关键词： 沥青混合料   沥青砂浆   耐久性   关联性   细观尺度   黏弹特性  

摘要： 沥青混合料材料组成的形貌和大小各异、感温性强、空间分布无序性等特点,导致成型的沥青混合料具有多尺度和流变特性。沥青混合料中细观尺度,它对微观尺度等效到细观尺度和细观尺度平均化到宏观尺度研究承担着跨尺度桥渡的作用。沥青混合料的流变特性是一种复杂的力学行为,其中沥青砂浆具有和沥青混合料黏弹性相似/等效性,沥青砂浆又是沥青混合料中流变特性的主要承担者,它对抗高温车辙、中温疲劳、低温开裂等耐久性能起着重要的作用,但仅对沥青砂浆进行研究难以提供支撑性材料指标和准确预测沥青混合料耐久性特性。基于以上,开展在室内外环境因素下沥青砂浆与沥青混合料耐久性关联性分析,为深入了解沥青混合料的耐久性能提供有力研究基础;进而采用细观尺度下数字图像相关方法,验证沥青砂浆在沥青路面材料设计中的重要性。为探究室内环境因素下沥青砂浆与沥青混合料耐久性关联性,通过马歇尔试验确定了沥青混合料最佳油石比,进而确定了沥青砂浆的油量和级配,采用旋转压实成型和精密切割机得到细观尺度下的沥青砂浆和沥青混合料试件;借助动态剪切流变仪,通过频率扫描验证了采用矩形夹具的可行性;对试件进行了线性黏弹范围确定后,分析了在冻融循环和紫外加速老化条件下对沥青砂浆与沥青混合料复数剪切模量、疲劳性能、蠕变性能的影响,并分析了沥青砂浆与沥青混合料之间耐久性的关联性。结果表明:在冻融循环条件下,沥青砂浆和沥青混合料随着冻融循环次数的增加复数剪切模量减少、疲劳寿命减少、延迟弹性柔量占比减小、黏性流动柔量占比增加;在紫外老化条件下,沥青砂浆和沥青混合料随着紫外加速老化时间的增加复数剪切模量增加、疲劳寿命减少、延迟弹性柔量占比增加、黏性流动柔量占比减小;沥青砂浆与沥青混合料模量曲线变化规律、疲劳寿命下降趋势和黏弹性柔量占比变化情况具有关联性。为研究室外环境因素下沥青砂浆与沥青混合料耐久性关联性,采用动态剪切流变仪,分析了室外自然水损和室外自然老化条件下对沥青砂浆与沥青混合料复数剪切模量、疲劳性能、蠕变性能的影响及关联性分析,并且采用主曲线对室内外老化环境影响下模量变化规律关联性分析;为验证沥青砂浆在沥青路面材料设计中的重要性,利用数字图像相关方法和多功能材料试验机,对砂浆和骨架应变场和位移场进行分析。结果表明:沥青砂浆和沥青混合料室外自然环境影响下,模量变化规律为:室外老化一年>室外水损一年>室外老化半年>室外水损一年>未处理、疲劳寿命为:未处理>室外老化半年>室外水损半年>室外老化一年>室外水损一年、蠕变柔量为:自然老化一年<自然水损一年<自然老化半年<自然水损半年<未处理;沥青砂浆的竖向、水平位移和应变均大于骨架,并且沥青混合料、骨架、砂浆三者在竖向位移、竖向应变、水平应变具有一定的关联性。

关键词： 改良PE-ECC材料   力学性能   冻融循环   微观结构   寿命预测  

摘要： 在我国严寒地区,混凝土结构受到冻融循环作用而产生的冻融损伤导致结构丧失工作能力重要因素之一,如何对产生病害的混凝土结构进行加固补强是一个重要的热点研究问题。纤维复合材料(Fiber Reinforced Plastics,简称FRP)相对于传统的加固方式具有质量轻、强度高、耐腐蚀、施工周期短等优越性能,能有效的改善混凝土各种性能损失的问题,但作为FRP粘结基体材料的环氧树脂系胶结剂受到低温等复杂环境影响易发生脆性破坏,使得FRP基体材料无法发挥极限承载力,为了改善这一情况,拟采用聚乙烯纤维增强复合基体材料(Polyethylene Fiber-Engineered Cementitious Composite简称PE-ECC)代替环氧树脂系胶结剂,使混凝土结构破坏时具有良好的断裂延展性、裂缝控制能力。目前对于PE-ECC-FRP网格布、PE-ECC-FRP-混凝土之间的冻融损伤研究尚不充分,因此,为了揭示冻融循环作用下PE-ECC-FRP之间的力学性能变化及微观结构演化规律,本文对PE-ECC、PE-ECC-BFRP网格布、PE-ECC-CFRP网格布等三种加固试件开展快速冻融试验研究,研究不同冻融循环次数下的单轴拉伸、三点抗弯、质量损失率、相对动弹性模量损失、SEM电镜、MIP孔隙率试验以及基于不同粗糙度下PE-ECC-FRP-混凝土试件的力学性能试验研究,并基于损伤变量提出了冻融循环作用下PE-ECC两参数Weibull冻融损伤寿命预测模型,可为寒区环境下的混凝土结构加固补强提供试验依据和理论参考。本文的主要研究内容及结论如下:(1)研究了冻融循环条件下PE-ECC试件的质量损失率以及相对动弹性模量损失。结果表明,由于水泥基体的收缩反应以及冻融损伤的累积,水分不断被吸收,质量损失率在50次冻融循环时出现负增长的情况。经过150次冻融循环之后,PE-ECC试件150次从同循环质量损失率为1.57%、相对动弹性模量损失率为14.6%。表明经过改良的PE-ECC材料具有良好的抗冻性。(2)通过SEM扫描电镜及孔隙率试验对不同冻融循环次数ECC基体材料试件进行微观结构演化规律分析。结果表明,试件在经历冻融作用后PE纤维与水泥基体材料粘结性良好;PE-ECC内部孔隙率随冻融循环次数的增加出现不断上升现象,150次冻融循环后PE-ECC试件相较0次冻融循环时孔隙率上升了15.7%,表明PE-ECC材料具有良好的抗冻性。(3)研究了不同冻融循环次数下PE-ECC、PE-ECC-BFRP网格布、PE-ECCCFRP网格布三种加固混凝土试件抗拉、抗弯强度变化规律以及时间破坏状态。结果表明,150次冻融循环后PE-ECC-BFRP、PE-ECC-CFRP网格布加固试件相比PE-ECC加固试件极限承载力分别增加了33.7%、49%,试件破坏极限应变分别增加了14.4%、6.2%。三点抗弯试验下极限承载力分别增加了18.2%、22%,试件破坏极限应变分别增加了39.8%、43.4%。三种加固试件试验过程中均出现了典型应变硬化、多缝开裂现象。(4)针对平滑面、高粗糙度两种工况,开展了不同冻融循环次数下PE-ECC、PE-ECC-BFRP网格布、PE-ECC-CFRP网格布三种加固混凝土试件单轴拉伸试验和三点抗弯试验,获得了不同工况下应力-应变曲线和荷载-挠度曲线。结果表明,150次冻融循环作用之后,高粗糙度下三点抗弯试验的PE-ECC、PEECC-BFRP网格布、PE-ECC-CFRP网格布的试件相比平滑界面试件极限承载力分别增加了9.5%、7.6%、23%,高粗糙度下限制裂缝发育效果更显著。高粗糙度下PE-ECC-混凝土试件相比平滑界面的试件极限承载力增加了40.4%。(5)基于测得的相对动弹性模量损失率,定义ECC试件的损伤变量以及PEECC试件冻融损伤下工作能力(存活率P),建立了冻融循环作用下两参数Weibull冻融损伤寿命预测模型,且拟合曲线相关系数超过0.95,能很好的契合PEPE-ECC水泥基体复合材料冻融损伤的演化规律,为寒区环境下混凝土结构加固工程提供理论指导。

关键词： 冻融循环   土壤活性有机碳   磷脂脂肪酸   土壤酶活性   碳排放  

摘要： 冻融循环是作用于土壤内部的常见物理过程,广泛发生于北半球的中高纬地区。冻融循环过程直接或间接的影响土壤的理化及生物学性质,是影响土壤碳、氮生物地球化学过程的重要因素。全球气候变暖已是不争的事实,这势必改变冻融循环的模式,进而影响土壤碳库稳定性。因此,本文以长白山金川泥炭沼泽为研究对象,通过室内冻融循环模拟实验和气象色谱法、氯仿熏蒸法及磷脂脂肪酸方法等室内分析方法,揭示冻融循环作用下泥炭沼泽土壤活性碳组分、微生物酶活性及磷脂脂肪酸含量的变化规律;探明冻融循环作用下土壤CO2和CH4排放的动态特征;结合土壤养分、酶活性及土壤微生物生物量数据,采用冗余分析方法,探究影响冻融循环作用下土壤微生物群落和酶活性的关键影响因子,采用路径分析方法,揭示泥炭沼泽碳排放的直接与间接影响因子,阐明冻融循环作用下泥炭沼泽土壤碳排放的微生物机制。本文得出的主要结论如下:（1）冻融循环促进了土壤可溶性有机碳、氮（DOC、DON）的释放。土壤DOC含量变化在不同冻融幅度中存在异质性,在-5-5℃冻融循环中呈现出先降低后升高的变化趋势,而-10-10℃冻融循环中呈现出先升高后降低的变化趋势。-5-5℃冻融循环土壤DON含量变化呈波动状态变化趋势;-10-10℃冻融循环土壤DON含量变化趋势为先升高后降低。冻融循环对土壤DON含量变化的影响表现为-10-10℃>-5-5℃,0-15cm>15-30 cm。土壤DOC、DON与总碳（TC）显著正相关,与土壤含水量（SWC）显著负相关（p<0.05）。（2）两种冻融循环作用下土壤微生物量碳（MBC）含量变化均呈上升趋势,冻融循环作用使土壤MBC含量增加。两种冻融循环模式对不同土层土壤MBC的影响表现为-10-10℃>-5-5℃,15-30 cm>0-15 cm。冻融循环作用降低了土壤微生物量氮（MBN）含量。两种冻融循环模式下,随冻融次数的增加,0-15 cm土壤MBN表现出波动状态的变化趋势,而15-30 cm土壤MBN则表现为先降低后增加的变化趋势。土壤MBN与DOC、DON、总氮（TN）显著负相关,与总磷（TP）、SWC显著正相关（p<0.05）。（3）两种冻融循环作用下土壤CO2的排放速率均随冻融次数的增加呈逐渐下降趋势,而-5-5℃冻融循环作用CO2的排放速率第7次冻融有明显峰值。-10-10℃土壤CO2排放速率变化幅度大于-5-5℃。冻融循环对不同土壤CO2排放速率影响表现为15-30cm>0-15 cm。两种冻融幅度中CH4的氧化速率均随冻融次数的增加呈降低趋势。冻融循环作用对CH4氧化速率的影响表现为-10-10℃>-5-5℃,15-30 cm>0-15 cm。（4）冻融循环作用显著降低了土壤各类型磷脂脂肪酸（PLFAs）的含量,并改变了微生物的群落结构。-5-5℃冻融循环作用下,0-15 cm和15-30 cm土壤各类型PLFAs含量在冻融循环作用初期（前5次冻融循环）无显著变化,但随后逐渐降低;-10-10℃冻融循环作用下,土壤PLFAs含量在冻融初期即开始下降。土壤微生物在不同冻融循环作用下表现为:-5-5℃>-10-10℃;15-30 cm>0-15 cm。-5-5℃冻融循环0-15 cm土壤F/B变化趋势表现为先升高后降低,而15-30 cm土壤真菌/细菌（F/B）在冻融结束后显著增加。冗余分析结果表明土壤MBC、SWC,DOC、DON、MBN、TN是影响冻融循环土壤微生物群落变化的关键因子。（5）冻融循环降低了土壤水解酶活性和氧化酶活性。冻融幅度对土壤水解酶活性的影响表现为-5-5℃>-10-10℃,对土壤氧化酶活性的影响表现为-5-5℃<-10-10℃。冻融结束后,土壤水解酶活性变化的幅度表现为0-15 cm<15-30 cm,土壤氧化酶活性变化的幅度表现为0-15 cm>15-30 cm。相关分析和冗余分析的结果表明,冻融循环作用促进了土壤微生物的死亡,减少了土壤酶的释放;同时,微生物残体分解释放可利用的碳源和养分限制酶活性,最终导致土壤酶活性降低。（6）土壤CO2排放速率与土壤β-1,4-葡萄糖苷酶（BG酶）、过氧化物酶（PER酶）活性及TP含量呈正相关（p<0.01）。土壤CH4氧化速率与土壤各类型PLFAs含量及土壤BG、β-1,4-N-乙酰葡糖胺糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）、PER酶活性呈显著负相关（p<0.01）。路径分析结果表明,冻结温度主要通过影响土壤含水量和TP含量降低土壤氧化酶活性,进而降低土壤CO2排放。在CH4氧化路径中,一方面,较低的冻结温度直接影响微生物群落数量及结构;另一方面,较低的冻结温度通过改变土壤含水率和TP含量降低土壤水解酶活性,进而增加CH4氧化速率。综上,冻融循环通过改变土壤养分含量,降低了土壤中微生物的数量和酶活性,改变了微生物群落组

关键词： 煤矸石   天然浮石   胶粉   力学性能   冻融循环试验   本构损伤模型  

摘要： 本文以内蒙古乌海市典型矿区排土场护坡修复为背景,以当地富集的煤矸石和天然浮石为主要原材料,研制煤矸石混合骨料混凝土,试验研究分为两阶段,阶段一以煤矸石粗骨料等体积梯度取代浮石粗骨料制备煤矸石混合骨料混凝土,通过力学试验准确分析混凝土宏观力学性能;为了表征煤矸石混合骨料混凝土的抗冻性,测试其经受冻融循环作用后质量损失率和相对动弹性模量进行分析;考虑冻融循环作用对混凝土的影响,在此工况作用后进行单轴受压试验,根据混凝土特性构建考虑冻融循环作用的煤矸石混合骨料混凝土损伤劣化本构模型,分析混凝土的损伤劣化过程、损伤机理和耐久性能;根据力学特性和耐久性能劣化规律,结合微观特征,分析不同掺量煤矸石混合骨料混凝土的综合性能,确定最优矸石混掺比例。阶段二以最优取代率为基础,外掺120目胶粉改善矸石混凝土综合性能,分析矸石混合骨料胶粉混凝土宏观力学性能、冻融损伤特征和微观孔隙结构,基于核磁共振技术建立灰色关联模型,研究宏观力学性能与孔隙结构的关联,结论如下:1、随着煤矸石取代率增加,立方体抗压强度先增高后降低,最优取代率为60%,拟合劈裂抗拉强度与取代率指数函数,精度较高;建立的应力-应变曲线模型较好描述混凝土承受荷载变形过程。煤矸石和浮石混掺弱化了浮石以及煤矸石本身材料缺陷,减少混凝土内部孔隙,优化了孔隙结构;确定最优取代率为60%,其强度最高,初始刚度最大,抵抗弹性变形能力最强,内部孔隙结构较好。2、相同冻融循环次数作用下,煤矸石取代率与质量损失率成正相关,相对动弹性模量降低,取代率的增加在一定程度上劣化了煤矸石混合骨料混凝土抗冻性。建立煤矸石混合骨料混凝土在不同矸石取代率下的应力-应变损伤劣化本构模型,较好的反应不同取代率下煤矸石混合骨料混凝土强度发育劣化规律。3、120目胶粉掺入提高了混凝土的拉压比,减小了混凝土的脆性性能,提高了混凝土的韧性,胶粉颗粒具有填充孔隙的作用,减少了多害孔的产生,优化了孔隙结构;建立GM(1,3)模型,模型预测值与试验值的平均误差低于5%,模型具有较高精度,可为胶粉外掺对煤矸石混合骨料混凝土的改善作用提供理论参考。120目胶粉外掺可有效改善煤矸石混合骨料混凝土的耐久性,掺量为12%最佳。4、确定水灰比0.43,煤矸石60%等体积取代浮石粗骨料制备煤矸石混合骨料混凝土。为矿区大型排土场提供一种可就地取材的护坡混凝土材料,减少经济成本,减少固体废料煤矸石堆积占地面积大、自然污染环境等问题。外掺胶凝材料质量12%的120目胶粉可改善混凝土孔隙结构和抗冻耐久性,提高混凝土性能。

关键词： 煤矸石   聚丙烯纤维   膨胀土   冻融循环   强度劣化机理  

摘要： 膨胀土因其超强的胀缩性,素有“工程癌症”之称,给所在地区造成了许多灾害,对此,就必须将膨胀土改良,以减少因其引起的各种灾害。煤矸石是煤矿区产量最大的固体废弃物,大量堆放不仅对环境造成巨大危害,并且严重危害人们的身体健康。纤维加筋土是近年来发展起来的一种新型加强复合材料,随着生产力的发展,各种人工合成纤维逐渐被运用到土体改良中而且取得了很好的效果。为了解决膨胀土在实际工程中产生的问题,以及综合处理煤矸石的污染堆放问题,并尝试运用土体加筋技术,本文研究使用聚丙烯纤维和煤矸石共同来改良膨胀土。并且考虑到在北方的冬季,作为路基填料的膨胀土,会受到冻融循环以及荷载的作用。因此研究纤维煤矸石改良膨胀土在冻融循环作用下的强度劣化机理是很有必要的。本文采用向膨胀土中依次掺加0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%的煤矸石粉,对不同煤矸石粉掺量的改良膨胀土进行自由膨胀率试验、有荷载膨胀率试验、无荷载膨胀率试验以及收缩试验,确定其最佳掺量,在煤矸石粉最佳掺量下继续掺加0.2%、0.3%、0.4%的聚丙烯纤维并通过自由膨胀率试验、有荷载膨胀率试验、无荷载膨胀率试验以及收缩试验,确定聚丙烯纤维的最佳掺量。对素膨胀土和纤维、煤矸石粉改良膨胀土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验进行研究,并利用冻土断裂力学理论、冻土损伤理论分析改良膨胀土的力学强度劣化机理,并得出如下结论:（1）掺加纤维和煤矸石粉可以有效改善膨胀土胀缩性能,并且复合方法改良效果更好,确定煤矸石粉的最佳掺量为20%,聚丙烯纤维的最佳掺量为0.3%。复合改良膨胀土比纯膨胀土的自由膨胀率、无荷载膨胀率、400k Pa有荷载膨胀率、线缩率、体缩率分别降低了24%、49.35%、85.45%、57.45%、49.08%。（2）纤维和煤矸石粉的掺入对膨胀土的无侧限抗压强度改良效果显著,由321.55k Pa提升到634.795k Pa,增幅达到97.42%;冻融循环会使纯膨胀土和改良膨胀土产生冻胀融沉作用并导致其力学性能劣化;冻融循环次数对该两种土体的影响明显。（3）运用有限元法结合断裂力学理论对改良膨胀土在冻融循环后的力学性能进行数值模拟,分析土体的应力-应变曲线,发现其过程分为四个阶段,即初始裂纹加工阶段、弹性阶段、断裂过程区形成阶段以及软化阶段;模拟改良膨胀土损伤演化过程并分析宏观损伤现象,通过建立Weibull材料寿命预测模型以简化改良膨胀土损伤过程,结果表明两种土体符合冻融损伤失效模型D（n）=1-exp［-（n/η）β］和符合该强度劣化模型fD/f=exp［-（N/B）A］。

关键词： 冻融循环   黄土蠕变   蠕变变形量   长期强度   蠕变本构模型  

摘要： 中国的黄土分布较为广泛,其特殊的工程性质在黄土滑坡的产生和演变过程中发挥着重要的作用,随着寒区基础工程的不断发展,黄土区的冻融循环作用成为了影响边坡、基坑等工程安全性和长期稳定性的重要因素。大量实例证明,边坡失稳造成滑坡是坡体随时间不断蠕变变形的一个过程,因此研究冻融区黄土的蠕变特性及其本构模型对冻土力学的发展及寒区工程的建设有着十分重要的实际意义和科学价值。本文以典型季节性冻融区黄土滑坡(兰州黑方台滑坡群)为研究背景,以研究区内原状黄土为研究对象,在室内试验和理论分析结合的基础上,研究了不同冻融循环次数后不同含水率、不同围压、不同角度不贯穿裂隙原状黄土的蠕变特性,分析了不同试验条件下的长期强度变化规律,并对原状黄土的蠕变本构模型进行了参数辨识,主要研究内容及成果如下:(1)通过一系列三轴蠕变试验研究了原状黄土的应变-时间曲线,结果表明:其他条件不变时,试样的变形量随着冻融循环次数的增加先增加后减小再增加,其中1次和10次的变形量最大;冻融循环次数为0时,试样的变形量随着含水率和不贯穿裂隙角度的增加而增加,随着围压的增加而减小;冻融循环作用对较小含水率、围压以及不贯穿裂隙角度原状黄土试样的变形量影响较大;相比于冻融循环作用,含水率变化(12%-20%)、围压变化(100-200k Pa)以及不贯穿裂隙角度变化(45°和60°)对原状黄土试样变形量的影响较小;冻融循环作用削弱了含水率和不贯穿裂隙角度变化对原状黄土试样变形量的影响,增强了围压变化对变形量的影响。(2)通过对原状黄土试样的蠕变数据进行分析整理,得到了相应的应力-应变等时曲线,通过分析可以得到以下结论:冻融循环次数为0时,试样的屈服应力随着含水率、不贯穿裂隙的角度的增加而减小,随着围压的增加而增加;冻融循环作用削弱了含水率和不贯穿裂隙角度变化对原状黄土试样屈服应力的影响,增强了围压变化对屈服应力的影响。(3)在原状黄土长期强度方面,对比了稳态蠕变速率法和应力-应变等时曲线法的优缺点,并采用应力-应变等时曲线法求取了不同试验条件下原状黄土的长期强度,结果表明,长期强度呈现出随着冻融循环次数的增加先减小后增加再减小,随着原状黄土试样含水率和不贯穿裂隙角度的增加而减小,随着围压的增加而增加的规律。(4)在Burgers模型和西原模型一维蠕变方程的基础上,推导了相应的三维蠕变方程并对冻融后原状黄土试样的蠕变曲线进行了拟合,结果表明,Burgers模型三维蠕变方程的拟合效果更好,但是这两种蠕变模型均不能较好地描述原状黄土试样的加速蠕变阶段,因此在分析黑方台原状黄土蠕变全过程曲线的基础上,通过串联一个由塑性元件和非线性化黏性元件并联组成的非线性黏塑性体,新建立了一种非线性化的Burgers模型并推导了相应的三维蠕变方程,和传统的元件模型相比,该模型可以较好地拟合原状黄土试样的加速蠕变过程。

关键词： 力学性能   冻融循环   本构方程   钢纤维再生混凝土梁   抗弯性能  

摘要： 随着我国建设发展中对资源矿产的大量开采,资源和环境问题日趋严重,为解决“双碳”问题,将废弃混凝土料再利用的再生混凝土应运而生。由于再生混凝土的性能通常劣于普通混凝土,为提高其抗裂性能、抗拉性能和延展性能等力学指标,钢纤维再生混凝土的研究与应用逐步发展。另外,我国拥有广大的寒冷区域,大量混凝土建筑将受到冻融的侵蚀而破坏,研究表明,钢纤维混凝土拥有更好的抗冻性能,而目前关于钢纤维再生混凝土遭受冻融循环作用后的力学性能研究还很少。综上所述,对冻融循环下钢纤维再生混凝土结构的性能研究有很强的科研与工程意义。 本文以冻融循环次数为研究变量,以同环境钢纤维混凝土梁为对照,进行钢纤维再生混凝土梁抗弯性能试验与研究。为实现这一目标,开展的主要研究工作如下: (1)通过不同冻融次数后的钢纤维混凝土、钢纤维再生混凝土的标准试块进行抗压和劈拉试验,得出了冻融次数与抗压强度和劈拉强度的数量关系,两种混凝土在冻融循环过程中的质量损失、相对动弹模损失、立方体抗压强度损失、劈拉强度损失、轴心抗压强度损失和弹性模量损失。通过这些冻融下损失指标分析钢纤维混凝土和钢纤维再生混凝土的冻融损伤规律并进行寿命预测,结果表明冻融循环下钢纤维再生混凝土的寿命略低于钢纤维混凝土。 (2)通过轴心抗压试验获得钢纤维混凝土和钢纤维再生混凝土冻融循环下的单轴受压应力-应变曲线,建立两种混凝土冻融循环下的单轴受压本构方程。 (3)通过不同冻融循环次数下钢纤维混凝土梁和钢纤维再生混凝土梁的抗弯性能试验,对试件梁进行力学过程与破坏形式进行分析,结果表明冻融循环下两种混凝土梁都有较好的延性;结合试块试验得到的基本力学性能指标,基于《规范》法建立开裂弯矩计算公式,并通过《规范》法、等效截面缩减法两种方法分别建立极限弯矩的计算公式,为寒区钢纤维再生混凝土结构设计提供参考。

关键词： 季冻区   冻融循环作用   碳纤维石灰改良粘性土   静力特性   微观分析  

摘要： 粘性土在我国东北地区广泛分布,东北地区属于典型的季节性冻土区,由于该地区缺乏粗粒土,常被选作公路或高速铁路的填充材料。粘性土对冻结温度和水分变化很敏感,当温度降至0℃以下时,孔隙水部分变成冰晶,体积膨胀而引起冻胀。当温度升高到0℃以上时,土体中的冰晶融化,土体出现解冻沉降和弱化。这种重复的冻融循环可以改变宏观结构并改变力学行为。故本文选取我国东北地区的粘性土进行改良试验,这对季冻区粘性土路基具有实际的工程意义。具体工作如下:（1）通过查阅文献,石灰改良粘性土的最佳掺量在4～5%左右,故选取石灰梯度为0%,1.5%,3%,4.5%,6%;第1次冻融对土力学影响很大,并于6～8次冻融后趋于稳定,故选取冻融循环次数为0,1,2,6,8,12进行试验。（2）通过击实试验得到5种不同石灰掺量下的最佳含水率(wopt)和最大干密度,通过静三轴试验研究经历不同冻融循环次数下,不同石灰掺量在wopt及wopt±2%下的试件粘聚力和内摩擦角的变化规律,并计算出抗剪强度,石灰改良土的力学性能随石灰掺量增加而增大,石灰掺量大于4.5%时继续掺入石灰力学指标下降,冻融循环作用对石灰改良土力学性能影响明显;含水率增大抗剪强度显著下降,但粘聚力和内摩擦角变化规律不统一。（3）在所得最佳石灰掺量的基础上掺入碳纤维进一步对粘性土改良,在石灰掺量为4.5%的基础上分别掺入0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的碳纤维,在wopt及wopt±2%下同样通过静三轴试验获得改良土压实试件的抗剪强度指标,得出最佳碳纤维掺量为0.4%;再制备最佳石灰、碳纤维掺量下的粘性土压实试件,研究讨论其在wopt及wopt±2%下经历不同冻融循环次数的抗剪强度指标及变化规律,并与经历相同冻融循环次数下的最佳石灰掺量且未掺碳纤维的试件进行对比分析,碳纤维的掺入改善了石灰改良土冻融后的力学性能,混合的碳纤维会使土从脆性变成塑性,其影响机理主要表现在单根纤维的一维增强效应和纤维网络的三维增强效应两个方面。（4）采用电镜扫描试验,分别对经历不同冻融循环次数的素土、石灰改良粘性土及碳纤维石灰改良粘性土的颗粒、孔隙变化进行了定性和定量分析,通过对微观参数的分析来讨论宏观力学行为的规律,选用灰色关联分析法,找出对冻融作用下宏观力学行为有实质影响的微观参数,进一步揭示宏观力学行为的微观机理。

关键词： 预应力混凝土梁   数值分析   冻融循环   锈蚀   长期性能  

摘要： 预应力混凝土广泛应用于土木工程结构,其在耐久性、抗裂性、抗下挠和节省材料等方面相较于普通钢筋混凝土具有明显优势。但预应力混凝土结构同样也会遭受外界环境的侵蚀,例如冻害、锈蚀等作用,导致结构往往达不到设计使用寿命就会出现结构退化、挠度过大和承载力降低等适用性和耐久性问题,这不仅增加了后期结构的检测和维修成本,更严重时还可能出现结构过早失效,造成生命财产的巨大损失,危及人民生命安全。我国幅员广阔,北方沿海区域有众多预应力混凝土结构同时遭受冻融循环和锈蚀的双重影响。在冻融循环作用下,混凝土力学性能下降,材料的密实性降低而渗透性增强,环境中的有害离子加速渗透进入结构内部,加剧钢筋和钢绞线的锈蚀程度。随着锈蚀率的不断增大,混凝土出现锈胀开裂且裂缝不断发展,这更加速了预应力混凝土结构的劣化。因此,冻融与锈蚀共同作用下,混凝土与预应力筋材料的损伤不断积累且相互促进,预应力混凝土结构更容易出现提前失效的情况。另外,在预应力混凝土结构长期服役的过程中,结构适用性除了遭受来自外界环境耐久性劣化作用以外,混凝土与预应力筋材料自身的力学性能也会随时间发生演化,比如,材料强度,弹性模量等。在这些时变效应中,对预应力混凝土梁适用性能影响最显著、最关键的是混凝土的徐变收缩效应和预应力筋松弛效应。在长期荷载作用下,混凝土徐变收缩效应和预应力筋松弛效应会导致预应力混凝土结构中预应力损失增大,结构内力随时间重新分布,引起结构次内力,最关键的问题是会导致挠度随时间增大,严重地甚至导致结构在设计寿命内产生超限挠度。由此可见,预应力混凝土结构的长期性能并不是受单一因素的影响,而是荷载、外界腐蚀介质、混凝土徐变收缩、预应力筋松弛共同作用的影响,作用机理并非单个因素的简单叠加,而是不同因素互相促进。这些因素使结构长期行为更加复杂,在评估过程中必须综合考虑。目前关于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土结构短期与长期研究都比较匮乏,为了弥补研究空缺,本文进行了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期及长期受力性能数值分析研究,研究成果对以后预应力混凝土梁的耐久性评测以及安全性评估有着重要意义,也为以后预应力混凝土结构实际工程应用提供理论依据。本文主要的工作内容如下:(1)进行了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能研究,建立了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力数值分析模型。该分析模型采用塑性损伤模型模拟混凝土材料性能,运用降温法对混凝土施加预应力,并且考虑了冻融循环和锈蚀作用造成的材料损伤以及非线性,阐明了混凝土强度、锈蚀率、冻融循环次数及预应力水平等因素对预应力混凝土梁短期受力性能的影响。结果表明:预应力混凝土梁的最终破坏模式会因为冻融循环与锈蚀的严重程度不同而发生变化;冻融循环与锈蚀耦合作用下相较于单因素作用下的预应力混凝土梁的抗弯性能明显降低;冻融循环作用对梁承载力影响显著,冻融循环次数为150次的锈蚀预应力混凝土梁极限承载力相较于没有冻融循环下的梁极限承载力降低了17.9%;较高的预应力水平只会提高冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的前期刚度,对后期挠度与极限荷载影响较小。建立的模型可用于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能的预测。(2)基于我国现行规范以及相关文献模型,引入考虑锈蚀率和冻融循环次数的参数变量,提出冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁开裂荷载计算公式,受压与受拉破坏模式下抗弯承载力计算公式,以及冻融循环作用后的短期刚度修正公式。公式计算结果与模拟结果吻合良好,证明本文提出的公式对计算冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁短期受力性能具有一定的适用性。(3)开发了冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的长期受力性能理论分析模型。分析模型考虑了混凝土徐变收缩、开裂、预应力筋松弛效应以及冻融循环和锈蚀作用造成的材料损伤。模型采用了满足叠加原理的积分型徐变收缩模型的逐步计算法,利用Magura等人提出的方程来考虑预应力筋松弛效应,运用弥散裂缝模型来考虑混凝土的开裂。最终基于未开裂混凝土的公式开发模拟裂缝在一个时间过程的数值分析模型。建立的数值分析模型可应用于冻融循环作用下锈蚀预应力混凝土梁的长期受力性能与寿命预测。(4)基于上述分析模型,研究了混凝土徐变、收缩、预应力筋松弛、混凝土强度、锈蚀率、冻融循环次数及预应力水平对预应力混凝土梁长期时变性能的影响。结果发现,用较高强度的混凝土可以显著减小预应力混凝土梁的长期变形,混凝土等级为C35的预应力混凝土梁的长期挠度比混凝土等级为C50的梁高32.7%;冻融循环次数对预应力混凝土梁的长期变形影响最大,持荷1000天,冻融循环150次的预应力混凝土梁的长期挠度约为没有经历冻融循环梁的近4倍,预应力筋锈蚀对长期挠度几乎没有影响;预应力水平越高,越能抑制预应力混凝土梁下挠的发展,但梁的预应力损失也随之增大。

关键词： 冻融循环   灰岩   物理力学特性   劣化效应   损伤本构模型  

摘要： 随着国家西部建设进程的加快,寒区冻融灾害给工程建设带来的潜在风险越来越受重视。针对寒区岩土体的冻融劣化问题,本文选取灰岩作为研究对象,通过室内冻融循环试验模拟寒区温差环境,开展冻融循环作用下灰岩的物理力学试验,基于试验结果对灰岩的冻融劣化效应及机理进行分析,并结合损伤力学理论建立了冻融循环作用下灰岩的损伤演化方程及本构模型。主要研究内容及成果如下:(1)对灰岩试样分别进行0、10、20、30、40次冻融循环试验,通过测定冻融循环过程中试样的质量和体积参数分析灰岩的质量变化、饱和吸水率变化及密度变化规律。灰岩的干燥质量、饱水质量分别表现出损失和增加的变化特征,且变化量随冻融循环次数的增加逐渐增加;饱和吸水率随循环次数的增加逐渐上升;饱和密度在不同循环次数作用后均有所增加,但增长量随循环次数的增加而降低,而干密度随循环次数的增加表现出先增大后减小的变化特征。(2)对冻融循环作用后的灰岩试样开展单轴、常规三轴压缩试验,分析不同冻融循环次数和围压条件下灰岩的应力-应变曲线、破坏形态、强度及变形参数变化规律,并引入劣化度的概念计算灰岩各力学参数的总劣化度及阶段劣化度,进而分析冻融循环作用下灰岩的劣化效应。随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线的压密段变形延长、塑性段变形出现小幅度增长、直线段斜率减小,试样主要表现为脆性张拉破坏;随着围压的增大,曲线的压密段变形减小,直线段斜率增加,塑性段变形增加,峰后出现残余强度,试样的破坏模式逐渐转变为纯剪切破坏或拉剪混合破坏。在力学性质方面,灰岩的抗压强度、弹性模量、变形模量、粘聚力及内摩擦角均随冻融循环次数的增加而降低,但劣化速率有所差异:除内摩擦角的劣化速率随循环次数的增加呈持续增长的趋势外,其他参数均随冻融循环次数的增加整体表现出先增大后减小的变化规律;围压会抑制冻融循环作用对灰岩力学性质的影响,且抑制效果与冻融循环次数、围压均呈正相关关系。(3)根据冻融循环作用下灰岩力学特性试验结果,分别对单轴抗压强度、弹性模量和变形模量的损伤因子进行分析,选取相关系数最高的弹性模量作为灰岩的冻融损伤变量,基于Weibull分布、Drucker-Prager强度准则和Lemaitre应变等价原理建立了冻融循环作用下灰岩损伤变量表达式及考虑压密段影响的本构方程,并通过试验数据对损伤本构方程进行验证。损伤本构模型能够较好地反映出冻融-荷载作用下灰岩的峰值强度、峰值应变、压密阶段及弹性变形特征,峰后破坏阶段的应力-应变曲线契合度相对较差。此外,通过分析损伤本构模型参数的表征意义及其随冻融循环次数的变化,发现模型参数在一定程度上能够反映岩石的宏观性质,且变化特征与物理试验结果基本相同。