关键词： 混凝土   冻融循环   冲击压缩性能   SHPB   破碎分析  

摘要： 混凝土作为一种常用的建筑材料,在寒冷地区的工程建设时,会经常处于冻融循环的工程环境中。在开发隧道、矿井等深部地下工程时,随着埋深的不同,岩体内部会产生不同强度等级的地应力,作为衬砌材料的混凝土又会受到复杂的围压作用。此外爆破产生的冲击荷载、坝体受到的动水压力,交通荷载等也是混凝土经常面临的动荷载作用。长期以来,学者们主要研究混凝土的静力学性能,对极端温度下的动力学性能特别是处于复杂围压下的力学性能研究较少。所以本文考虑冻融循环作用、围压作用以及高应变率,对混凝土展开的力学性能研究可以为寒区工程建设提供一定的理论依据。本文以C35混凝土为研究对象,利用SHPB试验系统,对经历不同冻融循环次数的混凝土试件系统地展开动力抗压试验研究。通过对比分析应力-应变曲线,分析了峰值应力、峰值应变和应变率与冻融循环次数的关系;最后进行破碎筛分试验,分析破碎块体的分形维数,揭示了单轴冲击荷载作用下混凝土试件的破碎规律,并且从能量角度,分析混凝土宏观破碎状态与能量吸收之间的关系。全文主要研究内容和结论如下:(1)对混凝土试件进行冻融循环试验,观察和记录经历不同冻融循环次数后混凝土试件裂纹发育现象,分析基本物理量变化。研究表明:冻融循环过程中,随着冻融循环次数的增加,试件的质量损失率、体积增长率、孔隙率一直在增加。在冻融循环50次后,试件损坏较严重。(2)对冻融循环后的试件进行单轴和主动围压及三种应变率下冲击压缩试验,分析比较应力-应变曲线,揭示了冻融循环次数、加载速率和围压等因素对冲击压缩性能的影响规律。研究表明:峰值应力具有明显的应变率强化效应,冻融循环对混凝土的力学性能具有劣化作用,随着冻融循环次数的增加,峰值应力降低;围压作用可以提高试件的力学性能,同样的加载速率和冻融循环次数下,试件的破坏程度减小。(3)对单轴冲击后的破碎块体进行筛分试验,分析块体的分形维数,揭示了分形维数与冻融循环次数之间的规律,研究表明:分形维数越大,破碎程度越大;从能量的角度研究了混凝土受单轴冲击荷载过程中各阶段能量的耗散规律,表明混凝土破碎过程中,随着加载速率的增加,吸收能越大;随着冻融循环次数的增加,吸收能越小。

关键词： 沥青混合料   水损害   水稳定性   黏附性   灰关联熵分析  

摘要： 沥青路面在我国得到了快速的发展和使用,但是在使用过程中的病害问题也随之出现,其中,因沥青混合料水稳定性不足而引起的水损害问题较为突出。所谓的沥青路面水损害,即在行车荷载、温度和湿度等环境条件的作用下,沥青混合料逐渐受到侵蚀和破坏,最终导致路面出现坑槽、松散、唧浆等现象,严重影响行车舒适度和行车安全。所以本文对沥青与集料的黏附性以及沥青混合料的水稳定性展开研究,针对黏附性评价方法和水稳定性评价方法之间的关系做研究,以期为沥青路面抗水损害的设计、施工与养护提供技术指导。首先,本文选用6种沥青,分别为:SK 90号基质沥青、橡胶沥青、SBS改性沥青、SK 90号沥青+3‰Ⅰ型抗剥落剂(后面简称1号沥青)、SK 90号沥青+3‰Ⅰ型抗剥落剂+3‰Ⅱ型抗剥落剂(后面简称2号沥青)、SK 90号沥青+3‰Ⅱ型抗剥落剂(后面简称3号沥青),对连续密级配类型(AC-13、AC-16)沥青混合料给出了矿料配合比的设计和最佳沥青用量的确定。其次,本文采用水煮法、水浸法、接触角法和光电比色法4种黏附性评价方法,在多次冻融循环(0次、3次、6次、9次、12次、15次、18次)下对6种沥青与辉绿岩的黏附性进行评价,并评价不同评价方法之间的关系。然后,采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验,对多次冻融循环(0次、6次、12次、18次)下沥青混合料的水稳定性和渗透性进行测试,并与课题组自行改进的渗水装置所测结果进行对比。最后,将沥青—集料的黏附性指标与沥青混合料的水稳定性指标进行灰熵关联分析。试验结果表明:在相同的冻融循环次数下,6种沥青的黏附性和沥青混合料的水稳性均表现出的优劣性排序是一致的,优劣顺序依次为:橡胶沥青、3号沥青、2号沥青、SBS改性沥青、1号沥青、基质沥青;通过对各黏附性评价指标间的相关性分析,建议采用光电比色法与水浸法相结合,或采用光电比色法与接触角法相结合的组合评价方法对沥青与集料进行黏附性评价;沥青混合料的TSR和残留稳定度均随冻融循环次数的增加而减小;渗水系数随冻融循环次数的增加而增大;在相同的冻融循环次数下,6种沥青混合料的渗水系数由大到小依次为:基质沥青、1号沥青、SBS沥青、2号沥青、3号沥青、橡胶沥青;AC-16沥青混合料的渗水系数增大速率大于AC-13沥青混合料的增大速率,改进渗水仪比标准渗水仪能更好地反映沥青路面的渗水性。通过灰关联熵分析得出各沥青混合料的4种黏附性指标与2种水稳定性指标的关联度大小关系,为工程实践提供了较好的理论指导。

关键词： 固结排放   新型胶凝材料   冻融循环   微孔结构   无损检测   多场耦合  

摘要： 尾砂是金属矿选矿之后剩余的暂时不能利用的固体废弃物,单纯地将尾砂排放到尾矿库已经不能满足人们日益提高的安全及环保意识,为解决这一问题,尾砂固结排放技术应运而生。本文以季节性寒区全尾砂固结排放技术应用为背景,开展了冻融循环对全尾砂固结体物理力学特性的研究。围绕固结体冻融循环的问题,论文进行了大量而有系统的室内试验,包括新型胶凝材料的研究试验、单轴压缩试验、XRD测试试验、热重分析试验、SEM测试试验、压汞试验、不同冻结温度下的冻融循环试验、超声波检测试验、电阻率检测试验等。全面了解了全尾砂固结体在冻融循环过程中的物理力学特性,进而深入分析了固结体冻融损伤劣化机理及其影响因素,构建了全尾砂固结体冻融过程中的THM多场耦合模型并进行了数值模拟。论文主要开展了以下几方面的研究:(1)全尾砂固结体新型胶凝材料的研究。对以粒化高炉矿渣为主要成分的新型胶凝材料进行正交试验,并对单轴抗压强度试验数据进行极差分析和方差分析,得到了新型胶凝材料的配比。研究了养护龄期为3天、7天和28天时,全尾砂固结体添加新型胶凝材料与添加普硅42.5#水泥水化产物种类和量的变化以及水化产物形态的差异。分析了由此对抗压强度的影响,以及随养护龄期的增长,添加新型胶凝材料和普硅水泥的固结体孔隙体积和最可几孔径的变化原因。(2)冻融循环作用下全尾砂固结体破坏特征研究。对养护龄期为3天、7天和28天的全尾砂固结体分别开展了冻结温度为-5℃、-10℃和-15℃时的冻融循环试验,以及冻融循环后的单轴压缩试验,XRD试验,热重分析试验和SEM试验,研究了冻融循环对全尾砂固结体力学破坏的影响,固结体宏观及微观的破坏形态,水化产物物相变化及冻融损伤机理,建立了固结体损伤量与冻融次数之间的函数关系,并得到了损伤率与冻融次数之间的关系式。(3)冻融循环对全尾砂固结体微观孔结构特性的影响研究。对养护7天和28天的全尾砂固结体进行了冻结温度为-5℃、-10℃和-15℃条件下循环20次的冻融试验和冻结温度为-10℃条件下不同循环次数的冻融试验,随后分别对其进行压汞试验。研究了不同养护龄期和冻结温度条件下固结体的孔径分布,冻结温度、冻融次数对全尾砂固结体孔结构参数的影响,建立了孔隙体积和孔隙率对固结体损伤的函数关系。(4)冻融循环作用下全尾砂固结体无损检测试验研究。对养护3天、7天和28天的全尾砂固结体进行了冻结温度为-5℃、-10℃和-15℃条件下的冻融循环试验、超声波检测试验和电阻率检测试验。研究了冻融循环过程中养护龄期、冻结温度、冻融次数对固结体超声波波速和电阻率的影响,建立了超声波波速与冻融循环次数之间的函数关系以及电阻率与冻融循环次数之间的函数关系。将超声波测试、电阻率测试与单轴抗压强度测试结果联系,结合超声波和电阻率的检测原理,阐明了两种无损检测技术在工程应用中的适用性和条件。(5)分析了全尾砂固结体冻融过程中温度场、渗流场、应力场的耦合关系,建立了温度场-渗流场-应力场的多场耦合模型,并将构建的数学模型嵌入到COMSOL Multiphysics软件中,对比实验室试验验证了构建模型的正确性,并对不同冻融次数下固结体的耦合行为进行了模拟。

关键词： 再生粗骨料取代率   冻融循环   简支梁   正截面受弯  

摘要： 随着城市体系的完善、生态环境优良化、乡村振兴战略实施,带动各行各业发展的同时也产生越来越多的建筑垃圾及工业废料,成为了生态文明建设的绊脚石。为了减少建筑垃圾等固体废料以及其他的工业废料对环境的破坏,再生自密实混凝土材料应用而生。然而,耐久性病害对混凝土建筑结构的使用年限及使用状态有很大的影响,因此不论是对普通混凝土还是对于再生混凝土,耐久性问题都是其应用推广所必须要探讨的问题。统计资料显示,作为混凝土耐久性重要评判标准的抗冻性能,也一直是国内外学者研究的热点,现有的再生混凝土抗冻性的研究基本集中在冻融机理和基本力学性能等方面,对于再生混凝土构件的冻融劣化研究较少。因此,本文对再生粗骨料自密实混凝土的冻融性能展开研究,通过对比分析5组不同再生粗骨料取代率及有限次冻融作用对再生自密实混凝土的影响,得出较优的抗冻再生自密实混凝土取代率后,对3组再生自密实混凝土梁受弯构件进行冻融循环后的正截面受弯性能的展开研究,为再生自密实混凝土的冻融劣化研究和使用推广提供一定的参考。试验结果表明,5组取代率不同的再生粗骨料自密实混凝土试件,在冻融循环过程中,其质量损失率和强度损失率基本都呈现随着冻融循环次数的增加而增加的趋势,同时相对动弹性模量呈现降低的趋势;在一定冻融循环次数下,随着再生粗骨料取代率的增加,试件的质量损失率和强度损失率呈增加趋势,相对动弹性模量呈减小的趋势;再生粗骨料取代率为50%时,混凝土试件的抗冻融性能及再生粗骨料的使用率方面都较优,可作为梁构件所采用的再生粗骨料取代率;随着冻融循环次数的增加,梁构件受弯后的开裂弯矩、极限弯矩及短期刚度都呈降低的趋势;再生粗骨料自密实混凝土相对自密实混凝土冻融后受弯的开裂弯矩及短期刚度对于已有公式的适用性较差。

关键词： 路用性能   剑麻纤维   正交试验   冻融循环试验  

摘要： 吉林省西部地区分布着大面积的盐渍土,作为一种特殊土,盐渍土会对公路、铁路造成盐胀、溶陷、冻胀和翻浆等多种形式的道路病害。盐渍土所表现出的工程性质使其在一定程度上不适合直接用做路基填料。而在吉林省西部地区,优质填料极为匮乏,因此,采取措施对盐渍土路用性能进行改良,使其各项性能指标满足规范要求就显得尤为重要。本文以吉林省西部通榆县西哈拉干土屯盐碱地具有代表性的盐渍土为研究对象,采用石灰、剑麻纤维对此种盐渍土的性质进行改良。通过盐渍土的无侧限抗压强度试验,对含水率、石灰掺量、纤维掺量、纤维长度对土体强度的影响进行了研究。同时选取石灰掺量、纤维掺量、纤维长度进行三因素三水平正交试验,并得出最优组合。同时在试验结果的基础上选取最优组合和原状土进行承载比(CBR)试验和冻融循环作用下的三轴试验及无侧限抗压强度试验。本文的研究结果总结如下:(1)对盐渍土土样的力学性能和物理性能、化学成分进行了试验研究。实验土样含盐总量为0.389%,定名为中盐渍土,根据规范要求不可以直接用作路基填筑。(2)通过三因素三水平正交试验得出石灰-纤维改性盐渍土的最优配合比:石灰掺量为10%、纤维长度为1.5cm、纤维掺量为0.9%。最优配合比下石灰-纤维改性盐渍土的无侧限抗压强度为2.81MPa,比原状土无侧限抗压强度增加2.20 MPa,强度增长361%。(3)最优配合比下,石灰-纤维改性纤维土的粘聚力为147.49kPa、内摩擦角为29.32°。粘聚力较原状土增长70%、内摩擦角增长23%。9次冻融循环作用后,石灰-纤维改性纤维土的粘聚力为117.62kPa、内摩擦角为32.60°,粘聚力较原状土增长84.76%、内摩擦角增长13.08%。(4)经过1次、3次、6次、9次冻融循环后,原状土无侧限抗压强度衰减率分别为10.21%、21.36、28.79%、32.53%,石灰-纤维改性盐渍无侧限抗压强度衰减率分别为6.75%、15.46%、21.94%、24.18%。石灰-纤维改性盐渍土的无侧限抗压强度衰减率小于原状土,说明盐渍土中加入石灰、剑麻纤维可以提高盐渍土的抗冻性。经过9次冻融循环作用,石灰-纤维改性盐渍土无侧限抗压强度为2.14MPa,比原状土增加1.73 MPa,强度增长421%。(5)对原状土和石灰-纤维改性盐渍土进行了CBR试验,石灰-纤维改性盐渍土的CBR值为13.78,原状土的CBR值为1.23。CBR值增长1020%,且石灰-纤维改性盐渍土的CBR值满足规范中所有等级公路的填筑要求。

关键词： 灌浆套筒   接头   振动荷载   冻融循环   受力性能  

摘要： 近年来,我国大力发展装配式建筑。保证装配式建筑安全稳定的关键在于预制构件之间连接节点的性能,目前普遍采用套筒灌浆连接方式。经大量工程实例及试验检验,在理想环境中进行灌浆连接施工,形成的接头力学性能能够满足规范要求。但实际施工过程中,不可避免会受到一些外界环境条件的影响。例如在已营运地铁线路上建造装配式建筑过程中,会受到车辆运行所带来振动荷载的影响,套筒灌浆料在凝固过程中受到振动荷载作用,势必会对最终形成的灌浆接头力学性能产生一定程度影响。同时,我国作为世界上寒区分布最广的国家之一,套筒灌浆连接节点也不可避免会受到冻融循环作用的影响。目前针对上述两项影响因素的研究还较少,因此本文以目前国内普遍采用的GT4型半套筒灌浆接头为研究对象,分析套筒灌浆接头试件在上述两种特殊环境状态下的力学性能。主要研究内容和成果有以下几个方面:1)分别以振动荷载和冻融循环作用条件为影响因素变量,以GT4型半套筒灌浆接头为研究对象,结合实际工程情况,制定合理可行的室内试验方案,并进行试验。2)由设计抗压强度为85MPa的CGMJM-VI型高强水泥基灌浆料、GT4型钢筋半灌浆套筒以及钢筋直径分别为14mm、20mm的HRB400级钢筋组成的套筒灌浆接头试件,在经受振幅为0.1～1mm、频率为0.5～2Hz的振动荷载作用后其力学性能可以满足规范要求,该型套筒灌浆接头可在上述振动荷载作用情况下用于装配式建筑的施工。3)振动荷载中振幅的增大会降低套筒灌浆接头试件的极限承载力,同时振幅的增大在一定范围内对套筒内钢筋与灌浆料之间的锚固性能产生不利影响,超过此范围后又产生有利影响,具体临界范围大小需要在后续试验中继续研究;振动荷载中频率的变化对套筒灌浆接头力学性能的影响很小;由振动荷载引起的钢筋偏心现象对接头试件的力学性能影响微弱。4)由设计抗压强度为85MPa的CGMJM-VI型高强水泥基灌浆料、GT4型钢筋半灌浆套筒以及钢筋直径分别为14mm、20mm的HRB400级钢筋组成的套筒灌浆接头试件,在经受温度范围为-15～6℃的冻融循环作用后,其力学性能仍可满足规范要求,但试件的极限承载力、破坏位移等数据性能指标均出现一定程度下降,且随冻融循环次数的增加下降幅度加大。

关键词： 补水条件   冻融循环   冻胀融沉   累积塑性应变   动回弹模量预估模型  

摘要： 我国高速公路经过几十年的快速发展,对国民经济的增长具有举足轻重的促进作用。路基作为道路工程主要的承重结构,其性能的稳定性对于保障道路交通的安全运行尤为重要。影响路基性能的因素复杂多样,其中季节性冻土区复杂的外界环境尤其严重了影响到了路基的工程性质。目前关于季节性冻土地区道路路基经历冻融循环后的力学性质变化的研究课题研究相对还比较匮乏,特别是在冻融与动荷载耦合作用下路基土的动力特性方面的相关研究还有待深入的分析。1.开展了补水与不补水条件下的路基土冻胀融沉试验。通过开展室内冻胀融沉试验重点分析了补水与不补水冻融条件下路基土体的冻胀量和冻胀率的演化规律,且研究了土体经历冻融循环后的水分迁移规律。并结合因素敏感性分析法,系统分析了主要因素对土体冻胀率影响程度大小。结果表明,冻融循环次数对冻胀率影响最大,初始压实度次之,初始含水率影响最小。2.开展了动荷载与冻融循环耦合作用下的路基土回弹模量试验针对季冻区路基的服役特性,设计了动荷载与冻融循环耦合试验方案,系统开展了路基土经历不同冻融循环次数后的动三轴试验,考虑冻融循环次数、动应力幅值、围压、初始含水率、初始压实度和加载频率等因素的影响,研究了土体经历冻融循环后的动回弹模量演化特征,给出了季节性冰冻区路基土动回弹模量取值建议值。3.开展了动荷载与冻融循环耦合作用下的路基土累积塑性应变试验给出了动荷载与冻融循环耦合作用下的路基土累积塑性应变的演化规律,设计了动荷载与冻融循环耦合试验方案,重点分析了冻融循环次数、动应力幅值、围压、初始含水率、初始压实度和加载频率等因素的影响。采用单因素法,先定性的分析了各个因素对路基土累积塑性应变的影响规律;再利用因素敏感性分析法,定量分析了了各个因素对路基土累积塑性应变的贡献率。基于大量实验数据的基础上,利用多元回归方法建立了累积塑性应变预估模型,并进行了理论计算值与实测值对比,具有较高的吻合性,表明该模型具有足够的可靠性,为道路路基在动荷载和冻融循环耦合作用下的路基设计、施工和灾害预防提供了重要的参考作用。

关键词： 人工制备遗址土   冻融循环   力学性质   统计损伤模型  

摘要： 我国西部地区处于季节性冻土区域,土体受到冻融循环影响降低了其力学性能。土体在冻融循环作用下的损伤破坏过程实质上是一个损伤不断积累的过程,了解和掌握在冻融循环作用下人工制备遗址土力学性质的损伤对遗址土的研究和保护具有重要意义。本文以室内试验为基础,运用损伤力学理论和Weibull分布统计原理建立冻融循环次数下统计损伤模型,系统研究了人工制备遗址土在冻融循环作用下的损伤,具体开展工作如下:首先,通过无侧限抗压强度试验,考虑了初始干密度、冻融循环次数及土与糯米浆质量比对人工制备遗址土无侧限抗压强度的影响,并分析冻融循环作用下不同初始干密度及土与糯米浆质量比的人工制备遗址土无侧限抗压强度衰减规律,基于损伤力学理论,运用Weibull分布函数建立冻融循环作用下人工制备遗址土统计损伤模型,并验证模型合理性。其次,通过直剪试验,考虑含水率、土与糯米浆质量比及冻融循环次数对人工制备遗址土剪应力-位移曲线的影响,并建立冻融循环作用下不同含水率、土与糯米浆质量比的人工制备遗址土粘聚力和内摩擦角的损伤系数。最后,通过三轴固结排水剪试验,考虑土与糯米浆质量比、糯米浆密度、围压及冻融循环次数下对人工制备遗址土的应力-应变、抗剪强度参数、破坏强度的影响,并分析冻融循环作用下不同土与糯米浆质量比、糯米浆密度的人工制备遗址土抗剪强度参数的衰减规律,基于试验数据,建立了 E-μ模型和南水模型,分析冻融循环作用对E-μ、南水模型参数的影响,基于损伤力学理论,运用Weibull分布函数和Mohr-Coulomb准则考虑建立冻融-荷载耦合作用下人工制备遗址土统计损伤模型,依据人工制备遗址土应力-应变曲线特征,确定统计损伤模型参数,运用人工制备遗址土的力学性质参数验证统计损伤模型的合理性,并分析冻融循环作用下损伤变量的变化规律。

关键词： 冻融循环试验   平面应变试验   原状黄土   强度特性   劣化模型  

摘要： 我国北方大部分黄土地区都处在季节性冻土区域,使得这—区域黄土都受到冻融循环过程中水分迁移的影响,从而造成黄土强度降低,在边坡、路基、土石坝等实际工程中造成许多工程病害问题。本文以咸阳地区原状黄土为研究对象,对不同含水率、不同冻融循环周期下的原状黄土试样,进行不同固结围压下的平面应变试验,分析含水率、冻融循环周期以及固结围压对原状黄土主应力与轴向应变曲线、中主应力与轴向应变曲线、b与轴向应变曲线以及侧向应变与轴向应变曲线的影响;含水率和冻融循环周期分别对原状黄土抗剪强度指标粘聚力、内摩擦角的影响。这—研究对防治治理季节性冻土区域原状黄土的工程病害问题有一定的理论价值和指导意义。本文通过试验研究得到以下成果:(1)(σ-σ3)-ε1曲线得出随着固结围压的增大,曲线斜率不断增大,曲线不断上升土体强度不断增大;随着含水率和冻融循环周期的增大,曲线斜率不断下降,土体强度不断降低;冻融循环作用对(σ1-σ3)-ε1 曲线的影响作用随着含水率的增大而明显,随着固结围压的增大而削弱。(2)σ2-ε1曲线的变化特征与(σ1-σ3)-ε1曲线的变化相似,即随着含水率和冻融循环周期的增大中主应力-轴向应变σ2-ε1曲线向下移动;随着固结围压的增大中主应力-轴向应变σ2-ε1曲线向上移动。b-ε1曲线中b值的范围在0.12-0.35之间,对固结围压的增大b-ε1曲线无明显的规律性变化,随着含水率的增大b-ε1曲线上升,中主应力对土体强度的贡献越大,随着冻融循环周期的增大,曲线下降,中主应力对土体强度的贡献减小。(3)ε3-ε1曲线均为硬化型,含水率、冻融循环周期以及固结围压对侧向应变-轴向应变ε3-ε1曲线的影响较为明显,且随着着三者的增大其侧向应变-轴向应变ε3-ε1曲线均由负值逐渐上升增为正值,即随着冻融循环周期、固结围压以及含水率的增大,原状黄土试样在剪切过程中,逐渐由剪胀转变为剪缩。(4)根据摩尔-库伦强度准则,研究实验初始条件对原状黄土抗剪强度指标的影响,得出粘聚力和内摩擦角均随着含水率的增大呈现出类似线型减小,粘聚力随着冻融循环周期的增大呈现出指数减小,内摩擦角随着冻融循环周期的增大略有减小,但在3°范围内变化,因此可认为内摩擦角随冻融循环周期的增大无明显变化。