关键词： 垃圾渗滤液   冻融循环   冻结温度   电阻率   冻结平台持续时间  

摘要： 随黄土地区经济社会的快速发展,人类活动与工程建设使环境气候变化下特殊岩土工程体面临着新的问题和挑战。目前我国对垃圾填埋采取严格的防渗措施,但从实际情况可知垃圾渗滤液仍会产生渗漏并对垃圾填埋场安全运行产生巨大安全隐患。考虑到垃圾渗滤液驱替黄土衬垫层与覆盖层中原有孔隙水以及地表污水入渗改变孔隙气、液与污染物迁移的影响,在经历冻融循环下将直接影响到黄土地区垃圾填埋场覆盖层的服役性能和长期变形。土体冻结温度是界定土层是否处于冻结状态的重要判定因素,影响着土体未冻水含量和冻结缘的发展过程,因此冻结温度对土体的相变过程、冻结缘的发展以及冻结状态的判定十分重要。本文以人工配制垃圾渗滤液污染黄土为研究对象,并结合冻结温度试验与电阻率试验进行机理分析,结果表明:(1)通过土体冻结温度试验可得,土体冻结温度随含水率升高而升高,但土体冻结温度始终低于0℃,在低含水率时土体冻结温度变化幅度大;在高含水率时,土体冻结温度趋近于纯水冻结温度且变化幅度小,同时土体冻结平台持续时间也随含水率的升高进而增大。土体冻结温度随垃圾渗滤液浓度的增加而降低,基本呈线性相关;土体冻结平台持续时间随垃圾渗滤液浓度逐渐增加进而逐渐减小,且在高含水率时减小程度明显。在冻融作用下,土体冻结温度与土体冻结平台持续时间,随冻融循环次数逐渐增大呈现先降低后稳定的状态;当N>10次时,土体达到稳定状态且两者变化量不显著,土体冻结温度与冻结平台持续时间主要下降区间处于2

关键词： 冻融循环   裂隙岩体   声发射   数字图像相关技术   图像灰度特征  

摘要： 寒区岩体常年经历着冻融风化作用,其会直接导致岩体内部结构损伤和强度劣化,对岩体整体稳定性造成不利影响。此外,自然界中的岩体通常存在着各式各样的裂隙、缺陷等,这些裂隙的存在和发展演化也是造成岩体失稳的重要原因之一。面向寒区工程建设岩土安全问题,冻融裂隙岩体的稳定性研究成了近年来的一个热点课题。鉴于此,本文对冻融循环作用下的双预制裂隙砂岩开展了岩石力学单轴压缩试验,双预制裂隙砂岩的倾角分别设置有30°、45°、60°、75°四种类型。利用声发射(AE,Acoustic Emission)技术和数字图像相关(DIC,Digital Image Correlation)技术对单轴压缩试验中的岩石试样进行全过程监测,较系统地研究了冻融循环作用、预制裂隙倾角对砂岩试样破裂过程的影响。旨在查明冻融循环作用对预制裂隙砂岩的作用机制,揭示冻融预制裂隙砂岩的损伤破坏过程演化规律,为寒区岩土工程建设安全问题提供一个科学的参考依据。 本文主要研究内容和成果如下: (1)首先研究了冻融循环作用对砂岩试样物理性质的影响。结果表明,完整砂岩试样的饱和质量变化率随冻融循环次数的增加而增大,呈现出稳定增长趋势。而裂隙砂岩试样的饱和质量变化率跟随着冻融循环次数的增加表现出先增大而后趋于稳定的变化规律。此外,在相同冻融循环作用下,完整砂岩试样的饱和质量变化率大于裂隙砂岩试样的饱和质量变化率。在力学特征方面,裂隙砂岩试样的单轴抗压强度远远小于完整砂岩试样的单轴抗压强度。 (2)从声发射时域和频域两方面对岩样破裂声发射信号进行分析。在声发射时域方面,含不同裂隙倾角的砂岩试样经过相同冻融循环作用之后,其声发射累积振铃计数均表现出减少的特征,冻融循环作用促使裂隙砂岩试样破裂产生的声发射信号由大事件破裂逐渐向小事件破裂转化。裂隙砂岩试样破裂时的声发射能量变化与声发射振铃计数变化规律呈现出同步发展的特征。在声发射频域方面,根据声发射主频分布特征,将主频分布划分为低频、中频和高频三个频段。裂隙砂岩试样的声发射主频频段数量会随着加载时间的增加而增加。与未冻融裂隙砂岩试样相对比,冻融裂隙砂岩试样的主频分布表现为由低频向中频转移的特征,冻融岩样在加载过程中的声发射低频信号占比减少,而声发射中频信号占比增加,高频信号占比变化不明显。 (3)采用数字图像相关(DIC)技术,系统地研究了冻融裂隙砂岩的裂纹萌生模式及最终破坏模式。在本研究中,预制裂隙倾角大于30°的砂岩试样经冻融循环作用后,最终破坏时的应变集中位置表现为朝着试样加载端上移的特征,并且试样失效时的应变集中现象主要集中于上预制裂隙外尖端处。裂隙砂岩试样的裂纹萌生模式以机翼裂纹为主,其次是共面二次裂纹和斜二次裂纹。随着冻融循环次数的增加,裂隙砂岩试样的破坏模式最终均转化为压剪型破坏。研究结果表明,应变场和位移场变化演化云图可以直观的反映试样的裂纹萌生及扩展路径,据此可以预判裂隙砂岩试样的变形破裂位置及方向。冻融循环作用对裂隙砂岩试样的破坏模式产生一定影响,其结果不会因为预制裂隙倾角的改变而不同。 (4)本研究提出了一种基于图像灰度特征的图像变异系数GCV。它可以从统计学的角度反映连续采集图像的异常变化特征,揭示单轴加载过程中因试样表面裂纹扩展产生的图像特征变化规律。对于本研究中的裂隙砂岩试样而言,其图像变异系数曲线在试样破坏前均会出现突变现象,该系数变化曲线的突变性特点可作为一个岩石破裂前兆特征指标。

关键词： 活性白土   水泥土   冻融   重金属Cu2+   力学性能   微观机理  

摘要： 水泥土具有使软土加固后具有优良的抗压的特性。但如果只加入水泥的话会造成水泥水化产生的OH-不能够得到成分的利用,因此在水泥土中加入一些具有火山灰活性的材料使得水泥水化产生的OH-得到有效的利用已成为当前研究的热点。本文通过对活性白土改性水泥土的力学特性以及在冻融和Cu2+影响下的力学性质进行了系统的研究。阐明了活性白土改善水泥土力学性能的作用效果和作用机理,探究了活性白土改性水泥土在冻融和重金属Cu2+侵蚀下的工程力学性质。以活性白土的掺量和龄期为研究对象,通过无侧限抗压试验和三轴不固结不排水剪切试验,分析无侧限抗压强度、残余强度、破坏应变、弹性模量、内摩擦角和粘聚力指标后发现:试样在掺入活性白土后,养护7d时,加入3%的活性白土的试样与基准组相比,其无侧限抗压强度达到了1146k Pa提高了66%。养护28d时,加入5%的活性白土的试样与基准组相比提升了41%。且试样在加入活性白土之后其残余强度、破坏应变和弹性模量均要优于基准组,而活性白土对试样抗剪强度的影响主要是对粘聚力的影响。同时确定活性白土的最优掺量为3%。以3%活性白土掺量为基准,设计了1、3、5和7次冻融循环次数、通过试验发现,加入活性白土可以降低试样的膨胀量,且加入活性白土后可以有效的减少试样的强度损失率,同时试样的无侧限抗压强度也相较于不加活性白土的高,但是其最终强度损失率相差不大。并且在经历冻融之后,加入活性白土还依然可以保持较高的残余强度和破坏应变,粘聚力方面加入活性白土与不加入活性白土的基准组相比分别提升了26%、0.6%、10%和12%。即随着冻融循环次数的增加,加入活性白土的试样与基准组的内摩擦角φ值均表现出逐渐上升的趋势。以3%活性白土掺量为基准,养护7d时,掺入不同浓度的Cu2+试样的无侧限抗压强度与不掺Cu2+的相比,分别下降了3%、8%、23%和35%。在养护28d时,加入3%活性白土的无侧限抗压强度与养护28d的对照组相比分别降低了17%、34%、32%和44%,加入活性白土可以明显提升试样的残余强度。在加入活性白土后在不同Cu2+浓度时,试样的破坏应变均高于不加活性白土的基准组。养护7d时,高浓度的Cu2+能够抑制加入活性白土的试样的E50,使得试样抵抗变形的能力变差。养护28d时,加入3%活性白土在一定Cu2+浓度下可以提升试样的E50,但是在高浓度（2500mg/kg）时,其效果低于只掺入水泥的基准组。粘聚力和内摩擦角方面:活性白土的掺入在养护7d时受Cu2+浓度的影响较大,但是当试样养护28d时,CCSA3的粘聚力与CCSA0相比,其粘聚力有明显的提升,而Cu2+对试样的内摩擦角的影响不大。通过进行XRD表征分析后发现活性白土中的活性Si O2能够与水泥水化产生的OH-发生火山灰反应。通过FT-IR可知,发现Cu2+主要通过与C-S-H凝胶相互作用,从而导致试样的强度的降低。通过SEM分析并通过灰白二值法定量分析,证明了活性白土对水泥土强度的提升主要通过火山灰反应和孔隙填充作用。而在冻融循环对试样的作用是通过自由水结冰膨胀导致的试样孔隙扩大,从而导致的试样的强度降低。

关键词： 双钢板-混凝土组合结构   冻融循环作用   界面抗剪性能   数值模拟  

摘要： 双钢板-混凝土组合结构具有良好的力学性能和可模块化建造性,目前已逐渐应用于核电厂、海洋平台、海底沉管隧道等。双钢板-混凝土结构在面外荷载作用下会引起沿着钢板与混凝土之间界面传递的界面剪力,钢板与混凝土之间良好的界面抗剪性能是在地震作用、飞机撞击等作用下发挥该种结构优势的重要基础,同时随着这种结构在北方寒冷地区的推广与应用,双钢板-混凝土组合结构可能遭受冻融循环作用的风险从而危害结构的服役性能,因此开展双钢板-混凝土组合结构在冻融循环作用下的界面抗剪性能研究具有重要意义。 本文围绕双钢板-混凝土组合结构在冻融循环作用下的界面抗剪性能展开研究。首先进行双钢板-混凝土组合试件的冻融循环作用试验,然后进行试件界面抗剪性能试验,考察试件的破坏模式和界面抗剪性能,在此基础上建立了冻融循环作用下双钢板-混凝土组合结构的界面抗剪性能有限元分析模型,通过参数影响分析,考察混凝土强度等级、栓钉长度等参数对试件界面抗剪性能的影响,最后提出适用于冻融环境下以栓钉作为抗剪连接件的双钢板-混凝土组合结构界面受剪承载力计算公式。主要研究工作与研究成果如下: (1)设计并制作了45个双钢板-混凝土推出试件,对试件进行了冻融循环作用试验,测量了与双钢板-混凝土推出试件对应的核芯混凝土材料在冻融循环作用下的基本力学性能和抗冻性能。 (2)进行了双钢板-混凝土组合结构的界面抗剪性能试验,获得了试件的破坏模式和荷载-滑移曲线。试验结果表明,冻融循环作用降低了双钢板-普通混凝土试件的界面抗剪性能,而对双钢板-超高性能混凝土试件影响不明显。在冻融循环过程中,双钢板-超高性能混凝土推出试件的界面抗剪性能要优于双钢板-普通混凝土推出试件,双钢板-超高性能混凝土推出试件的单个栓钉受剪承载力是双钢板-普通混凝土推出试件的2.02倍。 (3)系统开展了不同参数影响下双钢板-混凝土组合结构的界面抗剪性能数值模拟,考察了混凝土强度等级、栓钉长度、栓钉横排间距和列间距对试件界面抗剪性能的影响规律,在此基础上,结合本文试验,提出了适用于冻融环境下以栓钉作为抗剪连接件的双钢板-混凝土界面受剪承载力计算公式。

关键词： 受压岩体   冻融循环作用   开裂机理   裂隙冰压力   演化规律  

摘要： 在寒区工程中，围岩中存在着形状参数各异的裂隙，对于裂隙岩体而言，一方面，在冻融作用下，岩体内部由于温度降低，裂隙中的水会发生冻结，而岩石对其会产生约束作用，从而产生了冰压力。另一方面，冻融的交替循环使岩石内部冰压力反复出现，从而产生损伤破坏的效果，在冰压力的反复作用下，岩石内部裂隙就更有可能发生开裂，进而可能造成隧道围岩失稳、衬砌开裂等冻害问题。因此，研究裂隙岩体在冻融-荷载作用下的开裂机理和裂隙冰压力的演化规律，建立裂隙岩体冻融-荷载作用下的开裂判据，对于寒区岩体工程意义深远。本文主要研究内容及结论如下:　　(1)本文在弹性条件和各向同性的前提条件下，采用复变理论，依据体积膨胀理论,以裂隙中水冰的质量守恒条件为方程，同时考虑地应力的作用，为了充分考虑冻融循环的作用，又引入了损伤因子表征冻融循环对于岩石的劣化作用，建立了考虑地应力和冻融循环作用下的最大裂隙冰压力模型。对最大裂隙冰压力模型的各影响参数进行了分析，研究了裂隙冰压力随各参数的演化规律和敏感性，同时分析了本文模型相比于已有模型的优越性，提出了地应力阈值的概念，分析了地应力阈值的参数演化规律和敏感性。　　(2)采用复式求解方式，结合前文求解的应力解析函数、最大裂隙冰压力模型等，得到了Ⅰ-Ⅱ复合型应力强度因子，能够考虑裂隙几何形态、地应力相关参数和最大裂隙冰压力相关参数的影响。分别对Ⅰ型应力强度因子和Ⅱ型应力强度因子进行了参数演化规律分析,其中Ⅰ应力强度因子受最大裂隙冰压力的影响，分析了裂隙长度、裂隙角度、裂隙长短轴比、地应力值、侧压力系数、冻融循环次数、弹性模量、泊松比以及热膨胀系数对于Ⅰ型应力强度因子的影响，而Ⅱ型应力强度因子不受最大裂隙冰压力的影响，分析了裂隙长度、裂隙角度、裂隙长短轴比、地应力值、侧压力系数对于Ⅱ型应力强度因子的影响。基于建立的应力强度因子模型，结合最大周向应力准则，得到了裂隙起裂的强度判别准则，推导了临界起裂冰压力以及临界起裂地应力。　　(3)通过完整岩石的单轴试验进行参数标定，再采用删除颗粒的方式建立裂隙模型,对裂隙上的颗粒直接施加力的作用来模拟裂隙冰压力，最终建立了含裂隙岩石的冰压力数值模型。以冻融20次的模拟结果为例子进行分析，分别取裂隙角度为30°、45°和60°时进行模拟，将裂隙开始产生微裂纹时对应的应力作为裂隙的起裂应力进行分析，总结起裂应力的发展规律，将起裂时的裂隙冰压力与地应力进行拟合分析，与建立的地应力-裂隙冰压力联合作用下的裂隙起裂判据进行对比验证分析，验证了理论结果的正确性。

关键词： 寒冷海域桥梁   冻融循环作用   钢筋混凝土桥墩   数值模拟方法   力学性能退化  

摘要： 钢筋锈蚀是混凝土桥梁的普遍病害,尤其是海洋环境下的桥梁锈蚀,会导致桥梁结构承载能力和使用寿命不断降低。锈蚀导致大量的桥梁需要维修加固,甚至拆除重建,带来了巨大的经济损失;同时,锈蚀导致的桥梁垮塌事故和交通中断也带来了巨大的生命财产损失和极为不利的社会影响。我国北部海域冬季寒冷,在低温和潮汐作用下,钢筋混凝土(Reinforced concrete,RC)桥墩会遭受冻融循环作用,一方面,冻融循环不仅会导致RC桥墩的混凝土发生严重的冻融损伤和强度退化,还会导致混凝土抗离子侵蚀能力的降低和钢筋锈蚀行为的加速;另一方面,钢筋锈胀所导致的混凝土损伤和开裂也会进一步加剧混凝土的冻融损伤。因此,混凝土冻融损伤与钢筋锈蚀存在耦合效应,该耦合效应使得RC桥墩的力学性能退化更为严重。目前,有关寒冷海域RC桥墩混凝土冻融损伤与钢筋锈蚀耦合效应的研究成果较为匮乏,且已有关于混凝土结构耐久性的计算方法尚不能综合考虑实际结构所受现场环境下多因素的影响,寒冷海域RC桥梁的耐久性设计缺乏可靠的计算方法和规范依据。因此,本文以寒冷海域RC桥墩为研究对象,开展混凝土冻融与钢筋锈蚀耦合作用下其力学性能退化行为的数值模拟方法研究,为寒冷海域RC桥梁的安全评估和运营维护提供支撑。本文主要研究内容和结论如下: (1)开展了细观尺度下混凝土的力学性能数值模拟方法研究。根据混凝土的粗骨料分布与孔隙结构,分别给出了粗骨料、凝胶孔、毛细孔及大孔隙的模拟方法。在现有准脆性受拉损伤模型的基础上,根据混凝土的受压和受拉特性,考虑混凝土的损伤软化行为,提出了准脆性损伤本构力模型,利用近场动力学方法建立了细观尺度下混凝土的力学性能数值模拟方法。利用该方法模拟了混凝土的经典开裂行为,通过计算结果与试验结果的对比,验证了该数值模拟方法的可靠性,为冻融作用下混凝土力学性能退化数值模拟方法的建立奠定了基础。 (2)开展了冻融循环作用下混凝土的力学性能退化数值模拟方法研究。根据混凝土的冻融损伤机理,给出了受冻作用下淡水及不同氯离子浓度溶液的孔隙水结晶规律以及孔隙变形行为。在此基础上,根据冻融循环作用下混凝土新孔隙的产生与孔隙孔径的变大过程,建立了冻融循环作用下混凝土的力学性能退化数值模拟方法。利用该方法分别模拟了冻融循环作用下混凝土的孔隙变化规律、抗压强度退化以及RC试件的冻融损伤分布,通过计算结果与试验结果的对比,验证了该数值模拟方法的可靠性,为冻融循环作用下混凝土的力学性能退化提供了可靠的计算手段。 (3)开展了冻融作用下RC构件的力学性能退化数值模拟方法研究。在细观尺度下混凝土力学性能数值模拟方法的基础上,建立了混凝土力学性能的多尺度等效化方法,定量描述了混凝土的等效弹性模量与等效强度。以t Location-Scale分布描述了混凝土各项力学性能的非均质行为,并给出了多尺度等效化单元特征尺寸的取值范围。通过引入混凝土冻融损伤的时变增量计算方法,建立了冻融作用下RC构件的力学性能退化数值模拟方法。利用该方法模拟了海水冻融作用下RC桥墩的滞回性能退化行为,通过计算结果与试验结果的对比,验证了该数值模拟方法的可靠性,满足了冻融作用下RC构件力学性能计算的需要。 (4)开展了多因素作用下RC构件钢筋的时变锈蚀行为数值模拟方法研究。根据离子侵蚀、热传递-热辐射、应力作用、水分运输与氧气扩散等多因素作用,考虑混凝土损伤对各因素作用下RC构件环境状态变化规律的影响,基于钢筋锈蚀的不确定性、混凝土损伤对钢筋锈蚀速率的影响以及钢筋混凝土的锈胀损伤数值模拟方法,给出了多因素作用下RC构件钢筋的时变锈蚀数值模拟方法。利用该方法分别模拟了多因素作用下RC梁的力学性能退化以及现场环境作用下海上RC桥墩钢筋的时变锈蚀规律,通过与已有试验及理论研究结果相对比,验证了该数值模拟方法用于现场环境作用下RC构件钢筋时变锈蚀行为计算的合理性与可靠性。 (5)开展了冻融与锈蚀耦合作用下寒冷海域RC构件的力学性能退化数值模拟方法研究。考虑寒冷海域桥梁的环境作用特征,借助MATLAB-COMSOL联合计算方法分析了潮汐循环作用下RC桥墩冻融循环的环境状态。基于混凝土的时变冻融损伤计算方法与钢筋的时变锈蚀计算方法,给出了冻融与锈蚀耦合作用下寒冷海域桥梁RC构件的力学性能退化数值模拟方法。利用该方法模拟了冻融与锈蚀作用下RC梁的力学性能退化行为,通过计算结果与试验结果的对比,验证了该数值模拟方法的准确性。以我国锦州市气温与海洋环境共同作用下的RC桥墩为研究对象,根据新/旧桥涵设计规范的设计要求,探讨了冻融与锈蚀耦合作用下寒冷海域RC桥墩的力学性能退化行为。

关键词： 砂岩   冻融循环   分形理论   损伤力学   本构模型  

摘要： 我国季冻区面积约占国土面积的1/2,随着我国大力推进基础工程的建设,季冻区隧道工程的数量也逐年上升。在隧道工程的建设中,开挖后裸漏在外的洞口岩体常年处于冻融循环与围岩压力的双重作用下,导致洞口处岩体稳定性受到影响,而岩体失稳时产生宏观破坏的形式有所不同,这是由于砂岩内部细观结构变化导致的。因此,从细观角度揭示洞口岩体在复杂环境条件下的宏观损伤机理对隧道工程的建设具有十分重要的意义。 本文以季冻区隧道洞口岩体稳定性为研究背景,选取砂岩为研究对象,对其进行了冻融循环试验、力学特性试验、CT扫描实验,通过有限元软件模拟了冻融作用下砂岩温度场的变化,对CT图像预处理后进行三维可视化重构;定性和定量研究了砂岩细观结构的演化特征,基于分形理论从二维和三维的角度分析砂岩分形维数与冻融循环之间的联系;将试验结果与ABAQUS有限元模拟得到结果进行对比,分析不同冻融次数砂岩在不同围压下的力学特性与开裂后的裂隙特征;基于损伤力学理论,以分形维数变化特征作为冻融损伤变量,并引入荷载损伤建立关于砂岩在不同冻融循环作用下的损伤本构模型,本研究得到的主要结论如下: (1)冻融侵蚀降低了砂岩的纵波波速,冻融循环的前40次,砂岩质量呈上升趋势,超过40次后质量有所下降;通过ABAQUS有限元软件模拟砂岩在冻融条件下温度场的变化,结果发现冻融次数越高的砂岩试样,冻结时岩心的温度越接近-20℃,融化时砂岩表面与岩心的温度梯度越大;通过中值滤波法、双峰法对图像进行降噪以及二值化处理后,在切片图像中观察到的裂隙特征更加显著。 (2)对CT图像进行量化处理,发现砂岩的体裂隙比与各层面裂隙比随着冻融次数的增加而增加,经过多次数的冻融循环后,砂岩内部结构从介孔结构向大孔结构转化,并且随着冻融次数的增加砂岩内部孔喉发育显著,冻融循环从0增加到80次后,孔隙的最大配位也从8增长到18,喉道的最大等效半径从3816μm增长到8537μm,冻融循环作用增大了砂岩的连通性;从分形维数的角度来看,随着冻融循环次数的升高,砂岩的切片分形维数与体分形维数随之降低,砂岩的体分形维数从2.666下降到2.170。 (3)砂岩的峰值强度与变形模量随着冻融次数的增加逐渐减小,泊松比与冻融循环次数呈正相关;围压从0MPa增加到3MPa时,砂岩的变形模量与峰值强度有所增加,当围压从3MPa增加到6MPa时,砂岩变形模量与峰值强度增加的趋势变缓;对比模拟软件与CT实验结果可知,从三维模型和二维切片的角度发现试样失效后裂纹的演化具有相似的规律,冻融次数低的砂岩破坏后有明显的剪切面,随着冻融次数的增加,剪切面与周围的边界变得模糊,而且在主裂纹的周围分布许多细小的衍生裂纹,通过模拟力学试验得到的结果也能够很好的验证冻融侵蚀削弱砂岩强度和围压削弱冻融侵蚀作用这两个关键的结论。 (4)随着冻融次数的增加,冻融损伤参数增长速率先快后慢,并且砂岩的体分形维数与峰值强度呈正相关。在冻融损伤的基础上引入荷载损伤后发现:冻融循环的前、中、后期,砂岩内部发生破坏时分别以荷载损伤为主导、冻融损伤为主导、荷载损伤为主导。基于冻融-荷载损伤变量建立的本构模型能够准确预测不同冻融侵蚀程度下砂岩强度的变化规律,并且本构模型中的参数与砂岩强度具有一定的关联性。 该论文有图59幅,表11个,参考文献101篇。

关键词： 低温转变相变材料   冻融循环作用   人工相变骨料   相变混凝土   玄武岩纤维   储热性能   数值模拟   服役寿命  

摘要： 在寒冷地区,混凝土材料长期遭反复冻融循环而发生破坏,严重影响其长期服役性能和使用寿命。然而,多年来混凝土冻融破坏的机理并未得到彻底地揭示。但学者们先后提出的各种假说和理论均表明,冻融循环破坏是混凝土材料内部温度发生变化引起的,且温度变化越剧烈,正负温交替次数越多,破坏作用越明显。因此,若能将混凝土内部温度控制在一定范围内或消减温度的变化幅度,就能降低或消除冻融循环对其影响。相变材料在外界温度的诱导下其相态发生改变,在该过程中能够储蓄或释放大量的潜热,材料自身的温度在相变完成前几乎保持不变。在混凝土中加入相变材料,可以实现对其温度的控制。为此本文开展了一系列的室内试验研究、室外模型试验研究和数值模拟分析,主要研究内容和获得的结论如下:(1)通过多因素控制试验,利用圆盘造粒机制备得到粒径可控、表观密度大、强度高、抗冻性好、芯材不易泄露的人工相变骨料。通过差式扫描量热仪、扫描电子显微镜SEM和X射线衍射XRD,测试和分析了人工骨料的焓值、比热、微观结构和产物成分。通过单颗粒冻融循环试验和抗压强度试验,分析了相变微胶囊用量对人工骨料强度和抗冻融性能的影响。结果表明,掺入较多相变微胶囊的人工骨料具有较高的热焓值。相变微胶囊吸收了水泥水化放出的热,减小了水泥水化速率,进而减慢了骨料早期强度的发展。随着相变微胶囊掺入量的增加,人工相变骨料的表观密度降低、吸水率提高、强度降低。同时,大量掺入相变微胶囊使得人工相变骨料孔隙数量增加,这促使碳化作用向骨料内部发展,生成大量方解石晶体,降低了孔隙增加引起的强度降低程度。相变微胶囊掺量是水泥质量的10～30%时,人工相变骨料具有较高的抗冻融性能,有助于提高相变混凝土抗冻融性能。(2)以人工相变骨料替换粗骨料碎石,替换量分别为粗骨料质量的0、20%、50%和80%,制备得到相变混凝土试件。通过微观和宏观试验分析相变混凝土的热力特性。结果表明,人工相变骨料改变了混凝土的孔隙特征和吸水特性,随着人工相变骨料替换量增大,混凝土的饱和吸水率逐渐减小。不同人工相变骨料掺量没有改变混凝土中主要物相,随着龄期增长,物相种类也未改变。人工相变骨料替换量越大,混凝土的抗压强度降低程度越大,但当替换量为20%和50%时,混凝土28 d抗压强度分别为35.81MPa和30.65 MPa,仍满足C30混凝土对强度的要求。相变混凝土的抗压强度随龄期增长。相变混凝土早期的劈裂强度增长较快,后期增长相对缓慢,28 d强度值均能达到2.88 MPa以上。人工相变骨料有助于提高混凝土的抗冻性,随着冻融循环次数的增加,相变混凝土的强度降低。L20-BF0抗冻性能较好,在经历了100次冻融循环后,其强度仍为28 d强度的96%。CT试验结果表明,人工相变骨料对抑制混凝土冻融作用下孔隙和裂纹扩展有益。普通混凝土试件L0-BF0原有的孔隙和裂纹逐步扩展,孔隙结构变得松散,试件表面出现破损和脱落,L80-BF0受冻融破坏作用较小。(3)通过掺入玄武岩纤维,提高相变混凝土抗拉性能,来进一步改善相变混凝土的抗冻性能。玄武岩纤维的掺量分别为混凝土质量的0.1%、0.2%和2%,相变混凝土中人工相变骨料替换量分别为所需粗骨料质量的0、20%、50%、80%,制备得七个配合比的含玄武岩纤维的相变混凝土试件,并将不掺入玄武岩纤维的四个配合比组作为对照组。研究玄武岩纤维对相变混凝土物理力学性能、微观结构和抗冻性能的影响。结果表明,从SEM图片可以观察到玄武岩纤维表面光滑,外观较完整,无被腐蚀迹象。高掺量玄武岩纤维的混凝土中,玄武岩纤维聚集在一起,形成了混凝土的强度薄弱区。玄武岩纤维会略微降低或不改变相变混凝土的抗压强度,可以提高其劈裂抗拉强度,无论是普通混凝土还是相变混凝土,掺入合理的玄武岩纤维数量可以改善其抗冻性,其中0.2%的玄武岩纤维掺量较合理,在240次冻融循环后,L20-BF02、L50-BF02和L80-BF02强度分别为28 d强度的73%、75%和73%。(4)考虑寒冷地区的实际温度特点,设计了一个复合相变混凝土墩,该墩自外而内依次包括相变混凝土外包层(MPCMC)、相变微胶囊层(MPCM)、保温隔热层(Insulation)和结构混凝土墩(SC),同时设计了两个参比混凝土墩。通过该物理模型试验得到了以下结论:各复合结构调节温度的能力不同、作用不同。相变混凝土外包层起到了平缓温度震荡作用,该层的昼夜温差幅度减小;相变微胶囊层对减小墩体温度变化幅度起到至关重要的作用,且相变微胶囊层的日平均温度明显升高,且日峰值温度出现的时间明显滞后;保温隔热层可略微减小昼夜温差幅度,可使得日峰值温度出现时间明显滞后。(5)结合天山北麓地区气候特征,以含相变微胶囊的复合混凝土墩为研究对象,通过数值模拟和理论计算方法,详细分析了其热工性能及抗冻融性,并预测了其服役寿

关键词： 砂黄土   冻融循环   力学性质   微观结构特征   斜坡稳定性  

摘要： 陕北子洲地区属于季节性冻土区,区内砂黄土物理力学性质特殊,黄土塬边斜坡地带常发生土体失稳变形地质灾害,冻融作用则是该区砂黄土强度劣化的重要原因,冻融过程中水分相变会直接影响土体的结构特征,进而导致土体宏观力学性质的改变。为使该区地质灾害防治和工程建设活动能更好的应对冻融对土体强度的改造作用,本文以陕北榆林市子洲县砂黄土为研究对象,进行冻融循环和室内力学试验,研究该区地质气候条件下砂黄土冻融后的力学性质特征,并从微观角度解释了砂黄土强度变化的原因,最后开展了该类砂黄土斜坡冻融后的稳定性分析,研究结论具有一定的实际应用价值。主要工作内容和成果如下:1.针对研究区地质和气候特点,开展了不同冻融循环次数、冻结温度和土体初始含水率的砂黄土冻融循环试验,研究了冻融后土体的外观特征变化,分析了冻融后土体表面结构破坏的原因。2.通过对冻融后的砂黄土进行三轴剪切试验、固结压缩试验和渗透试验,研究了砂黄土在冻融循环作用下的强度特征、抗剪强度指标的变化规律、压缩性质特征以及渗透性能的变化;分析了冻融循环次数、冻结温度、土体初始含水率及它们之间的耦合作用对砂黄土冻融力学性质的影响规律,建立了基于冻融循环次数和初始含水率的土体粘聚力劣化模型,提出了砂黄土初始含水率和冻结温度耦合形成的最不利冻融环境组合;从定性角度分析了冻融循环作用导致土体力学性能变化的原因。3.针对砂黄土冻融后表面的结构破坏现象和力学性质劣化规律,采用SEM试验研究冻融循环导致上述现象发生的土体微观结构机理,定性、定量的分析了砂黄土冻融后的微结构变化,建立了微结构特征与土体冻融力学性质的联系,得出冻融循环导致土体结构疏松、不规则发育、使土体结构强度下降是土体力学性质劣化的根本原因。4.以砂黄土冻融后的力学参数为基础,使用FLAC3D软件模拟研究该类土质斜坡在冻融循环作用下的稳定性特征;发现斜坡表层土体冻融作用对其整体稳定性影响不大,认为冻融作用主要从降低表层土体强度、增强入渗等方面对斜坡稳定性产生不利影响。5.结合砂黄土冻融力学性能以及微观结构的分析结果,提出基于冻结温度和土体初始含水率的砂黄土冻融循环作用最不利环境组合:低含水率一定低温冻结和高含水率极端低温冻结两种组合条件均促进了冻融循环作用对土体结构强度的破坏。

关键词： 碱矿渣陶粒混凝土   冻融循环作用   陶粒掺量   含水率   抗压强度   微观结构   能量分析  

摘要： 在寒冷地区,混凝土的冻害是影响建筑物耐久性的重要因素。在冻结过程中,混凝土中的孔隙水结冰会引起体积膨胀;在融化过程中,冰融化成水会导致体积收缩。在冻融循环作用下,混凝土孔隙水相变的交替转化,会对内部结构产生交替应力,诱发裂缝的萌生和扩展,造成不同程度的损伤。我国每年都有大量的煤矸石堆放造成环境污染,同时高炉炼铁会产生大量矿渣副产品,用煤矸石陶粒制备碱矿渣陶粒混凝土可达到将煤矸石和矿渣固体废弃物的再利用效果。因此,研究冻融循环下碱矿渣陶粒混凝土抗压性能具有重要意义。本文以碱矿渣陶粒混凝土为研究对象,制备了陶粒体积掺量分别为0%、25%、50%、75%和100%的碱矿渣陶粒混凝土试样,测定了常温下不同陶粒掺量混凝土的坍落度、密度、毛细吸水率等物理性能,以及冻融循环作用下不同含水率与陶粒掺量混凝土的纵波波速。对常温和冻融循环作用下不同陶粒掺量的碱矿渣陶粒混凝土进行单轴压缩试验,分析了应力-应变曲线特征,探讨了含水率、陶粒掺量、冻融循环周期、冻融下限温度对冻融循环作用下碱矿渣陶粒混凝土抗压性能的影响,同时结合SEM试验初步揭示了碱矿渣陶粒混凝土的冻融损伤机理。主要结论如下:(1)在冻融循环作用下,碱矿渣陶粒混凝土的纵波波速随着陶粒掺量以及含水率的增加而不断降低。这是由于陶粒疏松多孔,以及混凝土内部的自由水受冻后体积膨胀,含水率越多造成的冰结晶覆盖范围越广,使混凝土内部产生更多孔隙和通道,并且固态冰融化水后体积收缩,相变的反复转化会对混凝土的内部结构产生交替应力,最终引起混凝土内部的微尺度裂缝越多,损伤越大。(2)不同龄期与陶粒掺量下碱矿渣陶粒混凝土的应力-应变曲线均经历了四个阶段:压密阶段、弹性阶段、裂缝开展阶段以及破坏阶段。破坏阶段下降曲线坡度随着龄期的增加变得越陡,这是脆性破坏特征的体现。由于陶粒的加入延缓了应力集中造成试样迅速破坏的现象,破坏阶段斜率随着陶粒掺量的增加而降低。(3)冻融循环作用下,随着含水率升高,试样抗压强度降低较为明显;随着冻融循环周期增加,试样抗压强度先降低后上升;随着冻融下限温度的降低,陶粒混凝土的抗压强度降低并不明显,说明陶粒混凝土对温度的敏感性较低。基于冻融循环作用下的单轴压缩试验结果建立了碱矿渣陶粒混凝土抗压强度预估公式。(4)SEM图像表明冻融循环下试样内部裂缝随着含水率的增加不断演化变宽且数量变多;随着冻融循环下限温度的降低,试样内部由无裂纹到出现裂纹,再到裂缝变宽,最后结构变得疏松。(5)相同冻融循环周期下,试样的输入能密度与冻融下限温度呈负相关,冻融下限温度越低,试样的输入能密度就越低。这是由于冻融上限温度是固定的,冻融下限温度越低,正负温差越大,对试样造成的损伤越大,从而试样破坏时需要的输入能密度越低。图[51]表[4]参[90]