关键词： 纤维编织网   混凝土   冻融循环   弯曲性能   细观结构  

摘要： 纤维编织网增强混凝土(TRC)是一种新型水泥基复合材料,被广泛应用于混凝土结构的加固与修复和薄壁轻质结构。在“十三五”期间,玄武岩纤维和玻璃纤维被国家列入重点发展的四大纤维材料之中,其具有多功能性,主要表现为具有高强度、抗腐蚀、抗冻、抗老化等优异性能,特别适合作为补强材料应用于北方寒冷地区。与此同时,在我国东北和西北地区,本世纪初修建的混凝土结构遭受到大面积的冻融循环损伤,其力学性能受到不同程度的劣化,对其安全性和耐久性已经产生了较大的隐患。如何利用纤维编织网增强混凝土的优良性能补强北方寒冷地区的混凝土结构,对于我国严寒地区的混凝土结构的加固与修复具有重要工程意义。依托国家自然科学基金项目(42072296、41430642、41627801)的资助,本文对冻融循环作用下纤维编织网增强混凝土的弯曲性能进行了以下几方面研究:(1)观测冻融循环前后纤维编织网混凝土的表观损伤情况,并通过抗冻性指标(质量损失率和相对动弹性模量损失率)研究了纤维编织网增强混凝土的抗冻性,此外以抗冻性指标作为冻融损伤度,基于二参数Weibull函数建立TRC冻融损伤预测模型。(2)对不同冻融循环次数的玄武岩纤维和玻璃纤维的纤维编织网增强混凝土进行弯曲试验,结合试验现象,将荷载挠度曲线划分为5个阶段(一层纤维编织网)和7个阶段(两层纤维编织网),并结合试验数据分析冻融循环次数、纤维种类、纤维编织网布置层数和纤维TEX含量对纤维编织网增强混凝土弯曲性能的影响,与此同时,采用JSCE SF4的评价方法对冻融循环作用下纤维编织网增强混凝土的弯曲韧性进行评价。(3)通过电子扫描显微镜对已完成弯曲试验的纤维编织网增强混凝土构件进行细观观测与分析,主要观测纤维束与混凝土之间的界面区和过渡区在冻融循环作用下的细观变化。(4)对冻融循环作用下纤维编织网增强混凝土梁弯曲过程中开裂前、开裂时、开裂后和破坏时各阶段进行分析,并建立了冻融循环作用下TRC正截面极限抗弯承载力计算方法,结合试验所得数据,计算出冻融循环影响系数a,并将理论值与实际值进行对比分析。

关键词： UHPC   流动性   力学性能   耐久性能  

摘要： 普通混凝土主要由水、水泥、砂子、石子等材料组成,承载力较低且孔隙率大,在海洋工程中使用普通混凝土时,普通混凝土易受海水侵蚀及冻融破坏,造成海洋工程中的建筑物使用寿命偏短,超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)力学性能和耐久性能优异,将UHPC应用于海洋工程中必然是大势所趋。本文采用PⅡ52.5水泥、硅灰、二级粉煤灰、S95矿粉、钢纤维、水、石英砂、海砂、机制砂、聚羧酸减水剂等材料配置超高性能混凝土,研究UHPC的净浆流动性能、UHPC抗压强度和抗折强度、UHPC轴心受拉应力-应变曲线和耐久性能。主要研究内容及基本研究成果如下:通过试验研究水胶比、硅灰掺量、粉煤灰掺量、矿粉掺量、减水剂掺量对UHPC水泥净浆流动性的影响;并在此基础上研究水胶比、硅灰掺量、矿粉掺量、粉煤灰掺量、钢纤维掺量和不同类型的砂对UHPC力学性能(抗压强度、抗折强度)的影响;另外研究不同钢纤维掺量的UHPC轴心受拉应力-应变曲线。研究结果表明:水胶比、粉煤灰、矿粉、减水剂掺量的提高对UHPC的流变性能均有利,其中减水剂影响最为显著,在矿物掺合料中粉煤灰对UHPC净浆流动性的提升效果最为明显;钢纤维对UHPC抗压强度和抗折强度的提升幅度最大,当钢纤维体积分数达到2%时,UHPC抗压强度超过190 MPa。对UHPC进行了抗渗试验、电通量试验和快速冻融试验,试验结果表明:UHPC的抗渗性能很优异,UHPC的渗水高度基本都在11 mm以下,UHPC的水胶比、钢纤维掺量、拌合用砂、拌合用水对UHPC的抗渗性能均存在一定影响;UHPC的抗氯离子侵蚀性能十分优越,UHPC的电通量值最大仅为586.22 C,属于极低的范畴,其中,UHPC的水胶比、拌合用砂,拌合用水对UHPC的抗氯离子侵蚀性能均存在不同程度的影响;UHPC在经历了淡水和海水的500次冻融循环作用以后,质量损失率最大不到1%,相对动弹性模量基本维持在90%以上,500次冻融循环时,UHPC的抗折强度和抗压强度开始出现损失,与淡水冻融循环作用相比,海水冻融循环作用下的UHPC相对动弹性模量和强度下降的幅度都更大。

关键词： 水分迁移   冻融循环   改良土   数值模拟   破坏强度   弹性模量  

摘要： 黄泛区粉土是黄河流域特有的一种土体,其土颗粒磨圆度高,颗粒之间有较多的孔隙,缺乏粘细颗粒填充,土体不易被压实,尤其在毛细作用下,土体的水稳定性极差。利用这种粉土建造的路基在季冻环境下极容易因水分迁移发生冻胀融沉现象,对道路的安全造成严重破坏,如何控制土体内部含水量的变化是一件亟待解决的难题。本文用高吸水树脂(SAP)作为改良材料,将其掺入土体中,对改良后的土体进行了相关性质的研究,并利用室内冻融循环试验装置模拟了自然环境下的季节变化,对水分和温度的变化规律进行了研究,同时利用有限元软件进行了模拟,最后对于不同冻融条件下的试样的静力学特性的衰变规律进行了研究,以对工程应用提供相关参考。本文以国家自然科学基金面上项目(52178429)和山东省自然科学基金面上项目(ZR201911100218)为依托,主要研究内容和成果如下:(1)在黄泛区粉土中掺入不同含量的SAP对其改良,通过进行不同掺量下的渗透特性、膨胀特性、收缩特性试验得出要想维持土体的稳定性能,SAP的掺入量要维持在0.5%以下,随后通过击实试验、无侧限抗压强度以及直剪试验,得出不同掺量的改良土体的最佳含水率和最大干密度,为之后的室内模型试验提供基本数据,直剪试验得出了SAP掺入后对土体抗剪强度的影响。最后对SAP改良土进行了土水特征曲线的变化研究,确定SAP对土体内水分的控制作用。(2)研发了室内冻融循环试验装置,模拟自然条件下的环境因素,对补水条件下的土柱模型进行了冻融循环试验。通过传感器和云管理平台实时监测土柱内水分和温度场的变化现状,在该试验设置中,考虑了上覆荷载、补水条件的因素,试验结束后,对温度和水分的数据进行整理,分析了试样内温度变化规律和水分迁移特性。结果表明,SAP改良土内温度的变化与素土相比存在一定程度的滞后性,水分场的变化规律尤其明显,在冻结稳定后,SAP改良土试样内含水量的值小于素土试样,融化后试样内的水分分布更均匀,含水量的增加值也较小。多次冻融后发现,试样在前三次冻融时含水量的变化最明显,之后随冻融次数的增多变化逐渐减小,在此过程中,SAP能够持续发挥作用,证明SAP具有良好的长期服役性能。(3)用COMSOL Multiphysics数值模拟软件进行计算。建立适合水热力变化的方程,并对方程进行耦合,将其改写成偏微分方程形式后代入模拟软件作为计算核心。将试验得出的基本参数写入方程中,随后对模型边界条件进行设置,对模型进行适合的网格划分并设置时间步,开始计算。计算完成后将计算结果与试验结果对比分析,研究冻融作用下SAP改良土水分场和温度场的变化规律,结果证明COMSOL Multiphysics数值模拟与真实试验结果具有较好的相似性。(4)通过变量控制对不同冻融循环次数、压实度和SAP含量的试样进行试验,分析破坏强度和弹性模量受上述因素影响的衰变规律,发现掺加SAP能够提高土体的相关性能,提出拟合公式,对破坏强度和弹性模量随上述因素的变化规律进行拟合,拟合结果符合相关要求,最终给出了拟合完成后的方程。

关键词： 花岗岩   纳米压痕   细观机理   纳米蠕变   化学腐蚀   冻融循环   损伤演化  

摘要： 岩石赋存环境复杂,常常经受化学和冻融循环作用,由此引发的工程灾害问题众多,因此开展化学腐蚀、冻融循环及其联合作用下岩石的物理力学特性研究具有重要的理论和实用价值。从细观组成来看,花岗岩是由石英、长石和云母等多种矿物组成的复合体,其宏观损伤机制是由组成该岩石的矿物的细观损伤机制所决定的,然而,以往研究花岗岩力学特性的常规试验手段无法获得花岗中矿物颗粒的细观力学特性,未能很好地揭示花岗岩的细观力学机理。因此,本文基于纳米压痕测试技术研究化学腐蚀、冻融循环及其联合作用下花岗岩的细观力学特性,揭示化学腐蚀和冻融循环条件下花岗岩的细观损伤机理。首先,通过多次循环加卸载和单次加卸载方式的纳米压痕试验,对花岗岩主要矿物石英、长石和云母的弹性模量、硬度和断裂韧性度等力学参数进行了研究,分析了不同保载时间、压入深度和加载速率对纳米压痕测试结果的影响规律,并结合扫描电镜下的残余法压痕形貌,通过裂纹长度法、综合法和能量法等断裂韧度的分析方法对不同矿物在纳米尺度上的断裂韧度进行了对比分析。借助X射线衍射试验(XRD)对花岗岩主要矿物的含量进行了定量分析:采用综合加权法、自洽法、稀疏法和Mori-Tanaka方法等四种力学指标升级方法实现了花岗岩力学参数山微细观尺度向宏观尺度的升级。采用纳米压痕测试技术对花岗岩三种主要矿物进行保载段蠕变特性研究,分别研究了不同保载时间、稳定荷载和加载速率对花岗岩矿物纳米压痕测试结果的影响规律:对花岗岩中石英、长石和云母三种矿物试验曲线分别采用广义开尔文体、伯格斯体和双开尔文体蠕变模型进行拟合,得到纳米蠕变参数随荷载的变化规律以及纳米蠕变参数随加载速率的变化规律;最后将三种蠕变模型得到的纳米蠕变参数升级到宏观蠕变参数。其次,通过配制不同酸碱度的化学溶液,将花岗岩在不同酸碱度的化学溶液中浸泡不同时间后,对腐蚀后的花岗岩中石英、长石和云母进行纳米压入力学特性的测量以及损伤劣化分析,研究了不同酸碱溶液浸泡后花岗岩矿物的不同力学特性损伤特征以及力学特性随腐蚀时间的变化规律,定量分析了化学溶液对花岗岩不同矿物的弹性模量损伤变量和硬度损伤变量的影响规律。同时采用扫描电镜试验对腐蚀作用后的花岗岩表面矿物特征及形貌进行观察,从细观角度对花岗岩化学腐蚀损伤劣化机理进行分析,建立了弹性模量和硬度随pH值和时间变化的损伤演化方程,并对细观参数进行尺度升级。最后,通过对腐蚀120天后的花岗岩进行冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数的花岗岩中的石英、长石和云母进行纳米压入力学特性的测量,研究了不同酸碱溶液与冻融循环联合作用下花岗岩矿物的弹性模量、硬度和断裂韧度的损伤特征及时间效应,定量分析了花岗岩不同矿物的弹性模量损伤变量和硬度损伤变量,建立弹性模量和硬度随pH值和冻融循环次数变化的损伤演化方程。同时采用扫描电镜试验对作用后的花岗岩表面矿物特征及形貌进行观察,对细观参数进行尺度升级,从细观角度揭示化学溶液和冻融循环联合作用下花岗岩力学性能的劣化机理。

关键词： 尾矿砂   冻融循环   三轴试验   宏-细观   损伤力学  

摘要： 尾矿坝是由尾矿堆积而成的坝体,它在矿山环境的保护和治理中起到了重要作用,尾矿坝会发生的事故往往是由微弱的损伤长期累积或其他多种因素复合而成的。在温度随季节转变发生周期性变化时,尾矿内部的水分不断发生相变,会导致尾矿的结构、水分场以及应力场等发生变化。所以本文以辽宁阜新某尾矿库的尾矿砂为研究对象,采用宏-细观相结合的研究方法,研究了冻融循环次数与含水率对尾矿砂应力-应变的影响规律;结合冻融循环作用下尾矿砂的细观结构变化特征,探究了尾矿砂的强度变化规律;并提出了冻融损伤的本构模型。论文主要研究成果包括:(1)对不同含水率的尾矿砂进行一系列的冻融循环试验和三轴压缩试验。结果表明:尾矿砂的应力应变曲线特征与普通土体相似,由弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段三个阶段组成。但是其峰值强度出现较晚,软化现象并不明显。尾矿砂的剪切强度随冻融循环次数的增加呈衰减趋势。此外,一定程度增加尾矿砂含水率,有利于提高尾矿砂的界面力学性质,含水率超过最优含水率时,不利于尾矿砂的稳定性。(2)通过电子显微镜获取尾矿砂冻融循环后的细观结构图像并利用软件对尾矿砂试样内部结构进行对比观察。结果表明:随着冻融循环次数的增加,冻胀作用会使尾矿砂内部产生不可逆变形,试样结构遭到破坏,孔隙的孔径整体水平变大,试样内部结构疏松,宏观力学强度下降,具体表现为抗剪强度降低。(3)基于损伤力学和尾矿砂宏细观试验结果,建立冻融过程中尾矿砂细观结构损伤本构模型,并通过试验数据对模型进行验证,其拟合结果的相关系数均超过0.920,说明拟合效果良好。尾矿砂冻融损伤变量随冻融循环次数增加逐渐增加;冻融循环次数相同时,尾矿砂的损伤变量随围压增大而减少;含水率的增加,也会加剧尾矿砂冻融损伤程度。通过上述研究,探究冻融循环作用下尾矿砂的力学特性,研究冻融循环作用对尾矿砂的强度损伤,对尾矿坝的安全稳定具有重要的科学价值和指导意义。该论文有图38幅,表14个,参考文献70篇。

关键词： 水泥土   干湿-冻融循环   盐分侵蚀   性能劣化  

摘要： 宁夏地区水泥土受盐蚀和干湿-冻融循环作用极大影响工程安全和正常使用。为探究干湿-冻融循环与硫酸盐侵蚀共同作用对水泥土性能的影响,以宁夏同心水泥黄土为研究对象,首先通过单因素试验选取合适水平,考虑盐浓度,并结合西北地区干湿性、季冻性等区域性特点对水泥土进行不同浓度硫酸盐溶液浸泡下的干湿-冻融循环试验,探究多重因素作用下试样外观、质量、波速、强度、动弹性模量、电阻率、含盐量等变化情况,在此基础上,建立上述数据与干湿-冻融循环次数拟合模型,最后将这些性能指标通过数学方法联系起来,揭示水泥土材料在干湿-冻融循环与盐分侵蚀共同作用下的变化规律。研究结果可为水泥土材料在复杂地质环境下的应用提供理论支撑和参考依据,并在一定程度上推进水泥土材料的研究。论文主要内容与结论如下:（1）选择单因素试验,探究压实度、水泥掺量、养护龄期和含水率对水泥土波速和强度的影响,结果表明:波速和压实度近似成二次函数增长,前期增长快后期增长慢,无侧限抗压强度近似和压实度成线性增长;在水泥掺量8%-24%范围内,波速和无侧限抗压强度近似和水泥掺量成线性增长;波速和无侧限抗压强度近似和养护龄期成对数增长的关系,前期增长快后期增长慢,可用短期强度预测长期强度;含水率8%-24%范围内,波速和含水率成二次函数增长关系,无侧限抗压强度和含水率成二次函数关系,先增后减,含水率16%最佳;考虑工期进展和经济成本问题,取压实度0.94,水泥掺量16%,养护龄期28d,含水率16%为制样标准。（2）由硫酸盐-干湿-冻融循环试验可知:随着盐溶液浓度增大和干湿-冻融循环次数的增加,水泥土试样腐蚀愈加严重,表面开始产生裂缝并逐渐贯通,盐溶液中水泥土试样产生泛霜现象;干湿-冻融循环过程中水泥土试样质量呈现先略微增加再减少的趋势,且溶液浓度越大下降越快;试样波速、动弹性模量、峰值强度、残余强度以及变形模量都和干湿-冻融循环次数有着良好指数下降的关系,除波速外其他力学性能随着盐溶液浓度增加,指数下降速率增大;随着干湿-冻融循环次数的增加,水泥土试样电阻率开始降低,且在盐溶液中减小速度较清水中十分明显;清水中电阻率近似成线性减小,变化不明显,盐溶液中试样的电阻率近似和干湿-冻融循环次数成幂函数下降。水泥土试样电阻率越小,含盐量越高。循环方式对于水泥土强度劣化作用排序为:所有循环方式的劣化效果随盐溶液浓度增大而增强,干湿-冻融交替＞先干湿再冻融＞先冻融再干湿,干湿-冻融循环产生了超叠加效应。（3）峰值强度与残余强度符合线性增长,可用较易测量的峰值强度来估算残余强度;峰值强度、残余强度、变形模量与超声波波速都有较好相关性,拟合优度最佳的模型都是二次函数,一定程度上意味用超声波无损检测方法来检测试样的强度和变形特征是可行的;变形模量和峰值强度满足相当良好的相关关系;用幂函数下降模型来拟合电阻率和含盐量的关系R2最高,也最符合实际情况,可通过电阻率来推测土壤盐渍化程度及地下水盐含量;水泥土峰值强度、残余强度和含盐量都具有良好的相关性,成负相关关系,用指数下降函数拟合最为恰当,可以用强度来推测盐腐蚀程度。

关键词： 植物根系   根-土复合体   冻融循环   FLAC3D   边坡稳定性   安全系数  

摘要： 近年来,因全球气候变暖引发的极端气候事件愈加频繁与严峻,导致持续性强降温、暴雪、高温、热浪、干旱和山体滑坡等次生灾害的频繁出现。由于国家大型基础设施的建设工程在不断完善,人类的生产和经济活动对大自然的影响也愈发的严重,而三峡库区作为人类与自然博弈的一项世界级工程,在极端气候条件下造成的自然灾害更是屡见不鲜。温度变化是库区生态系统平稳运行中最重要的影响因子,植物对温度的变化极度敏感,而植被护坡作为一种天然绿色的新型护坡技术,是三峡库区地质灾害防治的主要手段之一;然而极端气候变化导致的冻融作用又可能引发一系列地质灾害,给库区内的工程建设和社会经济生产活动形成巨大威胁。针对以上两点,本文以三峡库区消落带白家包滑坡堆积体上优势护坡植被狗牙根为研究对象,结合室内土工试验来测定原状土体的天然含水率、密度、比重、最大干密度等基本物理参数,统计了护坡植被狗牙根的各种物理、力学参数,总结了植物护坡的理论基础。在阅读大量文献及土工试验规范的前提下,采用三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验,研究不同植被覆盖率的根-土复合体在冻融循环作用下的影响规律,利用数值模拟分析方法来探究植被覆盖率和冻融作用对三峡库区消落带岸坡稳定性的联动效应。主要结论如下:1)三峡库区优势植被根系参数及加固原理分析:在前人研究成果的基础上,对根-土复合体的局部强度变化机理和模型理论进行总结归纳。对不同植被覆盖率原状土体内狗牙根根系的含量、长度、直径以及直径的变化率开展统计,发现根系含量和植被覆盖率呈正相关;利用螺旋拉压测试架对狗牙根开展拉筋测试,测试结果显示狗牙根根系的直径与其抗拉强度呈现负相关性;而根-土复合体的直剪试验表明:然而复合土体相较于无根系土的粘聚力增长明显,根系的存在却未对内摩擦角产生显著影响。2)无侧限抗压强度试验研究:根-土复合体发生破坏变形后,复合土体抗压强度曲线变化趋势逐渐平缓,侧面说明根系的存在导致土体发生破坏变形之后,仍然保留了一定的残余强度,无论经过几次冻融作用根-土复合体的无侧限抗压强度值高于无根系土,随着冻融循环次数的增加,两者在冻融损伤度上均呈现出递增的趋势,但损伤度的增幅终将趋于平缓。随着植被覆盖率的增加,冻融损伤度相对于无根系土出现明显下降,说明植物根系可以抵御冻融作用的不利影响。3)三轴压缩试验研究:在相同围压下,植被覆盖率越高其主应力差值的增大的趋势越显著,增长的速率更快,随着冻融作用的影响程度加深,在高围压下根-土复合体强度衰减值较素土更低,说明狗牙根根系和围压共同抵御了冻融循环作用。植被覆盖率和冻融循环次数的变化,两者共同作用导致内摩擦角在0～2°的幅度间波动,说明两种作用对内摩擦角的联动影响并不显著。根系加入到素土中之后,使粘聚力增加,而冻融作用将导致试样内部初始孔洞及裂隙的数量增多,土体结构松散致使其粘聚力降低,但根-土复合体的粘聚力降低幅度明显低于无根系土,说明根系的存在起到了抵御冻融循环作用不利影响的积极效应。低围压下的根系在土体内部交织缠绕形成加筋层,对土体变形的约束作用就会增强,根系对土体的加筋效果将更好的发挥,而在高围压情况下,高围压作用使根系未能交织缠绕构成加筋团体,导致加筋作用难以有效发挥。4)冻融作用下消落带边坡浅表层稳定性分析:使用数值模拟软件FLAC3D构建狗牙根根系在白家包滑坡浅表层土体固土护坡的物理力学模型,探究在坡体自重荷载作用下,历经不同冻融循环次数的消落带边坡浅表层土体安全系数的变化规律,以及狗牙根根系固土护坡效果,并建立了冻融作用下不同植被覆盖率的消落带边坡浅表层土体的稳定性安全系数估算式。