关键词： 冻融循环   氯离子侵蚀   耦合作用   活性粉末混凝土   毛细吸入特性   氯离子扩散系数   再水化  

摘要： 多因素耦合作用下混凝土结构耐久性失效问题越来越严重,活性粉末混凝土作为一种水泥基复合材料,具有超高的力学性能和优异的耐久性能,适用于恶劣环境下混凝土结构的主体或防护材料。本文针对氯盐冻融循环与侵蚀耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性展开了研究,分别通过氯离子侵蚀单因素作用试验、氯盐冻融循环与侵蚀耦合作用(以下简称耦合作用)试验、毛细吸入试验、氯离子含量测定试验、水中再水化试验等,测定了耦合作用下活性粉末混凝土性能指标变化规律,进行了耦合作用下寿命预测,分析了耦合作用下活性粉末混凝土劣化机理。论文首先研究了活性粉末混凝土在氯离子侵蚀以及耦合作用下物理和力学性能的变化规律。耦合循环过程中,质量损失率随着耦合循环次数的增加略微增大,相对动弹性模量几乎不变,抗压强度的变化分为三个阶段:初始快速下降段-稳定段-加速下降段;自然浸泡过程中,抗压强度随着自然浸泡时间的增加呈现降低的趋势,可能是再水化的影响。采用质量损失率来评价耦合作用下活性粉末混凝土的耐久性是不科学的,且相对动弹性模量不宜单独用作评价活性粉末混凝土耐久性的指标。基于自然浸泡以及耦合循环后试样内氯离子含量测定结果,提出考虑冻融损伤影响的氯离子扩散系数计算方法,氯离子扩散系数随着耦合循环次数的增加先减小后增大;分别考虑冻融损伤破坏、氯离子侵蚀破坏、耦合作用破坏三种情况建立寿命预测模型。在此基础上,基于元胞自动机模型对自然浸泡、冻融循环条件下氯离子扩散进行模拟,可为复杂环境下侵蚀介质扩散模拟提供参考。通过活性粉末混凝土毛细吸入试验,考虑钢纤维掺量、溶液浓度等因素对溶液吸入量和毛细吸液系数的影响,分析了自然浸泡和耦合作用后活性粉末混凝土的毛细吸入特性变化。结果表明:活性粉末混凝土的溶液吸入量随着时间的增加前期增长较快,后期增长缓慢,溶液吸入量在15～180 min和180-540 min两阶段均与t1/2成正比;浸泡720d溶液吸入量略大于未浸泡试件,耦合作用后溶液吸入量显著降低,可能是再水化的影响。通过水中再水化试验,分析再水化作用对活性粉末混凝土性能的影响,自然浸泡以及耦合作用过程中发生了再水化反应,有絮状、片状、针棒状、无定型产物以及钙矾石类侵蚀产物生成;再水化作用可以对致密的混凝土结构造成损伤,也会在一定程度上修复损伤。在水泥基水化模型的基础上提出新的再水化模型,模型模拟值与试验值吻合良好,可以为后续再水化模型的研究提供参考。在此基础上,根据Gibbs-Thomson方程,分析孔径以及NaCl浓度对孔隙结冰温度的影响;测定NaCl浓度和温度对体积结冰膨胀率的影响。根据上述结果,分析耦合作用下活性粉末混凝土性能变化的原因。活性粉末混凝土内部结构致密是其在氯盐冻融循环与侵蚀耦合作用下具有良好耐久性的主要原因。

关键词： 预应力混凝土   冻融循环   预应力变化曲线   预应力损失  

摘要： 对于预应力混凝土结构而言,冻融循环将影响预应力混凝土的预应力大小,造成预应力损失,预应力损失是结构抗裂性能和刚度不可忽视的影响因素,过多的预应力损失,不但使结构自身的预应力减少,同时也降低构件的抗裂能力,降低构件的刚度,而且可能导致预应力的失败,进一步对结构极限承载能力与抗裂性都有着影响,对混凝土结构自身的耐久性是一个不能忽视的影响因素。本文围绕预应力损失与预应力钢绞线强度等级的关系,进行了以下三个方面的研究:(1)理论分析:本文介绍了预应力混凝土结构试件在实验室常温状态下预应力损失的影响因素并进行了计算及分析;并且在冻融循环条件下,预应力混凝土构件内部所产生的应力变化进行了理论分析与推测;同时探讨在相同的外界条件下,预应力损失随着冻融次数的增加的变化规律,在相同的冻融循环次数下,预应力损失随着外界冻融环境恶劣程度的增加所产生的影响。(2)试验分析:本次试验采取了正常状态和冻融循环状态两种试验环境,分别测定各试验构件经过120次反复冻融作用之后的预应力值,并根据实验结果描述出各种强度的预应力钢绞线引起的预应力损失曲线,对不同条件下的预应力损失值进行对比、分析。(3)利用ABAQUS软件进行模拟,对不同强度等级的预应力钢绞线在冻融循环作用下所产生的预应力损失进行分析,绘制出不同强度等级的预应力钢绞线预应力值对比表和对比曲线,通过对比不同强度等级下的预应力值得出预应力钢绞线强度与冻融循环下的预应力损失之间的关系。研究结果表明:在相同的环境下,随着冻融次数的增加,预应力的损失越来越大;在相同的冻融次数下,随着外界冻融环境恶劣程度的增加,预应力的损失越来越大;随着预应力钢筋强度等级的增加,预应力的损失越来越小。

关键词： CFRP   冻融循环   高强混凝土   有限元模型   cohesive单元   耐久性  

摘要： 在北方沿海地区,冻融循环作用是对混凝土结构耐久性最大的威胁之一。近些年来,高强混凝土凭借其强度高、耐腐蚀性好的特点,也得到了十分广泛的应用。但是由于设计和施工技术等原因,许多凝土结构面临着加固补强问题,如何在混凝土结构出现问题时采取经济、有效的补救手段就显得十分重要。因此,高强混凝土结构的加固以及补强技术成为了土木工程领域的重要课题。CFRP(碳纤维增强聚合物)具有强度高、密度小、耐腐蚀性好、价格低廉、易施工操作等特点,在混凝土结构加固补强领域应用十分广泛。鉴于以上的应用背景,本文依托国家自然科学基金项目“复杂海洋环境下持载作用的FRP加固高强混凝土耐久性研究”(51378090),通过CFRP-高强混凝土在冻融循环作用下的双面剪切试验,以及两种有限元数值模型,研究了其界面性能在冻融循环作用下的变化,具体研究内容和主要结论如下：首先采用快速冻融法对CFRP-高强混凝土的界面抗冻性能进行试验研究。试验结果表明冻融循环作用会降低界面的极限承载力、界面能以及局部最大剪应力值,且降低速度随着冻融循环次数增加而有所加快；冻融循环作用使界面脆性增加；界面破坏形态均为混凝土表层剥离破坏,且随着冻融次数增加逐渐向混凝土基体发展。然后根据试验测得的界面参数,建立了基于界面试验参数的cohesive有限元数值模型,同试验结果进行对比和补充讨论。发现cohesive有限元数值模型计算结果与试验结果有着相当的吻合性,随着冻融循环次数的增加,极限加载端部位移降低,混凝土受影响深度加深。最后建立了基于混凝土塑性损伤模型的有限元数值模型,并比较了两种具体建模方法的适用性。通过对混凝土的塑性损伤本构模型进行调整来模拟冻融循环造成的影响。模拟结果发现,冻融循环使界面有效粘结长度小幅增加、混凝土损伤深度加深、极限端部位移降低。该数值模型与CFRP-高强混凝土试验结果具有较好的吻合性,适合作为CFRP-.高强混凝土界面性能以及其在冻融循环作用下的预测模型。

关键词： 冻融作用   无机磷形态   冻融循环次数   含水率   有效磷背景值  

摘要： 东北黑土区平均日、年温差较大,春季解冻期冻融交替频繁持续时间较长,该时期冻融作用对土壤磷素转化、迁移和流失有较大影响。磷素是作物生长所需要的重要微量元素,同时也决定着土壤生产力。无机磷是土壤磷素主要组成部分,无机磷各形态含量是土壤有效磷含量多少的决定性因素。冻融作用是影响无机磷赋存与转化重要因素之一,对土壤磷素的有效性及其含量有着直接或间接的影响。磷肥施入土壤后发生了系列的物理化学过程进而影响其对作物的有效性,本试验采用室内模拟春季解冻期冻融环境,以东北黑土为研究对象,研究冻融循环次数(FTC)、土壤含水率(W)和土壤有效磷背景值(APb)对铝磷(A1-P)、铁磷(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和钙磷(Ca-P)含量的影响,根据上述研究得出无机磷形态在三种因素条件下的变化规律以及与有效磷Olsen-P的线性关系,得出作物生长的磷肥需求量及所需的最适土壤含水量,以及土壤磷素状况以及潜在的环境风险。取得的主要结论如下：(1)冻融循环次数(FTC)对四种无机磷形态的影响冻融循环过程中,0～5次循环无机磷各形态含量变化较为剧烈,随着循环次数增加,其含量变化逐渐趋于平缓,且相邻冻融循环处理之间各形态大部分都达到显著性差异。方差分析得出,冻融循环次数对无机磷各形态绝对含量增量的影响占主导地位。(2)土壤含水率(W)对四种无机磷形态的影响冻融循环过程中,四种无机磷形态含水率为40%、50%和60%时变化规律较为相近。含水率为40%时冻融前后绝对含量差值变化最大,Al-P、 Fe-P和Ca-P分别为6.88 mg·kg-1、8.18 mg·kg-1和7.5 mg·kg-1,含水率为30%时,闭蓄态磷O-P绝对含量差值变化最大,为36.3 mg·kg-1。方差分析得出,在整个冻融循环过程中,含水率除对闭蓄态磷O-P没有达到显著影响外,对其他三种无机磷形态都达显著性影响。(3)土壤有效磷背景值(APb)对四种无机磷形态的影响冻融循环过程中,增加有效磷背景值会直接增加四种无机磷形态绝对含量,冻融循环后无机磷各形态绝对含量大小为O-P>Fe-P>Al-P>Ca-P。有效磷背景值在40 mg·kg-1～100 mg·kg-1区间规律性明显,在80 mg·kg-1时冻融前后含量差值变化最大Al-P、Fe-P、O-P和Ca-P分别为9.37 mg·kg-1、5.44 mg·kg-1、60.77 mg·kg-1和7.44 ***-1。方差分析得出有效磷背景值对无机磷各形态绝对含量的影响占主导地位。(4)无机磷各形态有效性四种无机磷形态的含量与有效磷的含量进行相关分析得出无机磷各形态有效性大小为Al-P>Fe-P>Ca-P>O-P;在相关分析的基础上结合通径分析得出,Al-P和Fe-P为有效磷源,并且直接影响有效磷含量；闭蓄态磷O-P和Ca-P通过Al-P间接影响有效磷含量。Olsen-P (Y)与有效磷源Al-P (X1)、Fe-P(X2)得出的线性关系为：Y= (0.021X2+0.228) X1-(0.028X2-0.149) X2-(0.104X2-3.486X+36.994)。

关键词： 低矮剪力墙   抗震性能   恢复力模型   冻融循环   混凝土强度   轴压比  

摘要： 我国剪力墙结构形式的大量应用始于上世纪70年代末,民用建筑中的高层建筑以及工业建筑中的蓄水池等多采用剪力墙结构。对于时常蓄水、接触地下水和雨水以及受到蒸汽作用的剪力墙结构,随着时间的推移,其抗冻耐久性退化现象已逐渐显现。目前,冻融循环后混凝土性能的研究大都基于材性层面,仅依靠混凝土材料力学性能的研究成果,难以准确地预测冻融循环后混凝土结构或构件的抗震性能退化规律。因此,研究冻融循环后混凝土结构或构件的抗震性能退化规律显得尤为重要。主要研究内容如下:(1)设计制作剪跨比为1.14共计8个低矮RC剪力墙试件,采用气候模拟实验室对低矮RC剪力墙试件进行了0次、100次、200次和300次的冻融循环试验,分析了冻融循环后混凝土抗压强度和相对动弹性模量的变化规律。(2)以冻融循环次数、混凝土抗压强度和轴压比为变化参数,对上述8个低矮RC剪力墙试件进行拟静力试验。基于试验描述了各试件的破坏过程与特征,并从抗剪承载力、延性系数、塑性转角、弯-剪变形、强度衰减、刚度退化和累积滞回耗能等方面,分析了冻融循环次数、混凝土抗压强度和轴压比对冻融循环后低矮RC剪力墙抗震性能的影响。(3)基于拟静力试验研究,将低矮RC剪力墙的骨架曲线简化为无下降段的三折线模型,确定了冻融循环后低矮RC剪力墙骨架曲线各特征点的计算方法,建立了考虑冻融损伤作用的低矮RC剪力墙恢复力模型,并从滞回曲线形状和累积滞回耗能两个方面,对恢复力模型进行了验证,结果吻合良好。

关键词： 混凝土   硫酸盐侵蚀   冻融循环   耦合作用   损伤  

摘要： 我国北方地区的地下水、土壤中含有大量的硫酸盐,混凝土工程遭受硫酸盐侵蚀的现象普遍,而寒冷地区的混凝土工程还常常遭受冻融破坏。混凝土结构在硫酸盐与冻融耦合作用时,由于两种作用的交互效应,会使混凝土的损伤加重。考虑到所处环境的复杂性,开展硫酸盐与冻融耦合作用下的研究为混凝土的发展提供指导性建议。试验分析了混凝土在硫酸钠与冻融耦合作用下的劣化规律,选取不同的因素及水平,即Na2S04浓度(0%、5%、10%)、粉煤灰掺量(10%、15%、25%)、硅灰掺量(5%、8%、11%)、含气量(3.5%、5.5%、7%)、水胶比(0.38、0.33),分析各因素及水平对混凝土试件造成的影响,结合微观试验研究混凝土的劣化损伤机理。主要研究内容和结果如下：(1)对不同配合比的混凝土试件进行28d抗压强度试验。结果表明,水胶比相同的情况下,粉煤灰试件的28d抗压强度较未掺的低；大掺量硅灰可以提高试件的28d抗压强度；掺加引气剂试件的28d抗压强度下降显著。(2)干湿循环试验的结果表明,粉煤灰和硅灰试件的抗硫酸盐侵蚀能力有所提升,引气试件的抗硫酸盐侵蚀能力降低；水胶比为0.33的抗硫酸盐侵蚀性能好于水胶比为0.38的。(3)采用快冻法研究了不同配合比的混凝土试件在水中和5%、10%浓度Na2S04中的抗盐冻性。研究得出,不同浓度的硫酸钠对试件造成的损伤程度也各不相同；掺加粉煤灰、硅灰、引气剂对试件的抗盐冻性有所改善；水胶比为0.33的抗盐冻性能好于水胶比为0.38的。(4)通过SEM分析硫酸钠侵蚀产物的生长变化。

关键词： 冻融循环   预应力   预应力加载设备   抗冻应力阈值   预应力锚索  

摘要： 冻融侵害是寒区岩石工程面临的重要威胁之一,影响岩石冻融的因素有很多,国内外的学者对此已经进行了数十年的研究,也取得了丰富的成果。然而,过去的冻融试验研究几乎都是针对自由岩石展开的（自由是指没有受到外荷载作用）,没有考虑自然环境下岩体中实际存在的应力。为了探究应力的存在对岩石冻融的影响,本文开展了室内预应力冻融耦合作用下砂岩的劣化试验研究,预应力冻融耦合是指岩石在经受冻融作用的同时受到一个预加应力的作用。通过跟踪研究冻融前后岩石的一些宏观物理量变化规律,以及强度变化规律,并基于假定条件下的孔隙壁应力分析,揭示了应力对岩石冻融的影响机制,接着以此为基础,修正了寒区工程岩体质量评价体系,并提出了使用预应力锚索（锚杆）进行寒区工程冻害防治的新思想。概括说来,主要做了以下研究工作:1)设计制造一套预应力加载设备,为试件施加上预定的压力。此设备同时具备以下几个关键的功能:1、提供准确的高强压力;2、长时间保持压力稳定;3、能适应冻融的严酷环境;4、压力大小能实时读取;5、小巧易用,与冻融设备兼容。2)开展了饱和砂岩在5个预应力级别（0MPa,0.75MPa,1.6MPa,3MPa,5MPa）下的冻融循环试验,冻融循环分3批次进行（20次,40次,60次）。在冻融前后测量试件的干质量、饱和质量、高度、直径和纵波波速,研究在不同预应力作用下的岩石在经历不同次数冻融循环后的质量损失,膨胀情况,孔隙率增长以及波速变化等规律,这些宏观指标变化可以反应岩石的冻融劣化程度。3)对各个预应力级别和各个冻融批次的岩石试样进行单轴压缩试验,研究在不同预应力作用下的岩石在经历不同次数冻融循环后的强度、变形特征,并研究岩石的抗冻系数随预应力大小的变化规律;为了考察试件纵向的强度特征,对各个预应力作用下经历40次冻融循环后的岩石进行了劈裂试验;另外,为了验证岩石在三向应力状态下的强度特征与单轴压缩结果是否一致,选择0MPa和3MPa两个预应力作用下经历60次冻融循环后的岩石进行了三轴压缩试验,围压分5级:0、5、10、15、20MPa,对比了Mohr-Coulomb和Hoek-Brown准则的拟合结果。4)结合试验结果,基于孔隙为圆形通道和材料为弹性均质体的假定,进行了孔隙壁上的应力分析,给出了预应力和冻胀力共同作用下孔隙壁的破坏条件,进而揭示了预应力对岩石冻融的影响机制。5)提出了抗冻应力阈值的概念,指出当施加在岩石上的预应力达到该阈值后,岩石冻融损伤会停止;并基于对预应力-抗冻系数关系的研究,对TSMR体系中的冻融系数进行了调整,从而提出了考虑应力状态对岩石冻融作用影响的寒区岩体质量评价体系YTSMR;最后,探索性的提出了使用预应力锚索（锚杆）进行寒区工程冻害防治的新思想,这突破了过去一直依靠防水、保温的冻害防治固定思维,也许能找到寒区工程冻害防治的新技术。

关键词： 自密实混凝土   冻融循环次数   力学性能  

摘要： 自密实混凝土是一种绿色、高性能混凝土,其优良的工作性能使其在混凝土工程中具有越来越重要的位置,也是今后混凝土技术的发展方向之一。随着自密实混凝土相关研究的深入,其耐久性问题也成为了研究者们关注的热点。其中,冻融是影响混凝土耐久性的关键因素之一。新疆地处祖国西北部,在建筑热工分区中,有严寒、寒冷气候区,温差较大且正负温、干湿交替频繁,因此,在新疆地区研究冻融对自密实混凝土耐久性的影响有着重要的工程意义。本文利用新疆本地原材料配制强度等级C30的自密实混凝土和普通混凝土,进行了试块快速冻融试验研究;同时,对采用两种混凝土浇筑的简支梁进行了不同次数冻融循环后的受弯力学性能试验研究。通过试验,对比分析了自密实混凝土与普通混凝土不同次数冻融循环后相对动弹性模量损失、质量损失及含水率,得到了各指标与冻融循环次数之间的关系,分析了自密实混凝土与普通混凝土抗冻性能的差异;通过试验,分析了自密实混凝土冻融循环后立方体抗压强度、棱柱体轴心抗压强度及劈裂抗拉强度,得到其与冻融循环次数之间的关系以及自密实混凝土与普通混凝土冻融后基本力学性能的差异;在试验数据的基础上,分析了自密实混凝土简支梁冻融循环后平截面假定、纵向钢筋应变、开裂荷载、屈服荷载、极限荷载以及短期刚度等性能,得到了其与冻融循环次数之间的变化规律以及自密实混凝土与普通混凝土简支梁冻融后受弯性能的差异。

关键词： 混凝土单轴受压性能   冻融循环   碳化   应力-应变曲线   细观结构  

摘要： 混凝土结构是我国基础建设中的主导结构,普遍应用于很多领域。随着时代的发展,混凝土结构的服役环境越来越复杂,影响混凝土耐久性的破坏作用也越来越复杂,其中,混凝土的冻融破坏和碳化最为常见。目前,对混凝土耐久性方面的研究,相关的劣化机理、理论模型、检测方法甚至预防、改善、修补方法等均停留在单一因素的作用层面内,而实际工程是在荷载、环境多重破坏因素作用下损伤劣化的。因此,研究冻融循环及碳化作用下混凝土的力学性能,对充分发挥混凝土材料强度、提高设计水平有十分重要的工程意义。本文作为国家自然科学基金项目《冻融循环作用下混凝土及预应力混凝土结构的受力性能研究》(50978224)的后续部分,展开了对冻融循环及碳化作用下混凝土单轴受压性能的试验研究,主要工作内容如下：1、开展冻融循环试验及碳化试验,为后续的力学性能试验做好准备工作。在冻融循环试验中,从相对动弹性模量、质量损失、表面破损程度三个方面来评价混凝土的抗冻性。在碳化试验中,通过喷洒指示剂确定混凝土试件是否完全碳化。2、开展冻融循环及碳化作用下混凝土立方体试件抗压强度试验。试验表明：冻融组的混凝土立方体试件抗压强度随冻融循环次数的增加呈线性趋势不断降低,而冻融碳化组呈非线性趋势下降；此外,尺寸换算系数随冻融循环次数的增加呈线性趋势下降。3、采用碟簧耗能装置对冻融循环及碳化作用下的混凝土棱柱体试件进行单轴受压性能试验。试验表明：受压峰值应力随冻融循环次数的增加呈线性趋势不断降低,标准尺寸试件降低得更快；受压峰值应变及受压极限应变随冻融循环次数的增加呈指数形式不断增长,冻融碳化组试件的增长趋势较缓；尺寸换算系数随冻融循环次数的增加呈线性趋势下降。试验发现,冻融组的混凝土棱柱体单轴受压应力-应变曲线在加载初期有一个下凹段,而冻融碳化组的下凹段并不明显。采用分段式模型拟合冻融组及冻融碳化组的单轴受压应力-应变曲线,拟合效果较好。4、开展混凝土细观结构试验。采用RapidAir 457型硬化混凝土气孔结构分析仪检测混凝土试样,将含气量、气泡间距等特征参数作为评估混凝土抗冻性的依据；采用金相显微镜在试验中连续观测具有代表性的孔隙。细观结构试验结果与宏观试验结果相符。

关键词： 罗布泊   开放系统   冻融循环   土体温度   盐冻胀  

摘要： 选取罗布泊地区亚硫酸盐渍土在开放系统中进行多次冻融循环试验,研究罗布泊地区亚硫酸盐渍土温度变化规律,盐冻胀特性。结果表明:罗布泊地区亚硫酸盐渍土的温度变化随时间呈抛物线型,同一深度的土体降温速率与升温速率相接近。在前六次冻融循环中,盐冻胀量与盐冻胀平均速度逐渐增大,且盐胀量具有较好累加性。并在第六次冻融循环时盐冻胀量达到最大值。土体在第七次冻融循环时盐冻胀量小于回落量,盐冻胀趋于稳定。