关键词： 微生物固化   工程渣土   冻融循环   风洞试验   微观结构  

摘要： 工程渣土在地质、气候和人类活动下,土壤基质往往较为碎散,在外界侵蚀作用下易产生大量风蚀扬尘。国内外学者已对工程渣土风蚀扬尘机理和抑尘措施展开了大量研究,但目前还没有一种非常完善的抗风蚀扬尘措施。近年来随着社会经济发展和环保意识的提升,亟需一种经济高效、绿色环保的新型抑尘技术。岩土微生物技术应运而生,其生物化学反应机理是通过微生物诱导产生碳酸钙沉淀（Microbial Induced Carbonate Precipitation,简称MICP）,由于该技术具有过程简单、可操控性强和环境友好等特点,已经引起了大量学者的关注与探究。 本文首先通过MICP固化工程渣土试验,优化高效、经济的微生物固化工程渣土参数;以此为基础开展冻融循环对微生物固化工程渣土抗风蚀扬尘性能影响试验;对冻融循环前后微生物固化工程渣土分别开展风洞试验、表面强度与固化表层厚度测试,揭示冻融作用对微生物固化工程渣土抗风蚀扬尘性能的影响;并对冻融前后试样分别采用X射线三维显微镜扫描（SEM）、X射线衍射（XRD）、电子计算机断层扫描（CT）等多种测试手段,辅以数据图像处理技术,重构冻融前后微生物固化工程渣土三维立体结构,研究冻融循环作用对微生物固化工程渣土微观结构及宏观力学性能的影响;主要研究内容如下: （1）开展微生物固化工程渣土优化试验研究。首先分析了不同条件下的微生物菌液活性,发现在工程渣土影响下微生物菌液活性在24h内逐渐降低;通过单因素正交试验研究发现,当微生物菌液与固化液配比1:2、固化液中尿素和钙离子浓度0.50mol/L、菌液喷洒用量0.5L/m2、菌液浓度OD600=4.0时,微生物固化工程渣土具有较优的抗风蚀扬尘效果;微生物固化工程渣土抗风蚀扬尘效果受工程渣土孔隙比影响,孔隙比增大,微生物固化次数需相应增加。 （2）开展冻融循环对微生物固化工程渣土抗风蚀扬尘性能研究。基于微生物固化优化条件,对微生物固化工程渣土试样开展冻融循环试验（冻融循环次数分别为:0、1、3、5、7、9次）,并对冻融循环前后微生物固化试样开展风洞试验、表面强度和固化层厚度测试。在0～9次冻融循环过程中,随着冻融循环次数增加,微生物固化试样累计风蚀质量损失增多、固化层厚度降低;冻融循环次数相同条件下,工程渣土孔隙比越小,微生物固化次数越多,冻融作用对其抗风蚀扬尘性能影响越弱。 （3）分析冻融循环对微生物固化工程渣土抗风蚀性能变异性影响。引入变化量和变异系数,通过测量和统计分析冻融循环前后微生物固化工程渣土试样抗风蚀性能参数,对冻融循环作用下不同孔隙比（e=1.1、1.2、1.3）的固化试样固化层厚度、密度和表面强度的变异性进行研究分析。在0～9次冻融循环过程中,随着冻融循环次数增加,微生物固化试样固化层厚度、密度和表面强度变异程度趋于稳定;在相同冻融条件下,微生物固化试样孔隙比越小,冻融作用引起的变异程度越低。9次冻融循环后,微生物固化试样仍具有较好的稳定性,这也是微生物固化试样在多次冻融循环过程中仍具有显著地抗风蚀性能的原因。 （4）研究冻融循环作用下微生物固化工程渣土微观结构特性。采用X射线三维显微镜扫描（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子计算机断层扫描（CT）试验等多种手段对工程渣土原状样、冻融前后微生物固化试样进行测试,基于宏观物理力学性能和微观结构测试结果进行综合分析。基于CT扫描,重构试样三维立体结构,冻融导致了微生物固化工程渣土大粒径土颗粒的破碎分裂与土壤孔隙度增加,宏观上则主要表现为大粒径团聚体数量减少、风蚀质量损失增加和固化层厚度降低,但冻融后试样仍有较大的残留颗粒强度;微生物固化试样中碳酸钙晶体以方解石形态为主,伴有少量的球霰石和文石,冻融导致土壤内部出现大量孔隙和裂缝,固化层密实度降低。试验揭示了冻融循环作用对微生物固化渣土颗粒和孔隙结构的影响,从而影响到微生物固化工程渣土的抗风蚀力学性能。

关键词： X型节理岩体   DIC技术   冻融循环   冻胀力   损伤模型  

摘要： 随着以川藏铁路为代表的大批重点工程持续向寒区推进,工程岩体常处于寒区大温差环境下,常与外界产生长期冻融风化作用,导致岩石力学性能劣化。同时,受构造应力的影响,自寒区工程岩体除平行节理岩体外,还存在大量X型节理岩体,节理空间几何特征对岩体力学特性均具重要影响。目前,在相交节理间相互干涉及冻融循环耦合影响下,X型节理岩体破坏机理尚不明确,限制了对相关岩体工程的科学评价。本文以典型X型节理岩体为研究对象,以该岩体在冻融循环与荷载耦合作用下的工程环境为背景。将岩石细观孔隙抽象为无数圆形孔洞及包围孔洞的岩石组成。基于圆孔扩展、体积冻胀等理论,考虑岩石I型断裂韧度的细观演化,采用岩体单元表征方法建立有效抗拉面积弱化的I型断裂韧度劣化模型。考虑两相交节理相互之间的干涉效应,根据节理几何特征、节理结构面应力分布、结构面间的冻胀力等参数,得到X型主次节理尖端的应力强度因子。将冻融循环作用下I型断裂韧度劣化模型与节理尖端I型应力强度因子相结合,建立岩体宏观结构面扩展模型。利用X型节理岩体相似材料加载试验,采用高速摄像仪等精细化量测手段,验证相交节理间干涉效应的结构面扩展模型。综合运用断裂力学、损伤力学等理论深入研究相交节理间相互干涉及断裂韧度的劣化构建X型节理岩体损伤模型。利用该模型揭示相交节理间的相互干涉机制及冻融循环对X型节理岩体力学性能劣化机制,能为寒区相关岩体工程的科学评价提供理论依据。

关键词： 聚丙烯纤维混凝土梁   冻融循环   抗弯性能  

摘要： 随着我国经济建设，城市化建设和乡村振兴建设持续不断地推动，在过去几十年，我国修建的大量建筑随着时间的推移，受工程环境、温度变化、所用材料等因素的影响，建筑物在未达到设计使用年限就因强度降低、剥落甚至开裂，导致工程结构问题日益严重。因此为提高混凝土的抗冻耐久性能，现采用在混凝土中加入纤维的方式去提高抗冻性。通过室内模拟环境方法，研究冻融循环后聚丙烯纤维混凝土基本力学性能和简支梁受弯性能。主要研究内容如下：　　(1)本文选用C40、C50普通混凝土和同等级0.9kg/m3聚丙烯纤维混凝土进行0~200次冻融循环试验,对比分析冻融循环后混凝土外貌特征、抗压强度损失和质量损失。建立了冻融损伤演变模型，并依此对聚丙烯纤维混凝土冻融循环N次后的立方体抗压强度进行了预测。试验结果表明：冻融循环开始到200次结束时，试件表面从刚开始少量孔洞到逐渐连成面积大，深度大的孔洞;表面砂浆由平整光滑到凹凸不平，逐渐加深为大块脱落，最后发展到内部粗骨料脱落。掺入了聚丙烯纤维的混凝土缓解了混凝土微裂缝的扩张，起到了一定的增韧作用，使得混凝土整体较密实，可以减小冻融后混凝土质量损失，同时提高冻融初期混凝土强度损失。　　(2)本文以冻融循环次数、混凝土强度等级和有无聚丙烯纤维的加入为变量，通过简支梁静载试验，研究冻融循环和荷载作用下对简支梁的破坏形态、裂缝数量和宽度、跨中截面混凝土应变、跨中荷载-挠度曲线、开裂荷载和极限荷载的影响规律。试验结果表明：聚丙烯纤维的加入可以防止试件梁发生脆性破坏，仍为延性破坏。冻融循环后的简支梁跨中纯弯段截面应变基本呈线性变化，所有简支梁受弯过程中基本符合平截面假定。随着冻融循环次数的增加，梁在相同荷载下的挠度也增加，梁的刚度逐渐减小，简支梁的开裂荷载和极限荷载逐渐减小。　　(3)基于试验实测数据、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)、《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191-2008)和过往文献，对冻融循环后聚丙烯纤维钢筋混凝土梁的开裂弯矩和正截面受弯承载力计算公式进行合理修正，并将计算值与试验值进行对比，评价公式的适用性。

关键词： 混凝土   冻融循环   孔隙率   热力耦合   随机骨料   数值模拟  

摘要： 混凝土作为一种多项复合材料,因其强度高、施工方便、价格低廉等众多优点,而被广泛应用于建筑结构中。研究表明,钢筋锈蚀、冻融作用、离子侵蚀、碱骨料反应等是影响混凝土耐久性的重要因素。在严寒地区,冻融循环是影响混凝土劣化的主要原因之一。目前,对于混凝土冻融研究,多数都集中在水灰比、掺和料、外加剂等抗冻性影响因素方面,而对于其组成的各项材料:骨料、砂浆、界面过渡区、缺陷(孔隙、微裂缝)关注较少,细观材料往往对宏观结构特性起着决定性的作用。因此,从细观尺度开展混凝土相关研究具有重要意义。孔隙结构作为混凝土的一部分,对混凝土抗冻性的有着重要影响。本文从孔隙角度出发,定量地研究了孔隙率对冻融环境下混凝土破坏的影响,进一步讨论了混凝土冻融损伤影响机理,为寒区混凝土结构生产改善和寿命预测提供了新思路。 本文主要研究内容及成果如下: (1)开展了孔隙、级配缺陷混凝土冻融循环试验。根据混凝土规范配合比要求,制作了0%和5%孔隙、均匀和非均匀级配的混凝土立方体试块,设计了冻融0次、15次、30次、45次、60次、75次和90次的冻融循环试验,对混凝土的表观形态、质量损失进行了观测,进行了混凝土试件宏观力学性能试验研究。试验数据表明:两种缺陷对冻融环境下混凝土都有较大影响,孔隙缺陷对冻融混凝土表观形态影响更为严重;级配缺陷对混凝土质量和强度影响更为严重。 (2)开展了骨料形状对混凝土抗压强度的数值模拟研究。通过Python语言编写脚本,对ABAQUS进行二次开发,建立了球形、椭球形、多面体三种随机骨料模型;并采用了映射网格法进行网格划分,在砂浆中随机选取单元的方法确定了孔隙缺陷,对于界面过渡区采用插入Cohesive的方式进行创建;讨论了混凝土破坏理论,为各项材料选取了较为合适的本构模型,以此进行了混凝土单轴压缩数值模拟研究。研究表明:骨料形状对混凝土抗压强度影响较小,椭球形骨料模型模拟与试验数据更吻合。 (3)通过直接温度-位移耦合的方式,对冻融循环作用下不同孔隙率缺陷混凝土进行了热力学研究。讨论了混凝土内部材料的传热理论和热力耦合方式,开展了混凝土热力耦合和单轴压缩数值模拟。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,混凝土的温度应力和温度应变越来越大;冻融15次时,孔隙缺陷对混凝土的冻融强度损失较小,当冻融次数超过75次,5%孔隙缺陷的混凝土强度损失较大,达到了44%。可以发现,孔隙缺陷对混凝土冻融损伤具有重要影响。

关键词： 海水海砂混凝土   应力-应变曲线   冻融循环   数值模拟  

摘要： 我国建筑行业在近年来的飞速发展中,各类大规模的工程建设如高速公路、大型桥梁、高层建筑等对混凝土的需求量也随之不断增加,势必会导致天然河砂及淡水资源日益匮乏,与我国走可持续发展的道路相悖。因此开发利用储量丰富的海水和海砂,对建筑工业可持续发展具有重要的战略意义。海水海砂混凝土是指用海水和海砂全部或部分代替淡水及天然河砂作为原材料制备而成的混凝土,本文开展了海水海砂混凝土力学性能及抗冻耐久性能试验研究,分析了海水海砂混凝土单轴受压应力-应变全曲线,提出了海水海砂混凝土冻融环境下单轴受压本构模型。并在试验研究的基础上通过有限元软件ABAQUS进行了数值模拟,验证了模型的可靠性。具体工作如下: (1)本次试验按照规范制备两种不同设计强度(C40、C60)的立方体及棱柱体试件,完成了工作性能、立方体抗压强度和轴心抗压强度试验。试验结果表明海水海砂混凝土工作性能良好,配制的试件符合设计强度要求。 (2)选取快速冻融法对海水海砂混凝土进行冻融循环试验,并从表观形态、质量损失率、相对动弹性模量和强度损失率4个方面评估海水海砂混凝土分别在淡水/海水溶液环境中的抗冻耐久性能。结果表明海水溶液环境中混凝土的冻融损伤比在淡水溶液环境中的损伤更严重。高强海水海砂混凝土比普通强度海水海砂混凝土的抗冻耐久性强。最后基于试验数据,建立了海水海砂混凝土冻融环境下单轴受压本构模型。 (3)利用ABAQUS有限元分析软件进行海水海砂混凝土冻融循环数值模拟,首先对未冻融的棱柱体模型进行轴心抗压试验数值模拟,与试验所得的应力-应变曲线对比;随后进行温度场的模拟,得到模型温度变化曲线,用顺序耦合的方式将温度场计算结果作为预定义场导入热应力分析当中。根据结果分析了模型的热应力和热应变以及两者随冻融次数变化的关系;最后对经历冻融循环后的棱柱体模型进行轴心抗压试验数值模拟,以强度等级和冻融循环次数为变量,分析棱柱体模型的力学性能;对比数值模拟结果与试验结果,发现用数值模拟的方式研究海水海砂混凝土冻融损伤是可行的,两者结果基本吻合。

关键词： 改良路基填料   冻融循环   三轴试验   强度劣化   微观分析  

摘要： 为研究冻融循环作用对煤渣改良路基填料的力学性能影响,揭示冻融循环作用对煤渣改良路基填料的作用机理,对不同煤渣掺量的路基填料开展了冻融循环试验和固结不排水三轴压缩试验(CU),获得了冻融循环作用对改良路基填料应力-应变关系的影响规律,并对上述试验后的试样开展不同放大倍数下的电子显微镜扫描试验(SEM),而后基于软件计算和分形理论进行微观结构的定性和定量分析。 (1)改良路基填料的应力-应变曲线表现出应变硬化性,冻融循环作用对路基填料力学性质具有一定的劣化作用,煤渣改良后路基填料的破坏强度和弹性模量随冻融次数的增加而减小,但随着煤渣掺量增加冻融循环作用对路基填料产生的劣化效果减弱; (2)随着冻融循环次数增加,相同煤渣掺量的改良土的抗剪强度指标均降低,改良土的抗剪强度指标在冻融循环6次后趋于稳定。经历相同的冻融作用,随着煤渣掺量的增加试样的黏聚力和内摩擦角均逐渐提高,但内摩擦角增加幅度较小,同时对抗剪强度指标进行回归分析,考虑煤渣掺量与冻融循环作用的影响,拟合出煤渣改良路基填料破坏强度随两种因素变化的曲线方程; (3)考虑冻融循环作用对路基的劣化作用,定义并分析冻融作用对改良填料的强度劣化系数。发现掺入一定的煤渣能有效改善冻融循环作用对路基路面的劣化影响,提高季冻区路基路面工程中路基填料的耐久性。相同煤渣含量下,劣化系数变化与冻融次数成正相关性,这是因为随着煤渣掺量的上升,发生化学反应越发剧烈,增强了土体间的胶结作用。但是冻融6次后,劣化系数的变化幅度逐渐放缓; (4)对试样进行微观分析,由于煤渣对土体提供骨架作用及煤渣中活性氧化钙与土体中的水发生水化反应进一步产生更多的钙质,填充颗粒间的孔隙,并为土颗粒提供胶结作用,从而内部孔隙数量大量减少以及孔隙的孔径减小,内部的裂隙减少到几乎消失。

关键词： 冻融循环   石灰改良粘土   静力特性   动力特性   微观分析  

摘要： 近年来随着我国综合实力不断提升,公路、铁路等基础设施建设快速推进,土体作为公路建设中必不可少的工程材料,对其进行改良,对节省工程成本,提高工程质量具有重要价值。吉林省属于季冻区,且省内多为粘土,粘土路基在冻融循环的作用下,道路经常出现各种病害,严重影响交通安全。选用石灰对粘土进行改良可以提高土体的力学性能,本文针对冻融循环作用下的石灰改良粘土进行力学试验研究。为探究石灰改良粘土在冻融循环作用下的力学特性及微观机理,本文选取0%、1.5%、3%、4.5%、6%共五种石灰掺量改良粘土,分别配制最佳含水率(wopt)和±2%wopt控制含水率条件,冻融循环次数选取0、1、2、4、6、8次。通过冻融循环试验、静三轴试验、动三轴试验得到石灰掺量、冻融循环次数对土体静、动力参数的影响。并通过电子扫描显微镜拍摄得到微观结构图像,对土体的微观结构参数进行定量分析,使用灰色关联法探究其微观参数和宏观力学参数的关联程度。本文的具体工作如下:（1）通过静三轴试验,得到抗剪强度、粘聚力和内摩擦角随石灰掺量、含水率、冻融循环次数的变化规律。研究发现冻融循环会使粘聚力、内摩擦角和抗剪强度下降,石灰的掺入会提高土的最佳含水率,当石灰掺量为4.5%时,改良土对冻融循环的抵抗性最好。（2）通过动三轴试验,研究得到素土和4.5%石灰掺量改良土在冻融循环作用下,土的动弹性模量、动剪切模量和阻尼比随冻融循环次数和加载循环次数的变化规律。研究发现随冻融循环次数增加动弹性模量、动剪切模量和阻尼比呈下降趋势。（3）借助扫描电子显微镜拍摄土样微观照片,通过Image-Pro Plus 6.0对微观照片进行图形处理并提取微观结构特征相关参数。选取结构单元体分布、平均粒径、丰度（扁平度）、分形维数和定向概率熵作为微观结构特征代表,研究分析石灰掺量和冻融循环次数对石灰改良粘土微观结构的影响。研究发现冻融循环作用使土颗粒分布松散。石灰与土发生反应使土颗粒朝等轴方向发展,冻融循环对土体的破坏同样导致丰度变大,颗粒和孔隙均向等轴方向发展。相同石灰掺量条件下石灰改良粘土的分形维数随冻融循环次数增加呈先减小再增大的趋势。石灰改良粘土的定向概率熵冻随冻融循环次数增加而增加,石灰的掺入可以小幅延后改良粘土的定向概率熵受冻融循环影响开始的时间。

关键词： 预应力混凝土   超低温   含水率   有效预压性能   冻融循环作用  

摘要： 天然气因其清洁、高效和高热值等在全球能源市场中占据越来越重要的地位。为满足其储运需求,通常采用常压低温方式将天然气转化为液态,其存储罐均采用预应力混凝土结构。目前有关预应力混凝土超低温作用下受力性能的探讨尚处于起步阶段,尤其需对预应力混凝土超低温有效预压性能等方面进行探讨。 本文通过试验探讨不同含水率预应力混凝土超低温有效预压性能的变化规律。试验考察的主要影响因素为含水率,其区间为1.60%～5.22%;作用的低温区间为0℃～-160℃。同时探讨了含水率分别耦合给定的各种强度等级(C40、C50、C60及C70)和给定的较低和较高两种初始预压应力水平对预应力混凝土超低温有效预压性能的影响,以及含水率分别耦合给定的较低和较高两种初始预应力水平及给定的两种典型的超低温冻融温度区间对预应力混凝土超低温冻融循环作用下有效预压性能的影响。 结果表明,随作用的低温降低,不同含水率预应力混凝土超低温作用下降温点和温均点时的有效预压应力损失率均呈先快后慢增大的变化趋势,其轴向预压应变则基本呈线性增大状;而随含水率提高,其降温点和温均点时的有效预压应力损失率和轴向预压应变均于含水率约3.00%～3.50%间存在极小值。关键因素耦合作用下的预应力混凝土超低温有效预压性能变化更为复杂,但不同含水率预应力混凝土超低温作用下的有效预压应力损失率和轴向预压应变也均于含水率约3.00%～3.70%间存在极小值。不同含水率预应力混凝土超低温冻融循环作用下有效预压应力损失率的上下限值和幅值随冻融次数增加均呈先迅速下降后趋于平稳的变化趋势。其中,正常含水率的有效预压应力损失率幅值小于较低和较高含水率,且含水率对较低初始预压应力水平和较低下限温度冻融温度区间的有效预压应力损失率上下限值和幅值影响更加显著。 基于试验结果拟合给出了预应力混凝土经历超低温作用和超低温冻融循环作用的有效预压应力损失率的计算表达式,由试验结果的机理分析及变化特征演绎给出了预应力混凝土超低温作用下的有效预压应力损失率和轴向预压应变的简化计算表达式,并还对其进行了有限元计算模拟。所获得的大量研究结果为液化天然气储罐类预应力混凝土结构的设计和评估及相关规范的编修提供了依据。

关键词： 岩土工程   防盐-冻胀道路结构   盐-冻融循环试验   盐-冻胀变形   防灾效能  

摘要： 新疆南疆盐渍土分布较广,盐渍土引发的工程灾害也较为严重,南疆的城市道路因季节性的盐-冻融循环作用产生的损伤破坏问题是亟需研究的重要课题。南疆阿拉尔市初建的大学路和塔里木大道损伤破坏路段变形监测及试验研究表明:造成道路损伤破坏的主要原因是其水泥稳定基层受季节性的盐-冻融循环作用,道路结构水盐迁移积聚后水泥稳定基层发生盐-冻胀变形所致。研究提出防盐-冻胀道路结构设计方案,应用水-盐-温多场耦合环境模拟实验系统对防盐-冻胀道路结构进行盐-冻融循环作用试验,开展防盐-冻胀道路结构盐-冻融循环作用机制研究。运用实时监测系统监测不同环境工况下道路结构内部水-盐-温变化和盐-冻胀变形,分析盐-冻融循环作用后各结构层材料强度衰减规律,结合SEM微观表征分析方法,研究总结道路结构盐-冻融循环作用机制,评价防盐-冻胀道路结构的防灾效能。主要研究结果如下:(1)道路各结构层的温度梯度随着路基高度的升高呈现增大的趋势。在20次盐-冻融循环作用下,路基底基土在环境水盐浓度为0%时,其体积含水率最大为36.5%;当环境水盐浓度升高到1%时,其电导率最大为2.293,且对底基土水分和盐分的重分布影响最大,其体积含水率的最大增量为9.8%,电导率的最大增量为1.843,说明较低盐浓度更利于水盐在底基土中迁移聚集。(2)在不同的环境水盐浓度,盐-冻融循环作用使道路结构试样产生的最终变形都呈现累积增大的特性。环境水盐浓度为0%时,道路结构试样仅发生较小的冻胀变形,随着环境水盐浓度的升高,道路结构试样产生的盐-冻胀变形量随之增大。(3)道路各结构层材料的强度衰减分析表明:随着盐-冻融循环作用的增加,沥青混凝土面层材料的强度显著减小,说明其承受荷载能力减弱;级配碎石稳定基层材料的承载比呈减小趋势;风积砂垫层材料中盐结晶持续增多导致其强度降低;在底基土中,参与盐-冻融循环作用土样的CBR值均低于未冻融循环土样CBR值(3.3%),均都不满足路基填料承载比的要求。(4)防盐-冻胀道路结构在水盐迁移阻断方面,道路各结构层自下而上电导率和含水率大小相差较大且呈递减规律;在不同的环境水盐浓度中,防盐-冻胀道路结构产生的盐-冻胀变形量均小于原道路结构的变形量,说明防盐-冻胀道路结构具有较好的抵抗硫酸盐侵蚀的能力,防盐-冻胀病害效果显著,更能适应南疆地区盐渍化道路环境。