关键词： 冻融   TIC   粘结滑移曲线   相对粘结强度   峰值滑移   粘结滑移本构关系  

摘要： 玻化微珠保温混凝土(TIC)解决了建筑节能的问题,符合我国节能减排的基本国策。TIC兼具保温和承重两大特性,满足结构承载力的同时,可以减少建筑全寿命周期的能耗量。本文在TIC已有研究成果的基础上,根据国内外相关试验方法标准,对冻融循环后TIC与钢筋的粘结性能进行试验研究,分析冻融后TIC粘结性能的变化规律,并与普通混凝土(NC)进行对比分析,研究两者抗冻性的异同,为TIC耐久性设计提供依据。本文主要研究内容和结论如下:***抗冻性能试验研究。选定0、30、50、100、200和300六种不同的冻融循环次数,对TIC进行快速冻融循环试验,测定其相对动弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度,并和NC进行对比分析。试验结果表明:相同冻融循环次数后,TIC相对动弹性模量、抗压强度和劈裂抗拉强度损失率明显小于NC;300次冻融循环作用后,TIC相对动弹性模量仍满足ASTM C666M-15标准要求,而NC在200次冻融循环后,相对动弹性模量已下降到58.94%,以相对动弹性模量为抗冻性的评定指标,TIC的抗冻性明显优于NC。***冻融前后粘结滑移性能的试验研究。通过对不同冻融循环次数、钢筋直径及钢筋外形的TIC试件进行中心拉拔试验,研究冻融循环对TIC与钢筋之间的粘结滑移曲线、相对粘结强度和峰值滑移的影响。试验结果表明:冻融循环对TIC粘结滑移曲线上升段影响不大,下降段随冻融循环次数的增大逐渐变扁平;随着冻融循环次数的增大,TIC的相对粘结强度逐渐减小而相应的峰值滑移逐渐增大,且锚固钢筋直径越小,TIC试件受冻融循环的影响越大;相同冻融循环次数后,直径相同的光圆钢筋试件相对粘结强度损失率和对应峰值滑移增加量均大于变形钢筋试件,变形钢筋试件锚固钢筋直径越大,相对粘结强度及峰值滑移越小。通过回归分析,建立了TIC相对粘结强度和峰值滑移随冻融循环次数变化的计算公式。3.对锚固钢筋直径和混凝土强度等级相同的NC和TIC试件冻融后的粘结性能展开研究,分析保温骨料对混凝土冻融后粘结性能的影响。研究结果表明:TIC冻融后粘结性能的退化速率明显小于NC,NC在冻融过程中破坏形态发生了劣变,而TIC始终为拔出破坏;相同冻融循环次数后,NC的极限粘结强度损失率高且对应的峰值滑移增量大(劈裂破坏除外)。4.通过对试验数据的回归分析,提出了适用于TIC与钢筋之间粘结的粘结滑移本构关系模型。

关键词： 风电工程   盐渍土   风致疲劳   冻融循环   损伤机理  

摘要： 我国经济在飞速发展,化石能源不断消耗,环境污染日益严重,迫切需要大力发展清洁能源。而在我国的西北地区有着丰富的风力资源,同时,“十二五”规划的完成,使得我国在风力资源的利用上有了诸多成就。由于我国地域辽阔,不同区域的地质条件差异较大,西北地区分布着大量的盐渍土,该地区气候恶劣,低温雨雪天气频发。严峻的气候条件及特殊的风机地基土,对风机机组在建设期及运营中提出了巨大的挑战。本文以内蒙古中西部某盐渍土地基上风电场建设为例,研究盐渍土地基在风致疲劳荷载、冻融作用及盐分的影响下其动静强度的变化规律。首先,分析冻融次数及含盐量对盐渍土静强度的影响;进而,对建设场地自然风进行模拟与等效,确定作用于地基土的风致疲劳荷载形式并进行试验,分析风致疲劳荷载作用时,土体动力特性与冻融循环次数、地基土含盐量间的关系,总结当含盐量一定时地基土经受相同的冻融循环作用后,其动应力与静应力之间的关系;最后,通过土体结构损伤理论分析风致疲劳荷载、冻融循环及盐分作用下盐渍土的强度损伤机理,并确定各因素影响的显著性水平。研究发现:(1)冻融循环作用下,盐渍土的粘聚力及内摩擦角随冻融次数逐渐降低,当冻融次数超过5次后,其减小速率会出现减缓的趋势。(2)当含盐量从0%变化到6%时,盐渍土的粘聚力及内摩擦角会呈现先减小后增大的趋势,变化速率与冻融次数有关。(3)试验条件相同时,风致疲劳荷载作用下,土体的极限动应力较静应力会有不同程度的减小;冻融作用下,土体的极限动应力会随着冻融次数的增加呈降低趋势。(4)风致疲劳荷载、含盐量及冻融循环均会使盐渍土产生损伤,含盐量及冻融循环对土体强度损伤的影响显著。

关键词： 再生混凝土   冻融损伤   黏结~滑移   本构关系   位置函数   有限元  

摘要： 基于可持续发展战略思想和土木工程建设的需要,将再生混凝土这种新型绿色建筑材料应用到土木工程,特别是结构工程中,已是大势所趋。抗冻性能是评判钢筋混凝土结构耐久性的重要指标之一,尤其是在严寒和寒冷地区,钢筋再生混凝土结构经冻融循环作用后,再生混凝土的力学性能发生退化,导致钢筋与再生混凝土的黏结性能也遭到破坏。为了推进再生混凝土在工程中应用,研究冻融循环作用后再生混凝土的力学性能及其与钢筋的黏结性能具有十分重要的工程意义。因此,本文从结构耐久性出发,对再生混凝土冻融后的基本力学性能、及其冻融损伤后与钢筋黏结~滑移性能的退化展开试验研究,并建立冻融损伤后再生混凝土与钢筋黏结~滑移本构关系,探讨不同试验形式下钢筋与再生混凝土的黏结~滑移机理。本文选择再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土与同强度的普通混凝土作为对比,通过改变冻融循环次数和混凝土强度等级,对冻融循环后的再生混凝土质量、相对动弹性模量及抗压强度的变化进行了试验研究,为后续再生混凝土与钢筋的黏结~滑移性能的研究奠定基础。鉴于目前对再生混凝土与钢筋的黏结~滑移性能的研究较少的现状,建立了中心拔出试验和梁式试验的再生混凝土与钢筋的黏结~滑移本构关系。并对比试验结果,对再生混凝土与钢筋黏结~滑移的影响因素展开了分析。总结本文主要研究工作和预期成果如下:在分析和总结现有研究成果的基础上,本文采用快速冻融法,对再生粗骨料取代率为100%的再生混凝土与同强度的普通混凝土的质量、相对动弹性模量及抗压强度的变化进行对比分析,并以此为基础,确定再生混凝土冻融损伤后的基本力学性能的变化规律。利用电镜对冻融循环后的再生混凝土进行微观结构分析,通过对微观结构和宏观破坏现象的分析,建立再生混凝土宏观性能和微观结构的定性关系。在此基础上,制作了锚固长度分别为3d、5d、8d、10d的7组再生混凝土设置箍筋的中心拔出试件和1组锚固长度为5d的普通混凝土设置箍筋的中心拔出试件。通过改变冻融循环次数,分析冻融次数和锚固长度对再生混凝土的黏结~滑移性能的影响规律,并以此建立了黏结~滑移本构方程。试验结果表明:钢筋与再生混凝土间黏结破坏形式为钢筋拔出破坏和钢筋屈服破坏;锚固长度为10d时,试件在未冻融循环作用下发生钢筋屈服破坏,试件加载端发生较小的相对滑移,而自由端没有发生滑移;其余试件均在加载过程中钢筋被缓慢拔出,发生拔出破坏;冻融循环相同的状态下,随着锚固长度的增加,极限荷载值随之增大,而平均黏结强度却随之减小,平均黏结强度和极限荷载呈反比关系,当锚固长度增加到一定值(5d)后,平均黏结强度的变化曲线趋于平缓;根据钢筋与再生混凝土间的黏结~滑移曲线特征,将曲线分为微滑移线性阶段、滑移阶段、滑移加速阶段、非线性下降阶段和残余阶段五个阶段,建立了考虑冻融循环次数、锚固长度和保护层厚度等因素有关的黏结锚固特征值经验模型。运用数学统计和误差分析的方法,验证了模型具有较好的吻合度。考虑到中心拔出黏结试验在受力过程中没有剪力和弯矩作用,与实际工程结构中构件的受力状态不相符,试验结果及规律势必会与实际工程中存在差异,本文进一步设计了梁式试件进行黏结~滑移试验研究。制作了锚固长度分别为5d、8d、10d,钢筋直径分别为16mm、18mm和20mm,再生混凝土等级为C20、C30、C40共计38组再生混凝土梁式试件。通过不同冻融循环次数,分析上述因素对再生混凝土与钢筋黏结~滑移性能的影响规律,并以此建立梁式试件的黏结~滑移本构方程。试验结果表明:钢筋的直径、锚固长度、再生混凝土强度、冻融循环次数对再生混凝土与钢筋的黏结滑移性能影响较大;以微段黏结应力沿锚固长度的分布规律及本构关系建立的位置函数,较好的反映了不同锚固位置处黏结应力的大小及测点在试验过程中黏结滑移关系的变化规律,结合位置函数建立的黏结滑移本构模型与实测值吻合度较高;对两种试件建立的位置函数和荷载~滑移曲线进行了对比分析,得出荷载工况是影响位置函数精确度和曲线特征的主要因素。对比中心拔出试件与梁式试件的试验结果,在黏结强度方面,由于中心拔出试件的周围保护层厚度较大且分布均匀,中心拔出试件的黏结强度均高于梁式试件的黏结强度,并且随冻融循环次数的增加梁式试件黏结强度均匀变化,中心拔出试件下降速率较快;在滑移值方面,中心拔出试件最终的滑移值达到了梁式试件的6～10倍。根据本构关系,采用大型分析软件ANSYS对冻融循环后钢筋与再生混凝土中心拔出试件黏结性能进行模型分析,并结合相关试验结果进行对比验证。在此基础上,以钢筋截面面积和冻融循环次数双因素变化时,对再生混凝土与钢筋的黏结~滑移进行验证,为冻融损伤后钢筋与再生混凝土的黏结~滑移问题的进一步研究奠定理论基础。

关键词： 冻融循环作用   ECC-FRP筋混凝土   复合梁   受弯性能  

摘要： 与普通钢筋混凝土梁相比，FRP(Fiber Reinforced Plastics)筋混凝土梁破坏时是脆性破坏，其挠度变化较大，裂缝开展较快，在破坏之前，已经出现了较明显的弯曲变形。工程用水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，ECC)具有显著的应变硬化特征，在拉伸荷载作用下可产生多条细密裂缝，极限拉应变可稳定地达到3％以上。由于ECC与FRP筋一样具有拉伸弹性特性，二者良好的拉伸延性能够使FRP筋在达到弹性屈服时保持良好的变形协调，用ECC材料替换FRP筋混凝土粱受拉区素混凝土，使ECC与FRP筋协调工作，可以充分体现出材料本身独特的韧性，发挥材料的优越性能，提高梁的受弯性能，并解决传统钢筋混凝土梁浪费钢材资源和耐久性不足等问题。　　设计并制作了不同替代高度的钢筋混凝土复合梁和FRP筋混凝土复合梁，并预留混凝土试块和ECC试块，采用快速冻融法对其进行0次、50次、100次和150次的冻融循环试验。冻融后发现，冻融经历相同次数的冻融循环作用后，普通混凝土表面的破坏程度、质量损失和强度降低情况明显比ECC严重，ECC的抗冻性能强于普通混凝土。　　对不同冻融次数的复合梁进行静力加载试验，分析试验结果发现，与钢筋混凝土梁不同，FRP混凝土复合梁的荷载-挠度曲线在截面开裂前为直线，开裂以后刚度降低，荷载-挠度曲线仍呈现较为明显的线性特征;在钢筋/FRP筋混凝土梁中，采用ECC取代部分受拉区混凝土，可以有效控制梁的变形值和显著提高梁的抗弯承载能力;钢筋/FRP筋复合梁经历冻融循环作用后，其极限弯矩随着冻融次数的增加逐渐减小，对应的极限挠度值随着冻融次数的增加逐渐增大。钢筋/FRP筋与混凝土/ECC有较好的协同变形能力，能够共同工作。　　基于钢筋混凝土理论，并参照国内外相关研究成果，对FRP筋梁的开裂弯矩、极限弯矩、挠度、曲率、延性和ECC最佳替代高度的公式进行了推导，并通过开裂弯矩和极限弯矩的试验值和计算值对比，验证了公式的合理性。

关键词： 纤维改良土   冻融循环试验   动三轴试验   静三轴试验   导热系数试验   动/静本构模型   热物理统计模型  

摘要： 了解纤维改良土的冻结行为对寒区的地基技术、道路与土方工程至关重要。本文的主要目的是:研究纤维改良土在数次冻融循环下的物理、力学、热力学的性质,并利用Stefan方程与改进Berggren方程预测土耳其东部地区的最大冻深。为了完成这个目标,对经历冻融循环后的纤维改良土(随机掺加玻璃纤维、玄武岩纤维、钢纤维、粉煤灰、木质素)的物理性质,如:质量损失、含水量变化与试样高度等指标进行测量。进一步地,纤维改良土的热力学性质总结为与冻融循环次数、纤维含量、温度有关的函数。为了验证试验结果,建立一种热物理统计模型来模拟不同冻融循环、温度条件下的纤维改良土。此外,进行了两大组UU三轴试验来验证纤维改良土的力学性质,试验变量包括:①纤维(玻璃、玄武岩)、纤维含量(0,0.5和1%),冻融循环次数(0,2,5,10,和15),围压(100,200,和300kPa);②纤维与含量(粉煤灰,4和8%;木质素,0,0.25,0.5,0.75和1%),冻融循环次数(0和15),围压(100,200,和300kPa)。使用两种Duncan-Chang双曲线模型预测冻融条件下纤维改良土的静应力-应变关系。此外,进行了动三轴试验,变量为:纤维(玻璃,玄武岩),纤维含量(0,0.5和 1%),围压(300,400 和 500kPa),冻融循环次数(0,2,5,10,和 15)。为了验证冻融条件下纤维改良土的动剪应力、动剪切模量,选用Hardin-Drnevich模型和Kondner-Zelasko模型,建立了剪切模量与冻融次数、纤维含量、围压、初始含水量之间非线性关系。试验结果表明,掺加不同含量的纤维有助于提高地基土的工程性质(冻融条件下的热、力参数),并且不同纤维含量、冻融循环下的纤维改良土的试验结果与数学模型拟合效果优。

关键词： 水泥基灌浆料   氯离子侵蚀   冻融循环试验   抗压强度  

摘要： 青海盐湖地区由于其特殊的地理环境,使得当地的建筑物结构因季节性的冻融循环和氯离子侵蚀遭受严重的损害。冻融循环及氯离子侵蚀相互促进,相互递进,致使盐湖及其周边混凝土结构因腐蚀破坏而寿命缩短。因此,提高盐湖地区混凝土结构耐久性的问题迫在眉睫。本文尝试研制一种抗氯离子侵蚀的水泥基灌浆料作为防腐材料,从而有效保护混凝土抵抗氯离子侵蚀及冻融破坏,提高混凝土结构的耐久性。本文从水泥基灌浆料的材料选取、配合比设计和耐久性方面进行系统的研究,分析及优化了各因素对灌浆料性能的影响,取得了一定的成果,对今后工程的实际应用及研究具有十分重要的意义。论文的主要研究内容及成果如下:(1)采用正交法研究了水胶比、胶砂比、硅灰、粉煤灰、膨胀剂及减水剂对水泥基灌浆料流动性及强度的影响,获得了对灌浆料性能影响显著的因素,初步优化灌浆料配合比参数。(2)通过单一变量试验,深入分析研究水胶比、胶砂比、硅灰、粉煤灰及减水剂对水泥基灌浆料抗压及抗折强度的影响,进一步优化配合比参数,获得了物理力学性能较好的水泥基灌浆料;另外,通过掺加适量的消泡剂不仅改善了灌浆料的表面性质,又提高了灌浆料的强度,取得了良好的改性效果。(3)进行了水泥基灌浆料在10%、15%和20%三种浓度的盐溶液中抗冻融循环试验。试验结果表明,灌浆料强度及质量随冻融循环次数的增加先增加后降低;在15%盐溶液中的灌浆料强度及质量损失率较大,而20%的高浓度盐溶液有效降低了冰点,有利于试件的抗冻,但试件在盐溶液中冻融的损失均比在水中的严重。(4)研究了水泥基灌浆料试件在10%、15%和20%三种浓度的盐溶液中长期浸泡试验。结果表明,试件强度耐蚀系数随浸泡时间的增加先增加后降低;随盐溶液浓度的增加不断降低。在20%盐溶液中浸泡9个月的试件的氯离子侵蚀深度为3.20,且侵蚀速率明显降低,说明灌浆料具有良好的抗氯离子侵蚀性能。

关键词： 冻融循环   氯离子侵蚀   有限元模拟   热应力  

摘要： 冻融循环和氯离子侵蚀共同作用产生的钢筋混凝土结构耐久性不足,其长期作用导致的大量经济损失和能源领域的巨大浪费,已经成为土木工程领域越来越值得关注的问题。因此,深入理解冻融循环影响下氯离子侵蚀过程,研究冻融循环作用下混凝土材料的力学性能和破坏过程,对延长钢筋混凝土结构的使用年限,提高工程结构的使用效率和经济效益具有重要意义。本文对冻融循环影响下氯离子侵蚀饱水混凝土过程开展了研究,主要工作包括:1.总结了冻融循环下氯离子侵蚀混凝土的基本理论介绍了混凝土中氯离子的侵蚀机理,对氯离子传输问题以及冻融循环问题的国内外研究现状进行了综述。同时介绍了热应力模拟分析中的耦合分析思路和热传导控制方程。综合考虑了实际工程中扩散深度、水化反应的结合能力、混凝土对氯离子扩散性能的劣化效应系数、环境温度等因素,推导了多因素影响下混凝土中氯离子扩散方程,为研究复杂条件下氯离子侵蚀混凝土过程奠定了基础。2.研究了冻融循环条件下温度场和水的体积变化过程结合热应力分析理论以及瞬态热传导的分析过程,模拟了水的冻结与融化过程。通过改变温度边界条件以及定义随温度变化的热膨胀系数,模拟了冻融循环过程中模型的温度场变化情况,以及相变过程中模型的体积变化过程。将模拟结果与多种实际现象进行了比较,论证了有限元模拟结果的合理性,为研究混凝土中孔隙水冻融循环提供了基础。3.模拟了冻融循环影响下混凝土中损伤演化过程给出了冻融循环条件下混凝土中孔隙水冻融过程以及破坏过程的分析流程,讨论了冻融循环对混凝土结构的破坏机理以及相应的研究方法。在Abaqus软件平台基础上,模拟了降温过程,以及冻融循环影响下孔隙水冻结膨胀导致的混凝土损伤演化过程。依据得到的温度场和损伤分布结果,解释了快冻法冻融循环实验中结构构件表层剥落现象,以及内部裂纹的萌生及扩展现象,为研究混凝土结构的承载力失效过程提供一定基础。4.研究了冻融循环影响下氯离子侵蚀混凝土过程研究了自然条件下混凝土中氯离子扩散过程,为了与冻融循环过程温度场的变化过程进行比较,模拟分析了常温条件下的扩散过程。对经受冻融循环破坏的混凝土中氯离子扩散过程进行了模拟,将模拟结果与常温下未损混凝土模型中的氯离子扩散过程进行了比较,给出了冻融循环次数对氯离子侵蚀混凝土过程的影响情况。通过对冻融循环影响下受损混凝土中氯离子扩散过程进行模拟分析,结果表明:受损混凝土中氯离子扩散速度明显大于未考虑冻融损伤的混凝土中氯离子扩散速度,冻融循环过程对混凝土造成的损伤对氯离子侵蚀过程产生了显著的加速作用。

关键词： 混凝土   冻融循环   含气量   抗冻性  

摘要： 多些年来，混凝土作为一种建筑材料被广泛应用到世界各地区。而随着时间的推移，混凝土构件在多种因素长时间的作用下呈现出不同的破坏方式。其中，混凝土的冻融破坏是造成其耐久性降低的一重大原因。混凝土因冻融破坏后开始出现裂缝，直至剥落，不仅影响建筑物的外观，而且内置的钢筋也会因此裸露出来，致使结构承载力降低，严重威胁到人们的安全。基于此，本文通过混凝土实体试验与Ansys有限元软件的模拟共同进行了混凝土的冻融循环研究。　　首先，通过不同含气量混凝土的冻融循环试验，对冻融后混凝土的进行了分析研究。按照混凝土冻融标准规范，采用质量损失与动弹性模量的变化为抗冻指标对混凝土冻融循环结果进行评价，本文还研究了引气剂对混凝土抗压强度的影响。所以，从质量，动弹性模量与抗压强度三方面综合分析，找出本文中对混凝土冻融循环的最佳含气量;本文还运用了Ansys有限元软件对混凝土冻融循环进行了仿真模拟。数值模拟的基本思想是热应力耦合，即采取顺序耦合的方法，先对混凝土模型进行热分析，然后转换为应力的分析，由求解出的温度场作为已知条件施加到结构模型上，得到其应力云图。　　试验与模拟的结果基本一致。试验结果发现以下规律:混凝土的冻融作用是个渐入过程，由表及里，从表面到内部逐渐破坏;冻融前期只对混凝土表面产生破坏，对内部作用很小。同一含气量的混凝土，在不同的冻融循环次数下破坏程度不同。随着冻融循环次数的增加，其破坏程度也随之加深。同一冻融次数时，一定含气量范围内，随着混凝土含气量的提高，其破坏程度逐渐减小。但超出了此范围，抗冻性随含气量的提高无显著变化。引气剂可以显著提高混凝土的抗冻性，是由于引气剂的掺入，可以在混凝土内部形成引入许多分布均匀、稳定而密闭的细小气泡，这些气泡能够抵抗一部分孔隙间的压力作用，从而改善了混凝土冻融循环条件下的抗冻性。

关键词： 冻融循环   模型试验   非饱和粉质黏土   水分迁移   水-热耦合模型  

摘要： 我国季节冻土面积覆盖广泛,周期性的冻结与融化作用是诱发路基水分迁移的主要因素。水分的重分布将直接改变路基土的非饱和状态,从而降低路基的强度,严重时会形成路基冻胀与融沉病害,影响着道路的使用性能以及使用寿命,是国内外学者关注的热门工程问题。本论文以东北季节冻土区常见的粉质黏土为研究对象,着重考虑冻融循环作用,采用室内模型试验、理论与数值分析相结合的技术手段,研制了非饱和路基土冻融循环模型试验系统,进行了冻融循环作用下粉质黏土水分迁移试验,建立了非饱和路基土的水-热耦合数值模型,并分析了冻融循环作用下非饱和路基土的水分迁移规律,这对于完善寒区路基设计体系和提高路基服役期限具有重要的理论意义和实用价值。论文的主要研究内容和成果如下:研发了非饱和路基土冻融循环模型试验系统。为了模拟季节冻土区路基的冻结与融化过程,综合考虑温度、湿度和荷载边界,设计了试验仓、控温装置、补水装置、上覆荷载装置、温度采集装置、湿度采集装置、保温装置,实现了实时采集记录模型体内部温度和体积含水量的分布情况。同时,通过多次试验尝试,提出了非饱和路基模型体的试验方法。进行了非饱和粉质黏土重复冻结与融化的模型试验。在确保系统可靠稳定的基础上,分别进行了不补水和补水两种条件下的水分迁移模型试验,用于模拟不同地下水位情况下路基非饱和土的水分迁移情况。分析了模型体在冻结、融化阶段含水量、温度随着时间的变化规律,对比了在温度影响区域内水分随着温度的变化情况,以及在非温度影响区域中水分的迁移作用。建立了非饱和路基土的水-热耦合数值模型,并分析了冻融循环作用下的水分迁移规律。根据微分单元的质量、热量守恒理论,提出了本试验条件下的水-热耦合方程,并以模型试验得出了未冻水与温度关系式作为补充方程,采用COMSOL中系数型偏微分方程模块,实现了该耦合模型的数值求解,并基于模型试验数据验证了该模型的可靠性;进而,分析了补水条件、冻结温度和降温梯度对路基水分迁移规律的影响。