冻融循环的变化规律。本文所做的研究工作如下:1.在SMA-13中添加玄武岩纤维和木质素纤维,测试原材料性能,对两种沥青混合料进行配合比设计;2.对冻融循环损伤实验条件进行拟定,主要分析并确定试验的冻融时间、冻融温度和冻融循环次数。对冻融循环作用下的两种沥青混合料进行空隙率试验、稳定度试验、劈裂试验和间接拉伸试验。研究沥青混合料的体积指标和力学指标随冻融循环次数的演化规律,以损伤度为指标对两种沥青混合料的抗冻融损伤能力做出评价;3.借助CT扫描技术获取两种沥青混合料在不同冻融循环周期中的扫描图像,分析并确定扫描参数,如扫描层厚度、管电压、毫安秒等。使用数字图像处理技术对获取的图像进行处理,使图像更加适用于统计分析。对试件中各断面空隙率和空隙数目进行统计,研究空隙在试件中的空间分布规律;4.冻融循环作用下沥青混合料的力学性能下降原因是多方面的,单以空隙率为指标进行分析并不能对沥青混合料内部细观结构损伤机理进行准确描述,现以扫描空隙率、空隙数量、圆度、分形维数、长短轴比和棱角性为指标,对沥青混合料中空隙特征随冻融循环的变化规律进行研究;

关键词： 纳米混凝土   冻融循环   损伤模型   强度   动弹性模量  

摘要： 混凝土结构的冻融破坏一直是大家关注的重点之一,它的结构劣化现象是由于材料的内部受到交替变化的正负温差产生的内部力导致的。普通混凝土因其抗冻性能差,遇到严寒天气受到冻融作用使用寿命大大降低,耐久性满足不了使用的要求。而纳米混凝土有抑制材料内部微裂缝的产生和扩展等特点,纳米混凝土的抗冻性能是本文研究的重点。初始条件下材料内部存在着初始损伤,材料在冻融环境下的破坏就是这些微裂缝的扩展形成宏观裂缝,最终材料失去承载能力而破坏。损伤力学能够帮助我们分析和推理材料内部微裂缝的产生和扩展以及破坏的过程和规律。所以本文利用损伤力学的理论研究纳米混凝土的冻融过程和抗冻性能。本文进行不同纳米材料不同掺量的纳米混凝土冻融试验,掺入纳米碳酸钙和纳米二氧化硅质量分数均是一样,它们是0.5%,1.0%,1.5%,2.0%。当在冻融实验机中,冻融依次为50、75、100、150、200、250、300次时,取出试件进行测量,分别记下它们对应次数下的质量,动弹性模量以及抗压强度。对同一种混凝土分别掺加不同纳米材料以及不同质量分数所得的试验结果进行对比分析,根据结果研究分析冻融条件下纳米混凝土的衰减规律。本文主要针对目前损伤力学的研究进展,以及根据国内外学者总结出的损伤力学的结论,对典型的混凝土损伤模型进行着重分析。通过冻融试验发现其与疲劳损伤相类似,有随机性而且损伤作为变量服从同一概率分布。本文通过三组冻融试验得到的试验数据,建立Weibull分布模型的本构关系,建立纳米混凝土损伤模型,利用该模型找出纳米混凝土力学性能衰减规律。通过试验研究,分析得出纳米SiO2和Ca CO3的最佳掺量分别为1.5%和1.0%,此掺量条件下混凝土的抗冻融能力最大,其抗压能力相对素混凝土也是最大的。相比素混凝土,纳米Si O2和Ca CO3的加入大大提升了混凝土的抗冻性能。

关键词： 人工制备遗址土   冻融循环   抗剪强度   渗透性   压缩性   结构性  

摘要： 目前,冻融循环作用对土物理性质以及土力学性质的影响甚多,结论也比较一致,而对于人工制备遗址土力学特性的影响,没有提出统一的规律性研究成果,因此需要进一步深入研究。研究添加糯米浆的人工制备遗址土冻融循环后的基本特性,以期为土遗址、古文物修复的工作提供可靠试验依据。控制糯米浆密度、土与糯米浆质量比两个变量配置人工制备遗址土,试样经过冻融循环0次、5次、10次、15次后,进行常规三轴试验、侧限压缩试验、变水头渗透试验,分别研究人工制备遗址土经过冻融循环后的静力强度特性、压缩性、渗透性的变化规律。本文以陕西西安黄土加入糯米浆后配置的人工制备遗址土为研究对象。首先,试样进行固结排水三轴剪切试验,分析在不同冻融循环次数和不同围压下,应力应变曲线与糯米浆密度、土与糯米浆质量比的关系,得到了人工制备遗址土的抗剪强度指标。同时对人工制备遗址土结构性参数进行分析。其次,基于侧限压缩试验,在制样过程中考虑干密度、糯米浆密度两个因素,分析经过一系列冻融循环后的人工制备遗址土试样孔隙比与各影响因素之间的关系,并完成对于压缩结构性参数的定义及各变量对于结构性参数影响的分析。最后,渗透试样制备过程中控制糯米浆密度、土与糯米浆质量比两个变量进行变水头渗透试验,分析试样经过不同冻融循环次数后,各影响因素与渗透系数之间的关系。并且借助Matlab软件对试验结果进行三维建模,更加直观的分析冻融循环次数、糯米浆密度及土与糯米浆质量比对抗剪强度、压缩系数、渗透系数的影响规律。

关键词： 钢筋混凝土   冻融循环   粘结滑移   粘结强度  

摘要： 混凝土的耐久性研究以及越来越受到国内外研究者的关注,混凝土的抗冻性能是耐久性的一项重要指标,严寒地区和非严寒地区的钢筋混凝土结构遭受到了冻融循环作用的破坏,这种破坏并不止体现在对整体结构外观的破坏,更是对内部结构的损毁,损毁程度一旦加大甚至会给结构带来安全问题造成难以估量的损失。钢筋混凝土结构之所以可以稳定工作,是因为钢筋与混凝土之间能够保持良好的粘结性能,如果钢筋混凝土整体结构能在受到冻融作用后仍然保持较强的粘结性能,则说明结构整体的抗冻性较强。所以,对冻融后混凝土粘结性能的研究显示十分必要。本文主要从以下几个方面开展研究:1、试验研究了C20、C40两种强度,尺寸为100mm×100mm×400mm的棱柱体冻融试件在0至100次冻融循环后混凝土质量损失率和相对动弹性模量的变化,提出了符合冻融破坏机理的损伤评价标准;研究了尺寸为100mm×100mm×100mm立方体试件在0至100次冻融循环后冻融后劈裂抗拉强度和抗压强度的变化规律;2、采用光圆钢筋和带肋钢筋两种粘结试件在0至100次冻融循环后进行中心拉拔试验,分析了冻融后试件的外观变化、破坏方式,根据所得数据绘制了各组试件的均值粘结滑移曲线,研究了粘结强度、滑移量与冻融循环次数的相关关系。对比分析了不同钢筋种类、不同混凝土强度、不同冻融次数分别对粘结性能产生的影响;3、整理归纳了粘结强度的计算公式,并基于本试验的试验数据,拟合分析推导出了冻融循环后钢筋与混凝土的粘结强度计算公式,为后续的粘结强度研究提供数值参考。

关键词： 烧结砖   冻融循环   本构关系   损伤变量   应力-应变曲线  

摘要： 现阶段,在我国北方及西部地区,仍然存在大量在役砌体结构,其中,以民用建筑及古建筑居多。由于该部分地区冬季气候条件较为恶劣,昼夜温差相对较大,结构承受冻融循环次数较多,加之砌体结构抗冻性能相对较差,冻害因素已成为影响其工作性能及耐久性的主要因素之一。在砌体结构当中,尤其在低层建筑及乡村建筑中,砖材料作为重要的组成材料,仍在大量使用,为了更好地评定砖结构在冻害作用下工作性能,本文以粘土烧结砖为例,开展了性能劣化的系列试验研究。本文主要对烧结粘土砖采用快速冻融试验的方法,以强度作为主要控制指标,对烧结砖试块进行系列水冻试验研究。通过对粘土烧结砖进行不同次数的冻融循环作用,对试块的外观变化、质量损失、抗压强度损失、相对动弹性模量变化、损伤量等进行了比对分析,并基于宏观损伤力学理论,建立了烧结砖在水中冻融循环下的损伤演化方程,探讨了随冻融循环次数的变化,烧结砖损伤演变的规律。通过观察和测试遭受冻融循环作用后粘土砖的相关参数,发现烧结砖试块表面出现孔隙变化情况,并且随着冻融循环次数的增加,孔隙分布越分散;通过对试块的质量称重可知,烧结砖试块的质量损失率为负;随着冻融循环次数的增加,水中冻融作用对烧结砖的破坏为抑制作用。通过对烧结砖试块在水中进行快速冻融循环作用,并进行单轴抗压试验,测定其抗压强度,采集水冻作用下烧结砖应力—应变全曲线相关参数。在此基础上,对烧结砖在水中不同次冻融循环作用下单轴受压应力—应变曲线,进行了数据模拟及分析,并建立应力—应变全曲线方程。随着冻融循环次数的增加,烧结砖试块峰值应力、弹性模量不断下降,峰值应变不断增加,烧结砖试块受压应力—应变全曲线逐渐趋于扁平。初期冻融作用和后期冻融循环相比较烧结砖性能呈现不同劣化速率,其峰值应力、峰值应变和弹性模量初期变化较快。

关键词： 冻融循环   高速公路   路基填土   力学特性   静三轴试验   动三轴试验  

摘要： 张承高速公路作为构成河北省及京津冀高速公路网布局的干线之一,对于推动京津冀一体化,改善河北西北部地区交通条件、实现“东出西联”有着极为重要的作用。而张承高速公路地处河北省北部,属季冻区域,随着通行量的不断加大及对公路使用水平要求的提高,气温的变化尤其是冻融作用引起的路基路面病害越来越严重。路基因冻胀、融沉而导致的直接或间接病害严重了高速公路的服务水平,加大了养护维修成本,因此亟需对张承高速公路的路基填土在冻融循环作用下发生的强度、变形等物理力学特性进行有关研究,从而为解决季冻区高速公路路基填土冻融病害提供有关的数据和理论支持。本文以张承高速路基填土为主要研究对象,首先选取了主线上不同地区的路基填土进行基本物理特性试验,包括颗粒联合分析、液塑限试验以及室内击实试验等,对路基土的工程性质及工程分类进行了确定,按照最优含水率的原则对后续试验用土进行了初步配置,制成了固定压实度的试验土样;然后对试验土样进行不固结不排水的静三轴试验,探求出不同围压、冻融循环次数、不同环境负温以及压实度下土样的静力学参数包括静强度、抗剪强度指标和静弹性模量等的变化规律,拟合出不同影响因素下静力学参数的变化曲线,提出了静强度、静弹性模量和抗剪强度指标的多元非线性回归方程;最后对土样进行动三轴试验,探求出不同冻融循环次数、振动频率以及不同压实度条件下的动力学参数包括动强度、动弹性模量、动内摩擦角及黏聚力等的变化规律。根据各影响因素下的拟合结果进行多元非线性方式拟合,指出了动黏聚力以及最大动弹性模量的回归方程。希望为张承高速及同处季冻区域高速公路的后续建设以及养护运营提供数据参考。

关键词： 混凝土   强度等级   超低温冻融循环作用   受压性能   热变形  

摘要： 混凝土作为储存液化天然气（LNG）储罐结构的受力材料,因LNG存量改变引起的罐内温度变化使其在LNG储罐运行过程中经历超低温冻融循环作用。而实际运行的储罐结构因功能要求、受力特点以及经济性和安全性等,不同类型储罐以及储罐不同部位所采用的混凝土强度等级一般也有所不同。故研究不同强度等级混凝土经历超低温冻融循环作用性能十分必要。本文将通过试验探讨强度等级对混凝土经历超低温冻融循环作用后的受压性能和变形性能影响规律,并与常规冻融循环作用试验结果对比。根据实际运行的LNG类储罐结构情况和本课题组已有的研究结果,这里选取的混凝土设计强度等级分别为C40、C50及C60,考察的温度区间为15℃-120℃和15℃-190℃,超低温冻融循环作用次数则分别取0次、16次和30次。试验共制作试件120个。所有试验均由自行研制的超低温混凝土受力性能试验装置实现。通过超低温试验炉获取给定的温度作用工况,并给出混凝土的热变形指标（热残余变形、热膨胀变形系数）,然后再由相配套的液压试验机施加轴心受压荷载获取混凝土上下限温度时的受压强度性能和受压变形性能（弹性模量、峰值应变、应力-应变曲线）变化规律。试验结果表明,强度等级对混凝土经历超低温冻融循环作用后的性能具有显著影响,但不同的超低温温度区间和冻融循环作用次数表现出的影响程度存在差异。对于给定超低温冻融循环作用工况,上限温度时加载混凝土的强度等级对其破坏状况影响显著,而下限温度时加载则不明显。混凝土的受压强度、弹性模量随其强度等级提高具有相似的变化规律,而混凝土的峰值应变、应力-应变曲线以及热变形等均呈现复杂的变化趋势,在不同超低温冻融循环作用工况下随其强度等级提高而呈现的变化趋势不尽相同。同时,混凝土在下限温度时的性能变化受到冻融循环作用损伤和超低温增强效应的双重影响,其随强度等级提高的变化规律与所处的超低温冻融循环作用工况息息相关。与已有的常规冻融循环作用试验结果比较表明,超低温冻融循环作用对不同强度等级混凝土性能指标的影响更为严重、也存在明显的差异。本论文的研究结果可为可靠地设计和安全评估LNG储罐类混凝土结构提供依据。

关键词： 岩石损伤   冻融循环   冻融试验   核磁共振测试   损伤力学  

摘要： 我国寒区分布十分广泛,在寒区内存在大量的冻土,冻土包括冻结的土和岩石。寒区工程建设面临着复杂的冻害问题,如冻融引起的边坡失稳、路基不均匀沉降,隧道围岩失稳等,对寒区岩石的冻融损伤研究日益迫切。以片麻岩为试验材料,在-20℃的低温下冻结4小时,接着在20℃的水中融解4小时,为完成一次冻融循环,本次试验共计进行180次。在每完成20次冻融循环后测试片麻岩的质量、纵波波速、极限抗压强度、弹性模量、泊松比、岩石孔隙率、不同孔径孔隙占比。研究了冻融循环后片麻岩的物理力学损伤变化特性,并且应用损伤力学的知识进行了岩石冻融受荷损伤本构关系的推导,主要得到了以下结论:(1)在整个冻融循环期间,片麻岩的质量、纵波波速随着循环次数的增加而逐渐减小。质量损失率约为-0.12%,损失速率呈现出先增大,再减小,最后又逐渐增大的趋势。岩石纵波波速衰减幅度为-3.24%,波速衰减速率呈现出先增大,再减小,最后趋于稳定的规律。可见随着冻融循环次数的增加,片麻岩的密实度与完整性不断的下降。(2)片麻岩强度试验表明,随着冻融循环次数的增加极限抗压强度、弹性模量、冻融系数逐渐减小,泊松比、纵横向峰值应变逐渐增大。经过180次冻融循环作用以后,强度损失率为-23.05%。弹性模量损失量接近50%,从冻融系数上来看,片麻岩呈中风化状态。泊松比、纵横向峰值应变的增长率分别为141.67%、101.26%、388.42%。从单轴压缩应力-应变曲线来看,随着冻融循环次数的增加压密阶段逐渐的变长。(3)核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance)试验结果显示孔隙率随着冻融循环次数的增加而逐渐增加,由初始的0.287%上升为1.402%,增加了 388.5%。按照孔隙孔径的大小以及占比情况定义片麻岩内部的孔隙为:小孔径孔隙(直径0.01～0.1μm)、中孔径孔隙(直径0.1～100μm)、大孔径孔隙(直径100～400μm)。在整个冻融循环过程中,小孔径与大孔径孔隙所占的比例逐渐的上升,中孔径孔隙所占比例逐渐下降。(4)以孔隙扩展因子Kn来表示的岩石冻融损伤变量Dn,基于推广后的应变等价原理,推导了岩石的冻融受荷损伤本构关系表达式。实例演算求得经过180次冻融循环后片麻岩的冻融损伤变量Dn为 0.958。