关键词： 膨胀土   水泥改性   干湿−冻融循环   动回弹模量   微观机制  

摘要： 通过无侧限抗压强度、动回弹模量、核磁共振、扫描电镜等试验,分析在干湿−冻融循环作用下,水泥改性膨胀土的强度特性与微观结构随初始含水率、水泥掺量、干湿循环和冻融循环次数的变化规律。研究结果表明:随着干湿−冻融循环次数和初始含水率增加,水泥改性膨胀土的抗压强度和动回弹模量降低;随着水泥掺量增大,膨胀土的抗压强度和动回弹模量增大,但水泥掺量存在着临界值;随着干湿、冻融循环次数增加,膨胀土中的大孔隙数量大幅增加,使得膨胀土的强度和动回弹模量降低,而掺加水泥能够有效抑制膨胀土中大孔隙的产生。

关键词： 红黏土   含水率   冻融循环   力学参数  

摘要： 本文以山西长治某矿区红黏土为研究对象,以不同含水率为研究条件,采用试验与理论研究相结合的方法,首先进行胀缩试验和冻融循环试验,其次分别进行常规条件和冻融循环稳定后的反复直剪试验、三轴试验、固结压缩试验,最后进行理论分析得出土体相关力学参数的研究,研究结果表明:红黏土的胀缩变形与含水率和上覆荷载有很强的数学关系,并且随着含水率的提高,红黏土的膨胀变形减弱,收缩变形增强,上覆荷载有效抑制土体的膨胀变形,使膨胀变形变小,稳定时间缩短。含水率一定时,无荷膨胀稳定的时间基本达到20h以后,有荷膨胀稳定时间随含水率增大而减小,收缩变形增加呈线性增长;随含水率的提高,冻胀率逐渐增大,低含水率时冻融在6～8次达到稳定,高含水率时稳定次数在10次左右。反复直剪试验中,随着含水率的增大,红黏土的抗剪强度逐渐减小,常规条件下真黏聚力和黏聚力先减后增,内摩擦角逐渐减小且与拟合值近似接近;冻融稳定后,真黏聚力先增后减,黏聚力呈现减-增-减的趋势,新的内摩擦角与拟合值差异较大;利用黏聚力差异指数比得出常规条件下指数比在0.75～9.96之间,在含水率为19%时达到最小,冻融后指数比在1.30～7.13之间,在含水率为18%时达到最小。三轴试验中,应力-应变曲线为硬化型,随着含水率的增大,重塑红黏土的黏聚力和内摩擦角均在较小,并且常规条件的抗剪强度指标均大于冻融循环稳定后;含水率的提高以及冻融循环作用很大程度改变了红黏土的黏聚力,使其黏聚力产生明显的差异性,冻融稳定后的内摩擦角比常规条件下显著增大。固结试验中,施加的荷载以及含水率的变化,对重塑红黏土的固结稳定时间影响较大,随着荷载和含水率的增大作用效果越明显;压缩系数随含水率的增大呈现减小的趋势。随着含水率的增加,弹性模量、压缩模量、剪切模量均在减小,泊松比在逐渐增大,常规力学参数均大于10次冻融循环稳定;常规条件下,弹性模量最多降低了69.61%,冻融循环稳定后,弹性模量呈线性减小关系;泊松比在两种循环次数时分别为0.21～0.29、0.24～0.31;常规条件剪切模量是冻融循环稳定的1.86～1.16倍,含水率的提高使土体更加容易发生剪切变形。图:[37]表:[28]参考文献:[87]

关键词： 玄武岩纤维水泥粉砂土   冻融循环作用   静、动力特性   声发射特性   微观特性   损伤特性  

摘要： 季节性冻土区在我国广泛分布,约占国土面积的二分之一以上,季冻区路基不可避免地要经历冻融循环作用,因冻融循环作用造成的道路病害,既会严重影响道路使用寿命、增加后期维修和养护费用,又极大威胁着驾驶者的行车安全。季冻区道路病害成因的本质是路基土在长期服役状态且受外部环境影响下力学性能的衰减,对路基土进行有效改良从而获得性能稳定优良的路基填土是预防路基病害的主要措施,对季冻区道路工程建设、路基工程病害防治等意义重大。玄武岩纤维是一种具有抗拉强度高、化学稳定性好、耐高温、耐酸碱腐蚀等优良特性的新型高性能无机绿色环保型材料。吉林省玄武岩纤维制造业的发展如火如荼,对玄武岩纤维的推广和应用既有利于我省的经济发展,又能获得一种环境友好型路基填料。粉砂土作为吉林省西北地区普遍存在的路基填料,强度低、抗冻融稳定性差,采用水泥对其进行改良应用最为广泛,但水泥改良粉砂土的抗拉抗折强度低,在冻融循环作用下极易产生路基变形、路面车辙等道路病害。鉴于季冻区的特殊环境,本文采用玄武岩纤维对路基用水泥粉砂土进行改良,通过室内试验、声发射试验和扫描电镜试验,对比分析了粉砂土、纤维土、水泥土和纤维水泥土的冻融损伤特性及强度衰减规律,揭示了纤维的增韧机理。开展主要工作内容如下:(1)基于无侧限抗压强度试验(UCS)、劈裂抗拉强度试验(STS)研究了纤维掺量、纤维长度和养护时间对纤维水泥土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,确定了纤维水泥土的最优配合比为纤维掺量0.2%,纤维长度12mm,养护时间14d。研究表明,随着纤维长度的增加,纤维水泥土的无侧限抗压强度减小、劈裂抗拉强度增大;随着养护时间的增加,无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均增大。无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度之间存在良好的线性相关关系。基于试验数据建立的纤维土和纤维水泥土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的预测模型,为路基填土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的估计提供了量化依据。(2)基于最优配合比,采用无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、不固结不排水三轴试验(UU)和加州承载比(California bearing ratio,CBR)试验,系统地研究了改良土的路用性能及力学性能冻融损伤特性。结果表明,纤维水泥土的CBR值最大,膨胀量最小。改良土在压实度100%时的承载比大于压实度96%时的承载比,吸水率和膨胀量的变化规律与之相反。与单掺纤维或单掺水泥改良相比,冻融循环作用下纤维水泥土的力学性能增幅最大。基于Logistic模型对纤维水泥土损伤过程的研究结果表明,粘聚力的冻融损伤程度最大,静弹性模量的冻融损伤速度最快。(3)借助声发射(Acoustic Emission,AE)技术研究了不同因素对单轴压缩作用下纤维水泥土累积振铃计数和累积能量、能量、振幅和RA、AF值的影响,阐明了纤维的增韧机理。以声发射特征参数为依据对土体的损伤阶段进行了划分。结果表明:纤维的掺入能有效降低微裂缝的扩展速率,有助于缓解水泥土的脆性破坏,增强水泥土的延展性。随着纤维掺量和纤维长度的增加,改良土的损伤形成时间延后,临界破坏荷载增大且在最优配合比时最大;随着养护时间的增加,AE能量信号、幅度信号强度减弱。冻融循环作用使得纤维水泥土内部提前出现损伤,随着冻融循环次数的增加,AE能量信号、临界破坏点的AE幅值强度增大,可以将6次冻融循环后临界破坏点的幅值67d B作为损伤预警值。(4)采用分级加载动三轴试验研究了围压和冻融循环作用对改良土动应力―应变关系曲线、动弹性模量和累积塑性变形的影响。改良土的动应力―应变曲线均符合Hardin―Drnevich双曲线模型,以最大动弹性模量和最终动应力幅值作为模型参数,验证了Hardin―Drnevich双曲线模型对改良土动应力―应变曲线的适用性。基于非线性最小二乘法提出了不同因素作用下改良土的归一化最大动弹性模量、最终动应力幅值和累积塑性变形的预测模型,为改良土的动力反应分析提供了量化依据。(5)采用扫描电镜(SEM)获取了冻融循环作用下改良土的微观图像,用MATLAB对图像进行降噪、二值化及形态学处理,用Image-Pro Plus(IPP)软件进行颗粒和孔隙特征参数提取,并对其进行定量分析,同时定性分析了微观图像,明确了纤维和水泥的作用机制。随后,采用灰色关联理论分析了微观特征参数对宏观力学性能的影响程度并揭示了宏观力学性能冻融损失的微观作用机理。

关键词： 树脂混凝土   GFRP筋   冻融循环   粘结性能   粘结滑移本构关系模型   基本锚固长度  

摘要： 目前,传统的钢筋混凝土仍是建筑结构中的主流材料,但其存在的一些缺点限制了它们的使用,对于建在经常遭受冻融循环以及腐蚀环境的建筑物,采用传统的钢筋混凝土材料往往不能满足其使用要求。随着建筑工业水平的不断提高,新型的建筑材料也在不断推陈出新,GFRP筋与树脂混凝土以其自身优秀的力学性能以及耐久性得到广泛应用。作为新型材料,两者能否像传统的钢筋混凝土结构一样具有良好的协同工作能力需要进一步的研究探索。因此,本文首先在课题组原有树脂混凝土配比的基础上,通过研究树脂掺量(8%、10%、12%、14%、16%)对其力学性能的影响确定出最佳树脂掺量,在此基础之上通过掺入粉煤灰(0%、5%、10%、15%、20%)来研究其力学性能,并通过SEM对其掺入粉煤灰前后的微观结构进行分析,根据试验结果确定出最佳的粉煤灰掺量。其次通过冻融循环试验研究树脂混凝土抵抗冻融破坏的能力。最后通过拉拔试验研究冻融循环次数(0、50、150、250)、粘结长度(2.5d、5d、7.5d)、GFRP筋直径(8mm、12mm)对GFRP筋与树脂混凝土粘结性能的影响,基于试验结果结合已有的FRP筋与混凝土粘结滑移本构关系模型建立适用于GFRP筋与树脂混凝土的粘结滑移本构关系模型,并推导出GFRP筋与树脂混凝土基本锚固长度计算公式。得到结论如下:(1)随着树脂掺量增加,树脂混凝土抗压、抗折以及劈裂抗拉强度均呈现出先上升后下降的趋势。当树脂掺量为12%时,树脂混凝土抗压、劈裂抗拉强度达到峰值,同掺量8%相比,强度分别提高了30.99%和34.11%;抗折强度在树脂掺量为14%,强度达到峰值,同掺量8%相比,强度提高了11.34%。综合考虑,取12%树脂掺量作为树脂混凝土最佳掺量。(2)树脂混凝土在掺入粉煤灰后与未掺入粉煤灰相比强度有所提高,并且随着粉煤灰掺量的增加,树脂混凝土抗压、抗折以及劈裂抗拉强度均呈现出先上升后下降的趋势。当粉煤灰掺量为10%时,抗压、抗折以及劈裂抗拉强度均达到峰值,同未掺入粉煤灰相比强度分别提高了15.59%、11.09%、10.53%。通过SEM观察到在掺入粉煤灰后树脂混凝土内部形成“海-岛”结构,使树脂混凝土内部结构更加完善,性能得到提升。综合考虑,取10%粉煤灰掺量作为树脂混凝土最佳掺量。(3)树脂混凝土在经历了250次冻融循环后,冻融循环作用对其表面以及质量损失损伤较小,基本可以忽略不计;树脂混凝土抗压、抗折以及劈裂抗拉强度分别下降了9.77%、11.71%、28.44%。可以看出,冻融循环作用对树脂混凝土劈裂抗拉强度的影响大于对树脂混凝土抗压、抗折强度影响。在经历了250次冻融循环后树脂混凝土质量仅损失了0.37%。(4)GFRP筋树脂混凝土拉拔试件的破坏模式主要有拔出破坏和劈裂破坏两种,未经历冻融循环的GFRP筋树脂混凝土拉拔试件全为拔出破坏,部分经历了冻融循环后的GFRP筋树脂混凝土拉拔试件出现了劈裂破坏。GFRP筋与树脂混凝土的粘结滑移曲线主要分为以下四段:微滑移段、滑移段、下降段以及残余段。GFRP筋与树脂混凝土的极限粘结强度随GFRP筋直径、粘结长度以及冻融循环次数的增加而降低。(5)建立了适用于GFRP筋与树脂混凝土粘结滑移本构关系模型,并将其与试验曲线进行对比分析,结果表明GFRP筋与树脂混凝土粘结滑移曲线与模型曲线符合程度较高。推导出了GFRP筋与树脂混凝土基本锚固长度计算公式,并将冻融条件下计算所得的锚固长度与本文所取锚固长度进行对比,验证后发现,本文所取得的基本锚固长度公式亦能满足冻融循环条件下的基本锚固长度要求。综上,本文利用废弃物粉煤灰作为树脂混凝土的填料,在提高树脂混凝土力学性能的同时,降低了粉煤灰对生态环境造成的污染。另外,冻融循环试验研究为GFRP筋与树脂混凝土在冻土地区的应用提供了理论参考。

关键词： 沙漠砂混凝土   冻融循环   沙漠砂替代率   抗折强度   轴心抗压强度   孔隙结构分析  

摘要： 近年来,随着工程建设飞速发展,建筑用砂需求日益增多,过度开采砂石资源已经造成严重的环境问题。我国西部地区具有丰富的沙漠砂资源,若能利用沙漠砂替代建筑用砂配置出适用于工程建设的沙漠砂混凝土,对于环境保护及节约工程成本具有重要意义。我国西北冬季气候寒冷、昼夜温差大,易发生冻融破坏。因此,对冻融循环作用下沙漠砂混凝土力学性能研究是非常必要的。在前期沙漠砂混凝土冻融后抗压强度试验研究基础上,本文首先进行C30沙漠砂混凝土（DSC）冻融循环后抗折强度试验,分析沙漠砂替代率（DSRR）、粉煤灰掺量和冻融循环次数对DSC抗折强度影响;通过孔隙结构和扫描电镜（SEM）分析,分析冻融循环对DSC孔隙结构和微观形貌的影响。然后进行不同应力水平下C30沙漠砂混凝土冻融后轴心抗压强度试验,分析冻融循环次数和应力水平对DSC轴心抗压强度影响,主要研究内容如下:（1）通过DSC冻融循环后抗折强度试验,分析DSRR、粉煤灰掺量和冻融循环次数对DSC冻融后表观特征、质量损失率、相对动弹模量、超声波速和抗折强度的影响,揭示DSC冻融后抗折强度随超声波速、相对动弹模量的变化规律,建立DSC冻融后抗折强度劣化模型。试验结果表明:随冻融循环次数增加,DSC质量损失率呈先减小后增大趋势,超声波速、相对动弹模量和抗折强度呈逐渐减小趋势。随DSRR增加,DSC质量损失率呈先减小后增大趋势,在DSRR为30%时达到最小;超声波速、相对动弹模量和抗折强度呈先增大后减小趋势,在DSRR为30%时达到最大。随粉煤灰掺量增加,DSC质量损失率先减小后增大,在粉煤灰掺量为15%时达到最小;超声波速、相对动弹模量和抗折强度先增大后减小,在粉煤灰掺量为15%时达到最大。（2）以相对动弹模量定义损伤变量,建立DSC冻融损伤模型,模型相关系数较高,说明该冻融损伤模型能较好反映其冻融劣化规律。（3）基于体视学原理,利用光学显微镜和Image-Pro Plus软件对冻融后DSC进行孔隙结构分析,研究冻融循环后DSC孔径分布随冻融循环次数、DSRR和粉煤灰掺量的变化规律,建立冻融循环后孔隙率与相对抗折强度间关系。结果表明:随冻融循环次数增加,DSC孔隙率不断增加;随DSRR增加,DSC孔隙率呈先减小后增大趋势,在DSRR为30%时达到最小。随粉煤灰掺量增加,DSC孔隙率先减小后增大,在粉煤灰掺量15%时达到最小。（4）通过不同应力水平下DSC冻融循环后轴心抗压强度试验,分析DSRR、粉煤灰掺量、冻融循环次数和应力水平对DSC冻融后表观特征、超声波速、轴心抗压强度和应力-应变曲线的影响,建立冻融循环后DSC本构模型。结果表明:随冻融循环次数增加,DSC表面劣化加重,质量损失率先减小后增大;超声波速、弹性模量和轴心抗压强度逐渐减小;相对峰值应变逐渐增大。随着DSRR增加,DSC超声波速、弹性模量和轴心抗压强度呈先增大后减小趋势,在DSRR为40%时达到最大;相对峰值应变先减小后增大,在DSRR为40%时达到最小。随着应力水平的增加,DSC轴心抗压强度、动弹模量和超声波速逐渐减小,质量损失率和相对峰值应变逐渐增大。

关键词： 寒区隧道边仰坡   冻土   冻融循环   水热力耦合  

摘要： 寒区隧道边仰冻融灾害形成的原因、作用机理机制以及影响因素较为特殊和复杂,在冻融循环作用下的寒区隧道边仰坡内部水热力变化规律及其稳定性影响分析的研究尚为不多。本文将采用理论分析与有限元数值模拟相结合的方式,针对在冻融循环影响下寒区隧道边仰坡稳定性进行了深入的研究,主要研究内容如下:(1)对寒区边仰坡的稳定性在冻融作用下的影响因素、失稳类型进行了分析,探讨了冻融循环分别对土质边仰坡以及岩质边仰破的影响,并介绍了常用的寒区边仰坡稳定性分析评价方法。(2)本文在多孔介质传热理论、理查兹方程理论以及固体力学理论的基础上建立了水热力三场耦合模型,通过COMSOL Multiphysics大型有限元数值模拟软件,采用顺序耦合的方式,实现了水热力三场耦合的求解,并建立了隧道边仰坡典型侧断面的二维仿真模型。(3)以青海某隧道边仰坡工程为背景,分析了在冻融作用下温度场、水分场及应力场等的分布特点和变化规律,得到在冻融过程中,安全稳定系数随冻结深度与融化深度增加的变化关系分别成正比与反比。边仰坡表层受外界环境温度影响最为明显,其温度变化、水分变化的反应速率最快,随着距离坡表深度的增加,受外界影响变化的反应速率逐渐下降。通过常温状态下与冻融作用下的边仰坡稳定性进行对比分析得到,冻融作用对边仰坡稳定性有着较大的影响,在冻结时稳定性有所上升,而在融化时其稳定性下降,这是由于融土与冻土之间形成了冻融交界面,水分被迫改变流动方向,沿着此交界面顺流而下,这也就降低了土体的力学性质与强度,从而引发边仰坡发生失稳破坏。当边仰坡处于临界状态时,其滑动面呈圆弧状,从坡脚沿着冻融交界面延伸至坡顶。(4)通过强度折减法计算分析了冻融循环次数、不同初始含水率以及不同边仰坡坡度三种主要因素对寒区隧道边仰坡稳定性的影响,得到随着冻融循环次数的增加,边仰坡的稳定性越低,且第一次冻融后的安全稳定系数下降幅度最大,之后趋于平缓。当冻融循环次数一定时,初始含水率越大,其安全稳定系数越小,且下降幅度随着冻融循环次数的增加在逐渐变小;在相同的冻融循环次数下,坡度越大,其稳定性越差,反之亦然。本文采用理论研究和有限元数值模拟相结合的方式,对寒区隧道边仰坡稳定性在冻融循环作用下的影响研究,可为寒区隧道边仰坡相关课题以及实际工程建设研究提供理论依据。

关键词： SAP混凝土   冻融循环   毛细吸水   氯离子传输   试验研究  

摘要： 内养护技术一定程度上解决了低水胶比混凝土内部养护效果差的问题,研究表明内养护效果与内养护材料的性质息息相关。多年来,国内外学者聚焦于轻骨料（LWA）和高吸水树脂（SAP）两类混凝土内养护材料开展了大量研究,并取得了长足的进展。其中SAP因卓越的吸水和保水性能受到了广泛学者的关注,SAP混凝土耐久性研究也逐渐成为混凝土内养护技术研究领域的热点,但多数研究是在SAP混凝土无损伤状态下开展的,而地处北方严寒地区的混凝土结构不可避免地会遭受冻融循环作用而产生损伤,加之水分和有害水溶性物质（如氯离子）的侵入,混凝土结构的耐久性劣化严重。因此研究冻融循环作用后SAP混凝土水分及氯离子的传输性能对SAP混凝土耐久性评估具有重要意义。基于此,本文开展了冻融循环作用前后SAP混凝土的物质传输性能研究,通过孔隙率试验、毛细吸水试验和快速氯离子迁移试验结果分析了冻融循环作用对SAP混凝土物质传输性能的影响规律,主要研究结论如下:（1）混凝土有效水灰比相同时,掺入SAP会造成混凝土7d抗压强度下降,且SAP掺量越高,降幅越大,当SAP掺量达到0.3%时,混凝土7d抗压强度下降了19.9%;混凝土龄期到28d后,SAP掺量为0.2%时,混凝土的抗压强度提高了3.7-15.0%,而SAP掺量达到0.3%时,混凝土的抗压强度减小了9.7%。混凝土总水灰比相同时,掺入0.2%的SAP对混凝土7d抗压强度无明显影响,但会显著增大混凝土28d抗压强度,增大幅度为7.6-19.3%,而掺入0.3%的SAP会导致混凝土7d和28d抗压强度分别下降11.7%和6.3%。混凝土养护后期,SAP能显著提高混凝土7d至28d的强度增长率,普通混凝土7d至28d强度增长率仅21.6-29.1%,而SAP混凝土7d至28d的强度增长率为36.9-49.2%。（2）冻融循环作用前,在有效水灰比相同的情况下,SAP的掺入会提高混凝土的孔隙率,相较于普通混凝土,掺有SAP的混凝土孔隙率提高了5.0-9.6%,而在总水灰比相同的情况下,SAP的掺入对混凝土的孔隙率并无显著影响。冻融循环作用开始后,冻融循环作用次数越高,普通混凝土和SAP混凝土的孔隙率均越大;但在总水灰比相同的情况下,相较于普通混凝土,经过相同次数冻融循环作用后,SAP混凝土的孔隙率提高幅度更小,经过150次冻融循环作用后,普通混凝土孔隙率提高了37.9%,而SAP混凝土孔隙率仅提高了24.6-25.4%;在有效水灰比相同的情况下,经过150次冻融循环作用,普通混凝土孔隙率的仅提高了19.1%,提高幅度小于SAP混凝土。（3）在总水灰比相同的情况下,冻融循环作用前,0.2%掺量的SAP使混凝土的累计吸水量、初始吸水率S1和平均吸水率S相较于普通混凝土分别降低了11.0-12.1%、10.8-12.0%和11.4-12.6%,而0.3%掺量SAP对混凝土累计吸水量、初始吸水率S1和平均吸水率S并无明显影响;冻融循环作用开始后,经过相同次数的冻融循环作用,SAP混凝土的初始吸水率S1低于普通混凝土,冻融循环次数达到150次后,SAP混凝土的初始吸水率S1仅为对普通混凝土的76.8-89.9%。而在有效水灰比相同时,普通混凝土的累积吸水量、初始吸水率S1和平均吸水率S在冻融循环作用前后均明显低于SAP混凝土。此外,由于SAP混凝土后期吸水率S2与冻融循环次数之间并未表现出明显的相关性,建议采用初始吸水率S1作为冻融损伤后SAP混凝土吸水性能的评价指标。（4）冻融循环作用前,混凝土总水灰比相同时,0.2%掺量的SAP使混凝土非稳态氯离子迁移系数RCM降低了15.0-20.0%,0.3%掺量的SAP对混凝土非稳态氯离子迁移系数RCM的影响不大;而在有效水灰比相同时,SAP混凝土的非稳态氯离子迁移系数RCM相较于对普通混凝土提高了2.1-23.4%。冻融循环作用开始后,冻融循环作用次数越高,各组混凝土非稳态氯离子迁移系数RCM越大;总水灰比相同时,冻融循环作用超过100次后,SAP混凝土的非稳态氯离子迁移系数RCM均低于普通混凝土,冻融循环作用150次后,SAP混凝土非稳态氯离子迁移系数RCM仅为普通混凝土的78.2-96.0%;而有效水灰比相同时,经过相同次数冻融循环作用后的普通混凝土的非稳态氯离子迁移系数RCM始终低于SAP混凝土。此外,综合本文各类试验结果分析发现SAP的最适掺量为0.2%,且采用干掺SAP后额外引入水的掺入方式更有利于SAP在混凝土中发挥内样护作用。（5）利用非饱和流体理论模型预测了冻融循环作用前后混凝土内部水分含量的分布情况,预测结果较好地反应了冻融循环作用前后普通混凝土及SAP混凝土内部的水分含量分布规律。但由于冻融损伤及SAP再次吸水会加速水分在混凝土中的传输,在冻融循环作用150次后,混凝土水分渗透深

关键词： 冻融循环   复合相变材料   正十四烷   水泥砂浆   混凝土  

摘要： 冻融循环是影响水泥基材料耐久性最为重要的因素,在冻融循环作用下,混凝土将产生内外裂缝,使混凝土结构强度和刚度发生衰减,裂缝还会导致钢筋锈蚀、碳化、化学腐蚀加剧,从而造成钢筋混凝土结构维护成本提高,使用寿命缩短。近年来,采用低温相变材料（Phase hange Materials,PCMs）来提升水泥基材料抗冻性能的研究得到了广泛的关注。本文首先研究普通水泥基材料在冻融循环作用下的劣化机理,而后通过制备低温复合相变材料并将其掺入水泥基材料中进行抗冻性能提升试验研究。（1）研究混凝土在冻融循环过程中孔隙结构对力学性能的影响,对不同冻融循环次数的混凝土进行力学性能、低场核磁共振（NMR）等试验,并利用灰色关联熵方法建立冻融循环过程中抗压强度与孔隙结构之间的数学模型。结果表明:随着冻融循环次数的增加,混凝土力学性能下降明显,孔隙度增加且T2谱总面积逐渐增加;冻融循环过程中对力学性能影响最大的两大因素分别为少害孔孔隙占比以及自由流体饱和度（FFS）,对应的灰熵关联度分别为0.9893和0.9952。以抗压强度为参考,以自由流体饱和度和少害孔孔隙占比为比较序列建立GM（1,3）模型,模型预测值与试验平均值相对误差仅为0.29%,表明预测模型可以为混凝土冻融循环过程中力学性能提供公式依据。（2）以正十四烷（C14）为相变材料,膨胀石墨（EG）为载体,通过物理吸附法制备C14/EG复合相变材料,采用步冷曲线、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）对C14/EG复合相变材料的微观形貌、相变温度、相变潜热、化学结构进行测试。开展了外掺（与水泥质量比）0%、2%、4%、6%相变材料的相变储能砂浆（PCESM）快速冻融循环试验,分析了冻融循环对表面损伤、质量损失、动弹模量损失、抗压强度及孔结构的影响规律,揭示了PCESM冻融循环劣化机理。试验结果表明:C14能够较好地吸附在EG孔隙中,C14与EG之间有良好的相容性,二者未发生化学反应。由于C14/EG相较于水泥基材料为弱相,因此随着C14/EG相变材料掺量的提高,PCESM的力学性能随之下降,但抗冻性能随着C14/EG相变材料掺量的提高呈现先提高后降低的规律,C14/EG相变材料掺量为4%的PCESM抗冻性最优。同时对外掺（体积占比）0%、1%、2%、3%、4%C14/EG复合相变材料的混凝土进行快速冻融循环试验,分析冻融循环对混凝土表面损伤、质量损失、动弹模量损失的影响规律,揭示了相变储能混凝土冻融循环劣化机理。试验结果表明:当C14/EG复合相变材料掺量为体积分数3%时,混凝土抗冻性能最优。（3）通过膨胀珍珠岩（EP）多孔吸附正十四烷（C14）后采用水泥外包裹制备C14/EP复合相变材料,采用步冷曲线、SEM、DSC、FTIR对C14/EP复合相变材料的微观形貌、相变温度、相变潜热、化学结构进行了测试。通过C14/EP复合相变材料等质量取代河砂（0%、10%、20%、30%）制备相变储能水泥基材料,并进行力学性能试验、冻融循环试验、微观结构等试验,共同揭示C14/EP复合相变材料在水泥基材料中的最佳掺量及作用。试验结果表明:C14/EP复合相变材料对水泥基材料力学性能影响较小,其抗冻性能随着C14/EP复合相变材料掺量的提高呈现先提高后降低的规律,当C14/EP相变材料掺量为20%的水泥基材料抗冻性最优。（4）利用温度传感器模拟测试砂浆板从室温-低温-室温条件下板内部温度变化,对比相变储能砂浆与普通砂浆的储热性能。结果表明:复合相变材料的掺入能够有效减缓水泥基材料内部的降温速率,减少了温度应力对水泥基材料的影响,从而提高水泥基材料的抗冻性能。

关键词： 危岩体   冻融循环   极限平衡   冻胀力   冻结深度   稳定性系数  

摘要： 为了揭示冻融循环对寒区危岩体稳定性的劣化作用机理,根据极限平衡理论分析了不同类型寒区危岩体的受力特性,明确了冻融循环作用对寒区危岩体稳定性的影响,在结构面贯通段产生冻胀力荷载,在非贯通段弱化岩石物理力学性能及岩石冻结深度持续下探。综合运用极限平衡理论、原位冻胀理论和圆孔扩张理论,系统地研究了长期冻融循环作用下寒区压剪破坏型危岩体和拉剪破坏型危岩体稳定性的劣化规律,推导了寒区两类危岩体稳定性系数与冻融循环次数间的理论解析式。以甘肃某滑移式危岩体工程为算例,分析了寒区危岩体稳定性系数的劣化规律及部分参数的影响效果。主要研究结论如下:(1)冻融循环作用下岩石物理力学性能劣化满足初期衰减迅速后期衰减缓慢的规律,岩石物理力学性能劣化程度与冻结温度呈负相关关系,不同冻结温度仅会影响性能劣化幅度而不改变劣化规律;与岩石初始孔隙率和岩屑流失比呈正相关关系,降低岩石初始孔隙率能减缓性能劣化速率,降低岩屑流失比能减缓性能劣化范围。(2)最冷月份温度不改变岩石冻结深度演化规律,不同温度下的岩石冻结深度可视为基准深度与放大系数的乘积;低含水量岩石的初始冻结深度和冻结深度增长幅度更大,在冻融循环次数一定时冻结深度随含水量增加呈减速衰减变化趋势,随初始孔隙率增加呈加速增长变化趋势。(3)工程算例分析表明,寒区滑移式危岩体稳定性系数在前15次冻融循环作用后的下降幅度是后15次的4.5倍,稳定性系数劣化曲线随冻融循环次数增加表现出先快后缓并趋于稳定的下降趋势;在相同冻融循环次数条件下,稳定性系数随冻结温度的降低几乎呈线性下降,随岩石初始孔隙率和岩屑流失比的增加呈加速衰减趋势;当岩石初始孔隙率超过3.8%或岩屑流失比高于0.83时,稳定性系数下降速率急剧增加。