关键词： 改良黄土   冻融循环   强度特性  

摘要： 我国黄土面积分布很广的西北、华北地区是典型的季节性冻土地区,这些地区的路基很容易产生冬季冻胀,春季翻浆冒泥等路基病害。工程中,通常采用掺入水泥、石灰和粉煤灰等无机结合料来加固黄土。本文主要对水泥、石灰、粉煤灰改良黄土的强度特性进行室内冻融循环试验研究,试验结果表明各种改良黄土经过几次冻融循环后强度都有所损失,故建议对改良土路基辅助采用以下几种方法来减轻冻融循环所导致强度的降低和损失:1)对于给定的无机结合料掺量,各组成材料混合后应尽可能压密;2)采取保温措施,减少负温总量;3)改良黄土应避免高含水量情形,可在路基中采用软式透水管整治冻害;4)最好对改良黄土掺加某些外加剂。如:在水泥改良黄土中掺入新型高分子材料SH从而提高其抗冻融能力。

关键词： 疲劳荷载   冻融循环   混凝土损伤   劣化过程   耦合作用  

摘要： 在实际的服役环境下，任何一种混凝土材料和结构都是在承受外荷载作用的同时经历着多种环境作用。各种因素之间也并非相互独立，而是相互联系、相互影响、相互促进或抑制，具有一定的交互，耦合作用。这种耦合效应的存在，就加速与加剧了混凝土的损伤与劣化，使得按照传统耐久性研究结果设计的混凝土工程存在一定的安全隐患，这是很多混凝土程在设计使用年限以内就退出服役的原因。尤其是我国因地大物博，东西南北中不同地区环境条件各异，并具有多变性、复杂性，其服役寿命绝非仅靠单一因素的模拟而得到的损伤劣化规律所能确定。在诸多损伤因素的同时作用下，环境因素会通过外力荷载在混凝土材料内引入的微裂纹来加速混凝土的损伤，这种作用持续破坏混凝土材料的微结构又导致其强度，刚度等力学性能的降低。如此反复循环加剧了材料的破坏和结构的失效。由于疲劳荷载和环境因素作用之间存在较大的时间周期差，试验装置难以实现等原因导致关于循环动荷载与环境因素同时作用下的混凝土损伤劣化研究还很少。使得严寒地区桥梁、高铁等在动荷载和冻融循环同时作用下的损伤劣化过程不得而知。\n 本文针对严寒地区路桥等现代混凝土的实际服役环境，利用一系列现代的实时无损监测技术对高周疲劳荷载和冻融循环单独作用及同时作用下混凝土材料的损伤劣化规律与机理进行了初步探索研究。从冻融循环对疲劳损伤以及疲劳荷载对冻融损伤的影响两个角度，分析了两种因素的耦合作用。以主裂纹形成对局部渗透性的影响为桥接，结合HYDRUS-2D和ABAQUS粘结单元两个有限元程序，建立了疲劳损伤-冻融损伤相互传递的模型，并以此探讨了冻融损伤与疲劳损伤在混凝土损伤过程中的耦合作用。\n 首先，以京沪高铁箱梁混凝土材料为研究对象，测试了其在单一疲劳荷载作用下的变形、疲劳寿命等宏观性能。并利用声发射技术对疲劳损伤全过程进行监测，以初步揭示其损伤机理。此外，还测试了低温下的混凝土疲劳性能，并从材料力学和损伤力学角度探寻了温度和疲劳作用的相互关系，得到了需要考虑温度和疲劳耦合作用的临界条件。测试结果发现，疲劳变形呈现典型的三阶段规律，同时受到应力水平的影响。疲劳应力水平和疲劳寿命基本满足对数线性关系。声发射对损伤过程的监测表明：不同幅值范围事件数的出现与损伤源有关，并且疲劳荷载导致了损伤局部化。频谱分析表明浆体、界面、集料等不同损伤源的特征。这些工作为疲劳和冻融循环耦合作用的研究奠定了基础。\n 对温度与疲劳耦合损伤系数fD(N)的计算表明，随温度的逐渐稳定，fD(N)逐渐减小，当其减小到1时，疲劳荷载和温度作用之间已不存在耦合作用，试样内已达到均匀的温度场。当按照冻融循环温度变化时，fD(N)与温度的变化规律相反。采用外推法可以得到需要考虑损伤耦合作用fD(N)>1的临界条件。当应力水平大于0.75时，单独疲劳作用下的寿命和疲劳、温度同时作用下的寿命相当。当应力水平低于0.75时，两种因素作用下的平均疲劳寿命比单独疲劳作用下的寿命低5～20％。此外，同时作用下的疲劳寿命不再和应力水平满足对数线性关系。\n 利用声发射对7组不同饱水度砂浆试件的冻融循环损伤过程进行了监测。通过声发射主动模式实时得到了相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律。结果表明，冻融损伤与试件的饱水度密切相关，并根据相对动弹性模量的变化率确定了本试验条件下引发冻融损伤的临界饱水度为88％，且该值与试件的含气量无关。结合被动模式的声发射参数探寻了冻融损伤机理；能量、幅值、持续时间等也从不同角度揭示了临界饱水度的存在，及本试验条件下孔隙水首冻温度为-8℃。对声发射信号的频谱分析结果表明，事件的两个主要峰值频率为100KHz和350KHz，分别与界面和浆体开裂有关。通过数据拟合得到了冻融损伤与循环次数、试件饱水度的疲劳效应关系式。\n 测试了试件的毛细吸水性能，揭示了初始含水量和含气量对试件达到临界饱水度时间的影响。引气剂可以延缓吸水速率，延长达到临界饱水度的时间。等热解吸曲线表明，引气剂引入的气孔尺寸比毛细孔大得多，达到临界饱水度时，部分气孔已被水所填充。气孔的饱和需要相对更长的时间，因此，引气剂混凝土冻融性能的影响主要是体现在冻融损伤还未发生前，通过延缓混凝土材料的吸水速率来延长其达到临界饱水度的时间，进而延缓冻融损伤引发的时间。然而，一旦冻融损伤引发，引气剂对冻融破坏的形式已没有太大影响。此外，试件的初始相对湿度对吸水性有明显影响。初始相对湿度低的试件内由于更多小孔产生更大的毛细吸附力，造成更大的吸水率。\n 其次，建立了冻融循环和疲劳荷载作用的耦合试验制度，利用带环境箱的MTS对混凝土在疲劳荷载和(闭合)冻融循环同时作用下的力学行为及内部物理环境进行了测试。-25℃下试件的疲劳应变表明，冰在孔隙内的形成带来的两方面作用：一方面填充孔隙，增强了材料多孔

关键词： 粉煤灰混凝土   冻融循环   碳化   图像处理  

摘要： 研究不同粉煤灰掺量(0%、20%、40%、60%)下高性能混凝土经快速冻融试验后的碳化现象;定义冻融循环作用下混凝土碳化判定新准则;采用图像处理技术定量分析不同粉煤灰掺量、不同冻融破坏程度对碳化的影响规律。试验表明:经冻融破坏后混凝土碳化现象和传统碳化现象有所不同,碳化深度测试法已不能表征其新特征,而碳化面积法能较好阐述混凝土冻融破坏后的碳化规律;冻融破坏后的碳化面积与粉煤灰掺量呈二次抛物线关系;碳化面积与冻融破坏程度服呈线性相关;混凝土冻融循环作用下的碳化研究对冻融地区混凝土结构耐久性和寿命预测具有现实意义。

关键词： 土力学   剥落病害   冻融循环   黄土边坡   机制  

摘要： 冻融循环作用导致洛川黄土边坡剥落病害的发生。作为对比,在洛川剥落边坡及铜川未剥落边坡分别采样,模拟自然坡面冻融过程,在开放不补水条件下,开展冻融循环试验,测定在冻融循环作用下土样表面的变化特征及土样高度、干密度、含水率、黏聚力及内摩擦角的变化情况。试验结果表明:洛川土样在初始几次冻融过程中,土样体积稍有增大,含水率变化较大,冻结过程中冰晶冻胀力破坏土体结构,融化时结构不可恢复,反复冻融导致土体强度弱化。冻融循环10次左右后,土体物理力学状态趋于稳定。融化时,在水的软化作用和冰的促化效应下,沿着水冰交界面易产生剥落病害;铜川土样在冻结过程中,在冻结缘处产生负孔隙水压力,土体密度增大,体积减小,强度增大;融化时,有效应力减小,总应力不变,融沉量大于冻胀量,土体黏聚力略有增强,不易产生剥落。

关键词： 冻土路基   橡胶颗粒   粉煤灰土   力学特性   数值模拟  

摘要： 随着国家经济的快速发展，道路交通的作用愈来愈凸显其重要性，其对国民经济的影响力也越来越大。我国季节性冻土分布广泛，其区域遍及长江以北10余省市，占全国总面积的53.5%，季节性冻土区的道路损害多由冻胀和翻浆引起，路基的冻胀和翻浆造成了其力学性能指标的降低。提高季节性冻土区路基的稳定性、增强抗冻融特性，降低冻害现象，对保证季冻区道路的长期安全运营具有重要应用价值。 本文针对季节冻土地区的道路冻害问题，依托国家高技术研究发展计划（863计划）项目《季节冻土区路基抗冻融稳定控制技术研究》，以国道G102线扩建为工程依托，开展了冻融循环下橡胶颗粒改良粉煤灰土的理论与应用研究，本文的研究工作体现在以下几方面： 1.在已有的研究结果基础上，对橡胶颗粒改良粉煤灰土的静力特性进行了研究，通过无侧限抗压强度试验、抗冻性试验以及保温性试验，提出了2%橡胶颗粒含量的粉煤灰土（1：2）混合料作为季节性冻土区路基冷阻层材料，室内试验证明了橡胶颗粒改良粉煤灰土抗压强度高、冻胀量小和保温性好的特性。 2.运用动三轴试验手段对橡胶颗粒改良粉煤灰土与纯粉煤灰土的动力参数进行了对比研究，分析了在不同围压下两种材料的动强度、动模量的变化规律，得出在一围压下，橡胶颗粒改良粉煤灰土和粉煤灰土的动强度与破坏周数成反比，破坏周数相同，动强度与围压成正比，橡胶颗粒改良粉煤灰土的初始切线模量低于粉煤灰土的初始切线模量，平均动模量大于未改良前的结论。 3.利用课题组研制的路基材料力学参数测试试验机，开展了橡胶颗粒改良粉煤灰土混合料的冻融试验研究，在动荷载作用下，分析了材料在冻融过程中力学特性的演化过程，得出了混合料的力学指标随正负温度变化规律，以及与冻融循环次数的关系。通过监测材料内部温度的变化，得出了在外环境温度变化下混合料内温与应力、应变的演化过程。对监测的应力、应变数据分析，得出了动应力随着温度的下降而随之降低，当温度在正负方向进行转变时，动应力有一个突然减小的变化。冻融循环前四次的动应力略有下降，但下降的幅值较小，冻融循环5～8的动应力趋于稳定。动应变随着温度的降低而下降，动应变在前四次冻融循环时的应变值随着冻融循环次数的增加逐渐减小，但从第五次冻融循环开始动应变变化较小，趋于稳定。每次循环的动模量始终维持在一个比较稳定的值附近；当温度减小到一定程度时，动模量将不再发生改变；相同冻融循环，不同温度下，橡胶颗粒改良粉煤灰土的动模量随着温度的增加而增加，但增加值很小；相同温度，不同冻融循环下，橡胶颗粒改良粉煤灰土的动模量经过3～8次冻融循环动模量变化稳定。 4.为了进一步验证橡胶颗粒改良后粉煤灰土的路用性能，探索其在季节冻土区道路建设中推广应用，以国道G102线提高公路等级的工程为依托，在G102线上建立1公里实验路。铺设三种不同路基填料的试验路段，在道路中心处，三种路基填料层的上、下表面分别埋设了温度传感器，在不同温度时期监测了三种路基填料上、下表面的温度数据，分析得出橡胶颗粒改良后的粉煤灰土具有热传导性低，保温性能好的特性。 5.采有限元热分析理论，对冬季时期粉煤灰土、橡胶颗粒改良粉煤灰土及粉质粘土三种材料的路基温度场进行了有限元分析，建立了带有冷阻层的路基三维有限元模型，监测了三种路基填料的最大冻深、温度梯度等冻结参数，分析得出采用橡胶颗粒改良粉煤灰土的冷阻层底面温度最高，冷阻层的道路冻深最小，其温度梯度最大，采用粉质粘土冷阻层的道路冻深最大，温度梯度最小。同时分析确定了采用橡胶颗粒改良粉煤灰土的最小填筑厚度，此厚度确保在该路基填料下方的路基处于正温状态。

关键词： 高速铁路   冻土   动荷载   CFG桩复合地基   路基沉降  

摘要： 高速铁路网在国内即将全面展开，大量的高速铁路路基面临季节冻土所带来的冻胀与融沉的影响。季节性冻土地区的哈尔滨到大连的客运专线，是我国高速铁路网的重要组成部分，设计时速达350km/h，客运专线修建于季节性冻土区之上，动荷载作用下地基的冻胀、融沉变形是路基设计中所考虑的重要问题之一，而高速铁路对路基的沉降要求十分严格，要求其最终沉降量小于或等于15mm，对冻土高铁路基的加固也显得十分重要。对于冻土区的高铁路基的研究还处于起步阶段。因此，本文主要研究的内容如下： (1)综述冻土路基的处理现状和CFG桩的路基沉降理论； (2)对哈大高铁的土体进行动三轴试验和冻融循环试验，得出土体在冻融循环和动荷载作用下的沉降特性； (3)用有限元软件ADINA对哈大高铁路基进行三维模拟； (4)采用CFG桩来加固哈大高铁地基，用有限元软件ADINA进行二维模拟，具体通过改变褥垫层厚度、褥垫层模量、CFG桩长度、桩径、桩间距，得到CFG桩复合地基沉降特性，并得到适合哈大高铁路基的CFG桩参数； (5)通过得到的CFG桩参数对哈大高铁路基再次模拟，从而对高铁冻土路基的处理能够提供一定的指导作用。

关键词： 自密实混凝土   冻融循环   应力-应变曲线  

摘要： 一直以来，我国从事建筑行业的农民工数量庞大，但随着社会的发展，近两年来，建筑行业开始出现农民工荒，于此同时，我国积极倡导节能环保，减少碳排放。在这种情况之下，建筑行业应朝着减少人工、高效、环保的方向发展，而自密实混凝土是一种不需要振捣依靠自重就可以流动、密实地充满模板、包裹钢筋，并能保持不离析和均匀性的高性能混凝土。由于自密实混凝土不需要振捣、密实性好，能够改善混凝土的质量，大幅降低工人劳动强度，减少工人数量，减少噪音污染，节能环保，具有良好的综合效益。 导致混凝土结构性能变差的原因有很多，但随着环境不同，其主要影响因素不同。在寒冷地区，如何减小低温和冻融循环对混凝土结构的影响是在混凝土结构设计时必须考虑的问题。本文针对冻融循环使自密实混凝土（SCC）结构承载力降低、性能劣化等问题，分别从以下三个方面进行研究：冻融后自密实混凝土应力-应变曲线各基本力学参数的变化规律及与相对动弹性模量之间的关系，引气剂对自密实混凝土抗冻性能的影响，自密实混凝土和普通混凝土抗冻性能对比等方面进行细致研究，建立自密实混凝土随着冻融次数的增加而不断衰减的力学本构模型，为实现寒冷地区自密实混凝土结构的抗冻耐久性设计、工程施工提供理论依据，从而使自密实混凝土能够在寒冷地区更好的使用。 在自密实混凝土冻融循环作用后力学性能方面，采用快冻法，测定C50自密实混凝土经受0、50、100、150、200、250、300次冻融后的动弹性模量，建立自密实混凝土各基本力学参数与相对动弹性模量损失率之间的关系，根据实验数据对应力-应变曲线进行回归，分析曲线变化规律并给出公式，从而揭示力学性能变化机理。 在引气剂对自密实混凝土抗冻性能影响方面，通过测定相同强度、未加引气剂和加入引气剂的自密实混凝土的抗冻性能，验证了引气剂能够显著提高自密实混凝土的抗冻性能，同时发现未引气的自密实混凝土也能够达到F300的抗冻要求。 在自密实混凝土和普通混凝土抗冻性能对比方面，发现自密实混凝土的抗冻性能明显优于普通混凝土。

关键词： 寒区   冻融作用   粉质粘土   粘聚力   内摩擦角   BP神经网络  

摘要： 本研究以季节性冻土区具有典型冻胀特性的粉质粘土为研究对象，从冻结和冻融的角度出发，研究不同含水率、不同干密度的土体在不同冻结温度下冻结（融）后其物理力学性质的变化规律，并根据实验数据建立抗剪强度指标的多元线性回归分析模型和BP神经网络模型。其主要研究成果如下：土体冻融后其粘聚力减少，内摩擦角增大，随着冻结温度的降低，粘聚力增大，内摩擦角减少，随着含水率的增大，粘聚力和内摩擦角均减少，随着干密度的增大，粘聚力和内摩擦角均增大，随着冻融循环次数的增大，粘聚力降低，内摩擦角增大；土体冻结后其抗剪强度指标增加，粘聚力和内摩擦角与冻结温度和含水率成反比，与干密度成正比；BP模型能够更好地反映抗剪强度指标与干密度、含水率和冻结温度的内在非线性规律。

关键词： 钢筋混凝土柱   冻融循环   偏心受压   受力性能   试验研究  

摘要： 混凝土的抗冻性能是混凝土耐久性能中非常重要的方面,在很长一段时间里,国内外评价混凝土耐久性时常以混凝土的抗冻性作为主要标准或综合指标,甚至把抗冻性能试验直接称为耐久性试验。在实际结构工程中,极少有理想的轴心受压构件,即使是按轴心受压设计的构件,也会因偶然的横向荷载、支座条件不理想或施工制作的偏差等情况而出现截面弯距,因此,受压构件一般处于偏心受压状态。国内外学者对偏压构件在试验的基础上进行了大量研究工作,并己取得了足够的成果。而对冻融循环后偏压构件的研究还少。因此有必要对冻融循环作用下的偏压结构进行研究。 本文作为国家自然科学基金项目《冻融循环作用下砼及预应力砼结构的受力性能研究》(50978224)的一部分,在总结前人对混凝土材料冻融研究工作的基础上,选取了偏心受压柱作为研究对象,设计制作了30根柱构件,在构件进行有限次冻融循环后进行静载试验。通过试验来研究分析冻融循环次数对钢筋混凝土偏心受压柱受力性能的影响。本文主要工作如下： 1.对C40混凝土立方体(100mm×100mm×100mm)试块、棱柱体(100mm×100mm×400mm)试块和柱构件进行冻融试验,冻融循环次数包括0次、75次、100次、125次和150次。 2.对冻融后的偏心受压构件进行了静载试验,分析了冻融循环后偏心受压柱的受力性能。 3.对冻融循环后混凝土偏心受压柱的受力机理进行了分析,通过规范公式计算的构件承载力,与实测数据进行了比较,吻合良好。 研究表明：冻融次数对混凝土的基本性能的影响比较明显。随着冻融次数、偏心距的增加,试件的承载力呈明显的下降趋势；规范公式对冻融循环后的构件承载力的计算仍然适用。

关键词： 钢筋混凝土梁   冻融循环   粘结性能   中心拔出试验   正截面受弯试验  

摘要： 位于寒冷地带的钢筋混凝土建筑物常常会受到冻融循环作用的破坏，钢筋混凝土结构的抗冻性能是耐久性中非常重要的一个因素。冻融循环作用后的钢筋混凝土结构，其各方面力学性能均发生退化，其中，钢筋与混凝土之间的粘结性能也受到了破坏，使得钢筋与混凝土无法实现共同工作，尤其是当冻融循环作用在混凝土龄期较早时开始，对钢筋与混凝土的影响更为明显。　　目前对钢筋与混凝土粘结性能的研究已经取得了很多重要成果，但对冻融循环作用后的粘结性能研究很少，而对受冻龄期较早的钢筋与混凝土粘结性能的研究则更少，因此研究较早龄期冻融循环作用后钢筋与混凝土的粘结性能，对今后混凝土结构耐久性设计提供了重要依据，并具有十分重要的理论意义和实用价值。　　本文通过对冻融循环后钢筋混凝土粘结性能以及混凝土梁受弯性能的研究，主要完成了如下几点内容：　　1.冻融循环后钢筋混凝土的粘结性能主要通过拉拔试件的中心拔出试验实现。试验考虑了四种影响因素：不同受冻龄期、不同冻融循环次数、不同钢筋直径和不同养护条件。试验获得了钢筋与混凝土的之间的极限粘结强度，并通过位移计得出钢筋的滑移量，从而绘制出试件的荷载-滑移曲线，通过与标准养护条件下的试件对比，得出早期受冻后的钢筋混凝土试件，由于影响因素的不同，试件的粘结性能也出现了相应的下降。　　2.混凝土梁受弯性能试验研究，对早龄期冻融循环作用的的混凝土梁的受弯性能进行了分析，综合考虑了不同受冻龄期、不同冻融循环次数以及不同养护环境的影响，并与标准养护的试验梁进行了对比分析。　　3.通过对中心拔出试验的试验结果进行分析，其中重点分析了早龄期冻融循环作用后混凝土钢筋与混凝土的粘结退化机理。分别从试件的荷载-滑移曲线、破坏形态和极限粘结强度三个层面，研究了钢筋混凝土试件受冻后粘结性能的退化过程。分别对不同受冻龄期、不同冻融循环次数、不同钢筋直径以及不同养护条件的试件的粘结-滑移曲线的变化作了详细对比分析。　　4.通过对混凝土梁受弯性能试验结论的分析，试验中所有的混凝土梁均符合适筋破坏规律，冻融循环作用后混凝土梁的跨中挠度值差别较大，分析这一现象的原因为钢筋混凝土梁受冻后钢筋与混凝土的力学性能发生退化。构件的承载能力也有较大变化，早期受冻后的钢筋混凝土梁承载力都有不同程度的损失。