关键词： 短时冻土   冻融循环作用   单轴抗压试验   直剪试验   微观分析  

摘要： 随着福建综合立体交通网建设的进一步发展与推进,闽西北地区的交通功能得到进一步地规划与重视。然而,闽西北地区路基与边坡浅层土体在冬季负温下会生成短时冻土,其微观结构在冻融循环作用下发生改变并引起宏观力学性质与性能变化,继而引发工程事故。目前对冻融循环作用下土体力学性能变化的研究主要集中在多年冻土与季节性冻土,而较少考虑到短时冻土。故针对短时冻区残积土路基与边坡冬季发生的破坏现象,对残积土进行基本物理性质试验、崩解试验、冻融—单轴抗压试验、冻融—直剪试验研究,并通过扫描电镜试验对冻融循环后土体进行微观结构的观察与分析,得到冻融循环作用下短时冻土的力学性能与微观结构变化规律,相应研究内容与成果如下: (1)试验残积土为低液限粉质黏土,其土水特征曲线显示基质吸力变化拐点含水率为15%。崩解试验结果显示,试样崩解阶段分为吸湿增重阶段、快速崩解阶段、慢速崩解阶段与稳定阶段;随着冻融循环次数的增加,含水率较低试样崩解进程得到加快,而试样的结构变化导致含水率较高试样崩解效果存在区别。 (2)通过万能试验机开展冻融后残积土单轴抗压强度试验,考虑有冷端温度、含水率、冻融循环次数3种因素,得出强度与影响因素间的关系。试验结果表明:含水率与冻融循环次数一定时,残积土的抗压强度随着冷端温度的上升而衰减。冷端温度与冻融循环次数一定时,残积土的抗压强度随着含水率的降低而衰减。冷端温度与含水率一定时,残积土的抗压强度及基本上随着冻融循环次数的增加而降低。 (3)通过电动直剪仪对冻融后残积土进行剪切强度试验,考虑有冷端温度、含水率、冻融循环次数3种因素,得出抗剪强度及其指标与影响因素间的关系。试验结果表明:抗剪强度基本与冷端温度、含水率、冻融循环次数负相关。含水率与冻融循环次数一定时,试样黏聚力、内摩擦角分别与冷端温度负相关、正相关。冷端温度与冻融循环次数一定时,试样黏聚力、内摩擦角均与含水率负相关。冷端温度与含水率一定时,试样黏聚力、内摩擦角均与冻融次数负相关,且二者衰减程度基本在首次冻融循环作用后最大。 (4)通过灰色关联分析法证明冷端温度、含水率与冻融循环次数三种因素均能在较大程度上影响残积土力学性能,且抗压强度受冻融循环作用影响程度较抗剪强度指标大。 (5)基于扫描电镜试验进行残积土微观分析,得到不同含水率与不同冻融循环次数下土体的微观结构特点。结果表明:冻融循环次数一定时,试样孔隙数量总体上随着试样含水率的增加而呈现先增大后减小的趋势;孔隙率与含水率负相关。含水率一定时,试样孔隙数量、孔隙率总体上与冻融次数正相关;随着冻融次数增加,5～20μm粒径范围的颗粒数量逐渐增加,但分布规律有所不同。

关键词： 道路工程   沥青混合料   冻融损伤   多尺度研究   分子动力学   三维有限元  

摘要： SMA-13沥青混合料因其具有优异的路用性能,被广泛用作道路结构的上面层材料。然而在季节性冻土地区,上面层结构直接受到冻融循环作用的影响,出现性能劣化及开裂病害,对行车的安全性和路面的使用寿命产生不利影响,同时增加道路的运维成本。为了改善季冻区路面的服役现状,明确沥青混合料性能演变规律及损伤机理至关重要。本文依托国家自然科学基金项目“季冻区沥青混凝土冻融循环损伤模型及细观特性研究”,以SMA-13沥青混合料为研究对象,采用分子动力学计算、理化特征表征、流变学分析、力学分析、X-ray断层扫描以及三维有限元分析等方法,揭示冻融循环作用下沥青混合料多个材料尺度性能(沥青及胶浆流变性能、沥青混合料力学性能)以及结构特征(沥青-集料/矿粉界面交互、沥青混合料孔隙结构)的演变规律和损伤机理。主要研究内容包括以下几个方面: (1)通过分子动力学计算,分析了沥青-石英/碳酸钙界面粘附作用的形成机理,并揭示了水温作用及荷载作用下沥青-石英/碳酸钙界面粘附劣化及失效机理。同时,通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)及扫描电镜(SEM)试验,分析了冻融循环作用下沥青、沥青胶浆及沥青砂浆的微观理化特征,进一步揭示了冻融损伤机理。结果表明:在冻融循环作用下,沥青-矿物界面粘附功下降显著,沥青-碳酸钙界面抗水温损伤能力较差,沥青重组分含量相对增加,沥青材料表面出现了微观裂缝,矿物颗粒表面的沥青膜剥落。 (2)通过多重应力蠕变恢复(MSCR)试验、频率扫描(FS)试验、线性振幅扫描(LAS)试验及弯曲梁流变(BBR)试验,结合黏弹性理论与模型,对冻融循环作用下沥青及胶浆的流变性能进行了研究。结果表明:随着冻融循环次数的增加,沥青的抗弹性变形能力显著增强、流动性显著降低、抗永久变形能力增强,沥青胶浆的抗弹性变形能力、流动性及抗永久变形能力的变化趋势在10至15次冻融循环时存在拐点,且整体上均与沥青的变化趋势相反,体现了沥青-矿粉界面黏附损伤对沥青胶浆流变性能的影响。沥青及胶浆的抗疲劳损伤能力下降显著,抗车辙能力提升幅度较大,低温抗裂能力下降。 (3)基于沥青及胶浆的流变性能参数,并结合Palierne模型与Einstein模型,分析了冻融循环对沥青-矿粉界面交互作用的影响。同时,运用定量水煮法、光电比色法及界面斜剪试验,对冻融循环作用下沥青-粗/细集料界面交互作用及界面力学行为进行了分析。此外,通过X-ray断层扫描技术,讨论了沥青混合料孔隙结构特征随冻融循环次数的演变规律。结果表明:冻融循环作用下,沥青-集料/矿粉界面交互作用及力学行为出现了损伤,粗集料粒径越大,粘附界面损伤程度越大,沥青混合料孔隙结构出现了连通现象,并呈现出由表及里以及加速扩张的特征。 (4)通过常规力学试验、单轴蠕变试验、动态模量试验以及间接拉伸疲劳试验,结合Hopman能量比等理论与方法,分析了冻融循环作用下沥青混合料的静力与动力特征。随后,运用灰色关联度(GRA)算法和GM(1,N)模型,分析了沥青及胶浆流变性能、沥青-集料界面交互作用及沥青混合料孔隙结构特征对沥青混合料力学性能的影响,并进行了性能预测。结果表明:冻融循环作用下,SMA-13沥青混合料的高温抗压缩破坏能力、抗弹性变形能力、抗黏滞变形能力、抗疲劳损伤能力及抗长期蠕变变形能力下降明显,微小疲劳裂缝出现时间显著提前,更易发生黏性变形与疲劳损伤失效。从材料性能及结构特征方面,针对性地提出了改善季冻区沥青混合料力学行为的建议。 (5)通过半圆弯曲(SCB)试验及数字图像关联分析(DIC)技术,对冻融循环作用下沥青混合料弯拉断裂的力学特征及全场应变特征进行了研究。随后,基于X-ray断层扫描、数字图像处理及三维重构技术,结合冻融循环作用下材料性能及结构特征的演变规律,构建了沥青混合料三维异质有限元模型,并揭示了冻融损伤对沥青混合料抗裂能力影响的细观力学机理。结果表明:冻融循环作用下,SMA-13沥青混合料在断裂时表面水平应变下降,韧性降低,带裂服役能力显著下降,更易出现突然的脆性断裂失效行为,这是由于沥青材料的抗变形能力及集料颗粒间的应力传递效率下降导致的。使用高模量沥青材料、改善沥青-集料界面黏附能力及增强孔隙排水能力是减少季冻区沥青路面开裂病害的有效途径。 本研究将为冻融循环作用下沥青混合料的损伤机理分析与性能预测提供试验及理论参考,同时为季冻区沥青路面性能的评价、预估与维养提供针对性建议。

关键词： 粉质黏土   干湿-冻融循环   抗剪强度   Logistic劣化模型   直剪试验  

摘要： 季节性冻土区的粉质黏土受气候条件影响,经历由温度变化引起土中水分发生相变的冻融作用和由湿度梯度引起土中水分发生迁移的干湿作用,其抗剪性能在干湿、冻融作用前后发生较大变化。基于此,本文以重塑粉质黏土为研究对象,通过干湿、冻融和干湿-冻融循环试验,对直剪试验中获得的试验数据进行分析、拟合和验证,主要成果如下: 一、通过直剪试验得到干湿、冻融和干湿-冻融循环作用下的剪应力-剪切位移曲线,按照曲线特征将其划分为急剧软化型、渐进软化型、递减硬化型和持续硬化型四种类型。对剪应力-剪切位移曲线类型在循环作用下的演变过程进行分析得到:剪应力-剪切位移曲线类型的演化规律受循环次数、土体含水率和竖向应力的影响。干湿、冻融和干湿-冻融循环作用促进粉质黏土产生应变软化现象,竖向应力的增加能减弱土体的应变软化现象。冻融循环作用下粉质黏土的剪应力-剪切位移曲线类型的演变主要体现在高含水率（22%、26%）的土体上,干湿循环和干湿-冻融循环作用下曲线类型的演变主要体现在低含水率（10%、18%）的土体上,干湿冻融耦合循环作用下土体更易发生应变软化。 二、根据剪应力-剪切位移曲线得到粉质黏土的抗剪强度,在干湿循环、冻融循环和干湿-冻融循环作用下,粉质黏土的抗剪强度随着循环次数的增加逐渐减小并趋于稳定,在8次循环作用内,各含水率、各竖向应力下粉质黏土的抗剪强度均能达到稳定;粉质黏土的抗剪强度随着含水率的增加呈现先增后减的变化趋势,在最优含水率（17%）附近达到峰值。与干湿循环和冻融循环作用下粉质黏土的抗剪强度进行对比分析,干湿-冻融循环作用下的抗剪强度曲线在循环次数-抗剪强度坐标系内的位置最低;随着竖向应力的增加,循环次数与抗剪强度的关系曲线趋于平缓,三种循环作用的曲线更接近。 三、由莫尔-库伦理论得到粉质黏土的黏聚力和内摩擦角。粉质黏土的内摩擦角和黏聚力随着干湿、冻融和干湿-冻融循环次数显著减小。在循环次数-抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角）的坐标系内,对于低含水率（10%、14%）的土体,干湿循环和干湿-冻融循环的曲线更接近,当含水率大于22%时,冻融循环作用和干湿循环作用下粉质黏土的曲线接近,且略低于干湿-冻融循环作用。 四、为统一比较和分析不同循环状态下粉质黏土强度及其指标的劣化行为,使用劣化度作为量化标准。以循环次数和含水率为变量建立干湿、冻融和干湿-冻融循环作用下抗剪强度指标的Logistic劣化模型,模型参数mA代表最大劣化度,N0代表达到半劣化度时对应的循环次数。随着含水率的增加,粉质黏土的抗剪强度指标的最大劣化度在干湿循环和干湿-冻融循环作用下逐渐减小,在冻融循环作用下逐渐增加;粉质黏土的抗剪强度指标达到半劣化时的循环次数随着含水率的增大而逐渐增加。

关键词： 废弃胶合木纤维   力学性能   抗冻融循环   吸声系数   细微结构  

摘要： 随着我国建筑业的高速发展,混凝土产量及用量常年保持增长态势。而混凝土组成成分中的砂、石等粗细骨料属于不可再生资源,在全球环境破坏日益严重及资源、能源日趋紧张的情况下,探索一条资源节约、环境友好的可持续发展道路,是建筑业亟需解决的问题。 本文以“固废利用、绿色环保”为主导思想,采用废弃胶合木纤维取代一定比例的天然河砂制备成废弃胶合木纤维混凝土,并对其力学性能及抗冻融循环性进行了试验研究,从宏观和微观两个角度进行了深入分析,最后还对其吸声性能进行了试验及数值模拟研究。通过一系列试验研究及深入分析,本文得到以下几点结论: (1)通过配合比设计,以0%、1%、3%、5%和7%的废弃胶合木纤维取代天然河砂制备混凝土试块,对不同龄期的立方体试块进行抗压强度和抗劈裂强度试验分析,通过对试验数据分析后结果为力学性能随废弃胶合木纤维的逐渐增多,强度方面有一定的损失,但在7%的取代率时,强度稍比5%的略高一些。并且对试验后的数据进行线性拟合,效果均较好。同时,对各配合比的试块进行单轴抗压试验,并对各配合比试块的轴心抗压应力-应变曲线进行分析,建立废弃胶合木纤维混凝土的本构模型,分析峰值应力和立方体抗压强度关系。 (2)进行废弃胶合木纤维混凝土的抗冻融循环性能试验,分别以0次、25次、50次、75次、100次、125次和150次的循环次数,对混凝土试块的冻融后的表面特征、质量损失率和相对动弹性模量进行分析,并且随冻融循环后的试块进行微观电镜扫描。结果表明,随着冻融循环次数逐渐增加,试块整体保持坚硬完好,但表面砂浆及细小骨料出现剥落。冻融次数增多,质量损失率和相对动弹性模量在1%的取代率比其他的取代率表现较好,从微观的角度上,分析了混凝土内部的裂缝和废弃胶合木纤维的分布状态。 (3)通过工业CT扫描技术,利用Avizo预重建三维模型,对混凝土试块的内部孔隙、连通孔隙和封闭孔隙的数量和孔隙结构特征进行分析,探究废弃胶合木纤维在混凝土中孔隙结构的演变规律,同时,研究了共同作用下的微观结构面貌。结果得出,随废弃胶合木纤维取代率的增加,导致混凝土的内部孔隙结构不断增多,孔隙变大,当7%取代取代率时,其孔隙数量是最多的,在连通孔隙和封闭孔隙中,孔隙的数量随着废弃胶合木纤维的不断增多而增多,因为混凝土中的孔隙结构增多的过程,对吸声效果有一定的帮助。最后对混凝土试块进行了碱集料反应试验,结果表面,废弃胶合木纤维的掺入,不会对其有任何影响,其膨胀率均小于0.1%,满足规范的试验要求。 (4)对废弃胶合木纤维混凝土的试块进行了吸声性能试验研究,通过不同的声音频率用分贝仪进行测试。结果表明,随着废弃胶合木纤维的不断增多,在频率为200到800Hz之间,吸声效果增长趋势,其中,7%的取代率达到吸声效果最好,说明混凝土内部孔隙最多,证明第五章试验内容的关联性。并且通过COMSOL模拟混凝土的吸声效果,所得出的吸声系数和吸声效果图都能反应出,废弃胶合木纤维对混凝土内部的孔隙结构具有增多的效果。废弃胶合木纤维混凝土在强度要求不是很高的应用中,但能起到一定的吸收噪音的性能。

关键词： 水盐迁移   盐渍土   冻融循环   多物理场耦合  

摘要： 随着中国交通工程的不断发展完善,在中国西北地区修建铁路、公路、机场等构筑物和建筑物的需求不断增大,而中国西北地区地处大陆性季风气候区,昼夜温差大,季节性冻土和盐渍土在此广泛分布,影响工程寿命期安全运维,制约地区经济。对含盐黄土中水盐迁移规律的研究是解决此问题的基础,掌握含盐黄土中水盐迁移规律有助于进一步了解含盐黄土区的土体性质,为减少工程病害等提供可靠理论依据。 本文以陕西杨凌黄土为研究对象,以室内模型实验和数值模型相结合的形式进行研究,对西北地区含盐黄土在单向冻结和冻融条件下的水盐迁移规律及冻融循环过程中抗剪强度、细微观结构的演变进行研究,得到以下研究结果: （1）通过室内基本实验,对研究区土样进行土粒比重、颗粒级配、液塑限、塑性指数、矿物成分、最大干密度和最优含水率以及室温下毛细水上升高度的测定; （2）研究了冻融循环过程中多种因素对于研究区土体强度和微观结构的影响和改变,包括不同盐种类、不同含水率和不同的冻融循环次数。发现不同种类的盐渍土的抗剪强度均随着冻融次数的升高而降低,冻融循环作用使得土样内部孔隙数目持续增多,进而导致孔隙贯通,削弱土样强度; （3）对研究区土样在单向冻结情况下的水盐迁移规律展开研究。通过对土样进行单向冻结试验和数据监测,发现土体的冻结过程主要分为降温阶段、冻结阶段和束缚水缓慢冻结阶段三个阶段;在冻结过程中土体会在某一深度范围内发生冻结,吸引土中的水盐成分向着冻结区迁移聚集; （4）利用COMSOL Multi-physics软件建立二维水-热-盐-力耦合模型,引入固液比和Na2SO4的溶解度函数,在模拟的过程中动态考虑土体水盐成分的变化。结果表明:冻融循环过程中,冷端温度的变化使得土体内部存在温度梯度,进而导致土中未冻水的冻结,致使结晶盐析出,土体内部水盐成分在冻融循环的过程中发生重分布,土体结构和物理性质因此发生改变;冻融循环作用引起的盐-冻胀量与冻融循环次数、冻结温度及持续时间有关;降低冻结温度和提高冻结温度持续时间,均可使土体的冻结范围和盐结晶的分布范围变大;提高冻结阶段的降温速率,可以在一定程度上抑制冻融过程中的盐胀。