关键词： 冻融循环作用   抗剪强度   黄土路基   边坡稳定性  

摘要： 在我国,黄土广泛分布于华北和西北地区等季节性冻土区,随着外界气温变化,该地区的黄土在每年会经历数次的冻融循环。在冻融循环作用下,黄土的物理力学性质发生了改变,直接影响到工程的稳定性及耐久性。通过前期的山西省黄土地貌地质灾害防治的初期调查研究发现,冻融作用也是诱发黄土地质灾害的重要原因之一。然而,到目前为止对季节性冻土的研究并不多,且都局限在青藏甘肃等地区,对华北地区尤其是山西地区更是缺少研究。因此研究冻融循环作用对于黄土的影响具有非常重要的意义。本文主要以太原东中环路工程为背景,通过室内模拟冻融循环试验,分别分析不同冻融循环次数和冻结温度对两种土样(路基原土和黄土填料)的抗剪强度的影响,并将室内试验的结果用于黄土路基边坡稳定性分析中。本次试验共用到土样30组,分别进行在冻结温度为-20℃、-10℃、-5℃下进行1、3、5、9次冻融循环试验,抗剪强度测定采用直剪试验,并在直剪试验后测土样含水率,边坡稳定性分析采用大型有限元分析软件ABAQUS。具体结果及结论如下:1.黄土的力学性质方面:在冻融循环后,土样的抗剪强度都降低,其中其中粘聚力c减小较为明显,内摩擦角?变化幅度很小,在工程中可以认为内摩擦角?在冻融循环之后没有变化。且在不同冻融循环的次数与冻结温度下,土样抗剪强度降低的幅度不同。具体表现为:冻结温度越低,抗剪强度降低越多;冻融循环次数越多,抗剪强度降低越多,且在第一次冻融循环后抗剪强度降低最多,之后随着循环次数增加,每次冻融循环后抗剪强度的减小值不断变小。粘聚力c的变化规律与抗剪强度基本相同。冻融后湿陷性的黄土抗剪强度降低值大于非湿陷性黄土。2.黄土的物理性质方面:在封闭系统下进行冻融循环后,土样的含水率基本不发生变化,即封闭系统下冻融循环作用对黄土的含水率没有影响。3.路基边坡稳定性方面:利用强度折减法分析该工程中路基边坡的稳定性,分析得出,在冻融循环后,路基边坡稳定性安全系数减小。与冻融前相比,经过冻融循环后边坡内塑性应变区发展更快、塑性变形区范围更大。

关键词： 硝酸侵蚀   冻融循环   耦合作用   喷射混凝土   性能退化  

摘要： 喷射混凝土是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力,将按一定比例配合的拌合料,通过管道输送并以高速喷射到受喷面且快速凝结硬化的一种混凝土。喷射混凝土以其密实性好,凝结时间快以及强度高等特点,广泛应用于隧道衬砌结构的施工中。本课题以隧道永久衬砌结构为工程应用背景,对硝酸侵蚀与冻融循环耦合作用喷射混凝土宏观物理性能退化规律、孔溶液pH值及水溶性[NO3-]含量变化规律进行研究,利用混凝土气孔结构分布及参数指标,对损伤试件细观孔结构进行表征,研究喷射混凝土物理力学性能劣化机理,具体内容包括:（1）采用快冻法,以pH=2的硝酸溶液为冻融侵蚀介质,对冻融循环过程中喷射混凝土动弹性模量、质量、抗压强度进行测试,分析其变化趋势,研究硝酸侵蚀与冻融循环耦合作用喷射混凝土物理力学性能劣化规律。与同配合比模筑混凝土和钢纤维喷射混凝土对比,研究成型方式以及钢纤维对喷射混凝土抗冻性的影响,结果表明:喷射混凝土受冻损伤后物理力学性能显著优于模筑混凝土,掺加钢纤维可提高喷射混凝土抗冻耐久性能。（2）以分层取粉的方式,采用电位法,对冻融损伤后喷射混凝土孔溶液pH值及[NO3-]含量进行测试,分析孔溶液pH值及[NO3-]含量在损伤混凝土中的变化规律,对硝酸侵蚀与冻融循环耦合作用喷射混凝土损伤规律进行了研究。结果表明:随着冻融循环次数的增加,模筑混凝土孔溶液的pH值下降幅度大于喷射混凝土;同冻融循环次数,钢纤维喷射混凝土孔溶液pH值大于喷射混凝土孔溶液pH值。对于[NO3-]含量,在同冻融循环次数,模筑混凝土中[NO3-]峰值含量最高,其次是喷射混凝土,钢纤维喷射混凝土[NO3-]峰值含量最低。（3）采用Rapid Air C457硬化混凝土表面孔结构分析仪,对为冻融损伤和冻融损伤混凝土试件孔结构进行分析。通过对试件切面细观形貌、表面气孔参数及表面气孔分布进行测试,研究硝酸侵蚀与冻融循环耦合作用喷射混凝土物理力学性能劣化规律,得出以下结论:对比分析未冻融损伤及冻融损伤混凝土试件表面气孔细观形貌、气孔参数、弦长分布以及含气量分布,模筑混凝土孔结构劣化速度最快,喷射混凝土次之,钢纤维喷射混凝土最慢。这是由于在钢纤维的增韧作用下,冻胀裂缝发生偏转继而扩展受阻,提高了喷射混凝土的抗冻性。

关键词： 镉污染固化土   水泥基固化材料   正交试验   淋滤浸出试验   冻融循环试验   核磁共振微观孔隙分析  

摘要： 近年来土壤镉污染带来了众多问题,采用水泥等固化材料修复重金属污染土持续受到关注,通过水泥等固化可以将废弃污染土体再利用于工程实践中。本试验采用水泥、粉煤灰和石灰作为固化材料对镉污染土体进行固化。通过室内宏观试验测试固化污染土无侧限抗压强度、淋滤特性,研究其力学性能和淋滤浸出风险是否符合环境及工程要求,分析其冻融条件下耐久性能;通过室内微观试验,对一定养护龄期下固化污染土内部孔隙结构及分布进行测定,研究修复后其固化结构特征。为资源化再利用镉污染土进行有益探索,提供实际工程参考,基于上述研究,得到以下结论:(1)采用正交试验方案,结合无侧限抗压强度结果,对四因素三水平正交试验进行极差方差分析得到固化材料对固化强度影响,其中影响程度由大到小为水泥>石灰>粉煤灰。水泥对其固化强度贡献率最高在28d达到59.71%,石灰在养护7d-28d期间对提高无侧限抗压强度作用显著,粉煤灰则对镉污染固化土后期强度提升贡献较大。(2)对7d、28d、90d养护龄期固化镉污染土进行淋滤试验,其淋滤液重金属浸出浓度随龄期增加有所降低,初期降幅较大,后期降幅则趋于稳定。固化材料水泥等水化作用产物在初期对重金属结合以及碱环境下重金属沉淀作用较弱。淋滤液pH在11.5-11.6间,淋滤液重金属浸出浓度变化较大。(3)随冻融循环次数增加固化污染土无侧限抗压强度有所下降,冻融循环次数大于15次后强度下降明显。污染固化土受多次冻融循环作用弹塑性变形特征发生较大改变,其塑性变形明显增加。在冻融循环0-15次时,污染固化土重金属淋滤浸出浓度上升较快,15-20次后淋滤浸出浓度上升趋缓。(4)9组污染固化土试件经核磁共振测试,发现其孔径主要集中于0.01μm-0.1μm之间,并且随着水泥、粉煤灰等固化材料的掺量增多,孔径在0.01μm-0.1μm范围内孔隙体积有所增加。对于孔径大于10μm的孔隙占比较多的污染固化土强度相对较低,同时其重金属淋滤浸出浓度也偏高,认定这类孔径大于10μm孔隙为固化污染土的有害孔。

关键词： 混凝土   疲劳荷载   冻融循环   应变率   动态特性   应力-应变曲线  

摘要： 寒区的隧道、大坝及桥梁等混凝土结构会经历荷载历史与冻融循环作用,同时动力荷载作用对这些结构的安全性和稳定性有着重要的影响。本文开展了180个混凝土棱柱体试件分别经历疲劳荷载、冻融循环、先疲劳后冻融以及先冻融后疲劳等四种模式作用后的单轴动态抗压试验,系统研究了疲劳荷载和冻融循环单一因素作用、疲劳与冻融双重因素作用对混凝土动态力学性能的影响,同时分析了疲劳与冻融不同作用次序下混凝土的微观形貌和损伤演化机理。主要成果如下:(1)研究了单因素作用后混凝土动态特性,包括疲劳荷载、冻融循环作用后混凝土动态特性。首先,开展了受疲劳混凝土单轴动态抗压试验,研究了疲劳次数和应变率对混凝土强度和变形性能的影响。结果表明抗压强度和峰值应变均随疲劳次数增加呈先增后减的趋势;随着应变率的增加,抗压强度增大,而峰值应变减小。其次,开展了受冻融混凝土单轴动态抗压试验,分析了混凝土抗压强度、峰值应变与冻融次数、应变率的关系,提出考虑应变率和冻融次数影响的混凝土应力-应变曲线模型,结果表明抗压强度随应变率的增大均明显增加,而峰值应变呈减小的趋势;随着冻融次数的增加,抗压强度均有所降低,降低幅度最大达7.46%,而峰值应变逐渐增大。(2)研究了疲劳与冻融双重因素作用后混凝土动态特性,包括先疲劳后冻融以及先冻融后疲劳作用下混凝土动态特性。首先,开展了先疲劳后冻融作用模式下混凝土动态抗压特性试验,探讨了疲劳次数以及冻融次数对混凝土动态力学性能的影响规律。结果表明先疲劳后冻融作用下混凝土的强度损失大于在疲劳单一作用下的损失,强度随疲劳次数、冻融次数的增加均呈减小的趋势,随应变率的增大均明显增大,相比未经损伤的混凝土静态强度,强度降低最大可达10MPa。其次,开展了先冻融后疲劳作用模式下混凝土动态抗压特性试验研究,基于试验结果,分析了冻融次数、疲劳次数和应变率对混凝土抗压强度、峰值应变和应力-应变曲线的影响,结果表明先冻融后疲劳作用下的混凝土具有明显率效应,较少的疲劳荷载次数对混凝土的冻融损伤具有缓解作用。(3)探讨了疲劳与冻融作用的先后次序对混凝土动态特性的影响,引入叠加效应变量Kc对疲劳与冻融损伤叠加效应进行表征,结果表明先疲劳后冻融作用模式下,疲劳荷载与冻融循环联合作用均为正效应,先疲劳后冻融作用模式导致强度的损失大于同一应变率下先冻融后疲劳作用模式。采用扫描电子显微镜对混凝土损伤后的微观形貌进行观察分析,从微观角度揭示了疲劳与冻融不同次序作用下混凝土损伤劣化的机理。

关键词： 纤维混凝土   冻融循环   强度劣化   SEM   压汞  

摘要： 混凝土在冻融循环作用后表面极易侵蚀剥落,钢筋外漏锈蚀,从而导致结构的失效,因此,冻融破坏是混凝土结构出现耐久性问题的重要因素之一。纤维混凝土具有阻裂性能好,耐腐蚀、耐冲刷性能强,以及抗冻性能良好等优点而受到各国学者和工程界的关注。然而纤维在改善混凝土性能的同时又带来新的问题,而且单一纤维从理论上讲很难全面改善混凝土的性能,只有合理使用不同性能的纤维,取长补短才能提高混凝土的整体性能,研究混杂纤维混凝土对解决工程实际问题意义重大。当前学者对于混杂纤维混凝土的研究成果较少,难以指导实际工程,因此还需要深入探究。本文主要研究玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的基本力学性能和抗冻性能,分析其受力和抗冻机理,为工程应用提供依据,具体研究内容如下:以C60混凝土为基质材料,将玄武岩和聚丙烯纤维作为增强材料制备纤维混凝土,并以纤维体积掺量为变量设计12组配合比。对纤维混凝土基本力学性能进行研究,结果显示立方体抗压强度、圆柱体劈裂抗拉强度、棱柱体抗折强度均随纤维总掺量的增加而先增后减。聚丙烯纤维对混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度影响较大,0.15%的玄武岩纤维混凝土抗折强度增幅最大达16.6%,混掺纤维出现了负效应,整体而言纤维总掺量为0.2%时混凝土基本力学性能最优。通过快冻法对12组配合比的混凝土进行了冻融循环试验,研究其抗冻性能。研究结果显示各组试件质量损失都不大,单掺玄武岩纤维和混掺纤维后混凝土相对动弹性模量及抗折强度均平稳下降,阻止劣化的作用显著,而聚丙烯纤维混凝土二者的性能变化与未掺纤维混凝土相似,甚至会加速性能劣化。上述试验研究表明,玄武岩纤维及混掺两种纤维能显著增强混凝土的抗冻性,抑制强度劣化。通过SEM和压汞试验研究了纤维对混凝土微观结构的影响。SEM试验结果显示当混凝土内部裂缝扩展过程中遇到纤维时,纤维能有效抑制裂缝生长贯通,传递应力并缓解应力集中,迫使裂缝停止扩展或绕过纤维继续扩展,延长了传力路径,消耗更多能量。当玄武岩纤维体积掺量超过0.30%时开始成束出现,甚至团聚,在混凝土内部形成薄弱点。压汞试验表明纤维使混凝土内部无害孔和多害孔所占体积增大,少害孔和有害孔体积减小,可以说纤维的存在使混凝土内部孔隙增多,可能引入更多的缺陷影响其宏观性能,同时纤维对孔隙的发展和贯通又有抑制作用,因此利弊不能一概而论。

关键词： 原状砒砂岩   冻胀   融沉   冻融循环   结冰潜热  

摘要： 砒砂岩区的产沙量是以非径流的冻融风化侵蚀为主形成的,冻融循环作为一种温度变化的具体形式,可以被理解为一种特殊的强风化作用。本文以内蒙古自治区鄂尔多斯准格尔旗紫红色砒砂岩作为研究对象,通过三温冻融、超景深、压汞试验,研究并分析了冻融次数、含水率对原状砒砂岩变形特性的影响以及反复冻融后砒砂岩微观结构的变化规律。研究结果表明:砒砂岩每一个冻融周期的完成大体都经历迅速降温、恒温冻结、迅速升温、恒温融化和继续升温5个阶段。冻融循环过程可以很清晰反应砒砂岩在冻结和融化中固相、液相相互转化时其内部热量的变化,以及砒砂岩冻结、融化过程的体积变化。在冻结过程中冻胀量随时间增大遵循对数函数规律增加;当含水率大于10.27%时,发生冻胀明显,试样冻胀量会随冻融次数增加而增大;当含水率为11.53%及以上时,冻融循环大于6次,冻胀率趋于平缓。在融化过程中,含水率在12%到13%之间存在一个阈值,小于该阈值时,融沉系数随着含水率的增大而增长,当土体含水率达到该阈值含水率,融沉系数随着冻融次数的增加而趋于平缓,含水率是引起冻融总变形的主要影响因素。含水率小的原状砒砂岩反复冻融后发生压缩变形,含水率大的发生隆起变形,但最终的融沉都会趋于稳定。含水率越大,反复冻融对砒砂岩内部的微观结构影响越大,含水率小冻融对砒砂岩微观结构影响浅。当含水率为8.56%时,孔深相对高差50%在450 um以内;当含水率为13.7%时,砒砂岩的冻融孔深达到最大值,高差相差达610um,所占面积达41.5%。

关键词： 预应力混凝土   冻融循环   疲劳特性   耐久性   试验研究  

摘要： 从20世纪50年代至今,预应力混凝土结构逐步成为当今建筑以及交通领域主流的结构类型,其中预应力混凝土桥梁作为交通运输中的重要纽带,其结构耐久性备受各国学者关注。桥梁结构在正常服役期间,长期暴露在大气当中,在不断受到交通循环荷载作用的同时不可避免会遭受外界不利环境诸如碳化侵蚀、氯离子侵蚀和冻融侵蚀等因素影响。其中冻融循环作用已被证实为影响桥梁结构耐久性的重要因素之一,正因为预应力混凝土桥梁结构在交通运输系统中发挥着核心枢纽的作用,所以研究冻融作用下预应力混凝土结构的耐久性劣化机理及其对结构疲劳特性的影响具有重要的理论价值和工程意义,同时也是正确评价服役桥梁健康状况和剩余寿命的前提。本文在预应力混凝土梁冻融循环侵蚀试验的基础上开展疲劳循环加载试验,并辅以数值模拟计算,研究并分析冻融循环作用下预应力混凝土梁的疲劳特性变化规律及其相关关系。本文主要研究内容如下:1、冻融循环作用下预应力混凝土梁动静力学性能试验研究根据相关混凝土耐久性试验规范,提出了一种针对大型混凝土构件进行冻融试验的方法,开展预应力混凝土梁和混凝土立方体试件冻融循环试验。通过经受不同次数(0、50、75、100次)冻融循环作用试件表观现象、抗压强度和动弹性模量等试验结果,分析研究冻融循环以及冻融次数对混凝土材料力学性能的影响;对经受不同冻融循环次数的预应力混凝土梁进行动静载试验,基于对试验梁动静载作用下结构的位移和应变等,研究冻融循环作用下预应力混凝土梁动静力学性能变化情况。2、不同冻融循环次数下预应力混凝土梁疲劳性能试验研究对经受不同冻融循环次数的预应力混凝土梁进行周期为50万次的疲劳试验,每做50万次疲劳加载试验,进行一次试验梁动静载试验,研究疲劳循环加载作用下结构耐久性、力学性能指标(挠度、应变、结构基频和动态位移)变化规律,建立冻融循环作用下预应力混凝土试验梁疲劳寿命预估公式。3、不同冻融循环次数下预应力混凝土梁受力特性数值模拟分析基于静力试验和结论,利用迈达斯公司Midas FEA软件建立试验梁数值模型,分析不同冻融循环作用下预应力混凝土梁的受力性能及变化规律,分别从冻融循环侵蚀后试验梁线性静力性能变化和非线性裂缝开展上,表征不同冻融循环次数下试验梁受力变化规律,并与试验结果做对比验证,提出一种研究冻融循环作用下预应力混凝土梁力学特性的数值分析方法。

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。