关键词： 盐腐蚀   冻融循环   荷载   粘结应力   PVA混凝土  

摘要： 钢筋混凝土结构的耐久性损伤已经变成全世界关注的问题,并且是迫切需要解决的问题。就目前来说,国内外学者对干湿循环、冻融循环和盐腐蚀等环境因素耦合作用后钢筋与混凝土之间的粘结性能退化的研究比较多,但针对荷载与环境因素耦合作用下钢筋与混凝土粘结应力损伤的研究比较少。吉林西部位于我国季冻区,并且土壤中含有大量的碳酸氢根离子、硫酸根离子和氯离子等成分,这两种情况都会使钢筋混凝土的粘结应力退化,缩短建筑物的服役时间。因此研究盐冻融及荷载作用下钢筋与混凝土粘结应力的损伤,能为吉林西部及类似地区,设计钢筋混凝土结构时提供一些理论数据,具有一定的实际意义。同时为了降低钢筋与混凝土的粘结应力损伤,本文提出了往混凝土中掺入PVA纤维的方法。本文的实验分为四部分,具体的试验研究工作如下:1、在复合盐浸泡后通过试件的中心拉拔试验得出:在短期复合盐溶液浸泡后,试件的质量和动弹性模量均有较小程度的增加,并存在盐溶液浓度越高,增加量越大的规律。所有试件的粘结应力较浸泡前均有较小程度的增加,持荷的大小对于本身不产生或产生裂缝极少的试件影响较小。2、通过冻融循环处理以及冻融后试件的中心拉拔试验得出:冻融后的试件质量损失率增加,相对动弹性模量和粘结应力减少,多次的冻融循环与持载耦合作用加剧了钢筋与混凝土粘结性能的退化过程。未施加荷载的试件质量损失率和动弹性模量损失明显大于其他两组,而施加荷载的两组试件之间无明显差异。持荷越大,相对动弹性模量越小。持载降低试件的粘结应力,降低的程度随荷载的增加而增加。3、通过盐冻融处理以及盐冻融后试件的中心拉拔试验得出:盐冻融后试件三种参数的损伤程度和损伤速率要明显严重于荷载-冻融工况。荷载的不同对三种参数的影响加大,荷载越大,试件的质量、相对动弹性模量和粘结应力损伤越大。4、通过普通混凝土和PVA纤维混凝土在各工况下参数的对比得出:PVA纤维的掺入有利于提升混凝土的抗剥蚀能力和抗冻性能,减少钢筋混凝土粘结应力的损伤,这三方面的提升随着质量、动弹性模量和粘结应力的减少而增加。本文通过上述试验总结在荷载与不同环境因素耦合作用下钢筋混凝土粘结应力的损伤规律,对实际工程具有一定的参考价值和指导意义。

关键词： 混凝土   冻融循环   氯离子侵蚀   耦合效应   孔隙溶液离子的迁移  

摘要： 因耐久性不足导致的结构提前失效问题,带来了巨大的经济损失和资源浪费。因此,着力提高混凝土承载力性能的同时,深入研究混凝土劣化机理对可持续发展理念的落实具有重要意义。高纬度近海环境下冻融作用与氯离子侵蚀的耦合效应会加速混凝土结构的劣化,并有研究表明,快速氯盐冻融试验中氯离子含量显著升高。本文对于该研究中一些无法解释的现象进行了机理推测,并设计试验分析验证了冻融循环期间混凝土中氯离子的输送方式。在开展试验之前,首先基于前人的研究成果,分析了用已知理论解释快速氯盐冻融实验中发现氯离子显著侵蚀现象的局限性和不足之处。针对于此,本文尝试根据冻融过程中混凝土孔隙溶液的量变和相变规律,提出氯离子会随混凝土孔隙溶液的相变而快速侵蚀的猜想。为验证该猜想,设计了新的试验方式:将盐冻过程和氯离子扩散侵蚀过程进行拆分,也就是将混凝土在氯离子溶液中的冻融循环和外部氯盐的扩散侵蚀交替进行,从而一定程度上将氯离子随孔隙溶液的相变侵蚀和扩散作用划分开来,然后应用控制变量法设置对照组来定性定量对比分析氯离子的迁移。基于试验结果中氯离子含量随侵入深度的分布规律,分析了冻融破坏对于混凝土的氯离子吸附能力的影响,以及冻融影响氯离子输送速率的显著性。同时,证实了粉煤灰混凝土养护龄期对其抗冻性能以及抵抗氯离子侵蚀能力的影响。接着根据试验所得各冻融次数下混凝土试块的氯离子扩散系数,基于Fick第二定律建立出氯离子扩散系数随冻融次数的增长函数,而后求解修正后的控制方程,计算出某一冻融次数下氯离子的浓度分布,以此修正了冻融循环次数对于氯离子扩散速率的影响。通过对比分析各小组混凝土中氯离子含量随其侵入深度的分布规律,证实确实存在着氯离子随孔隙溶液的冻融相变而快速侵蚀的现象,且该效应随着混凝土内部饱水度的升高由浅及深逐层发生。

关键词： 海上风电   灌浆连接段   冻融循环   累计损伤  

摘要： 灌浆连接作为海上风电基础与上部风机连接的主要方式,具有承载力高、操作简单、可靠性强等诸多优点,可是随着使用年限的增加及海上复杂多变环境的影响,灌浆连接段逐渐出现破坏现象,使得诸多专家及学者展开对灌浆连接段的研究,尽管目前研究以取得较多成果,但是仍有不足,本文针对灌浆连接段现阶段目前研究中仍然存在的一些问题进行了相应的研究。主要内容如下:（1）进行高强灌浆材料受压力学性能实验,随后数据带入不同超高强混凝土受压性能计算公式中,找出适用于高强灌浆材料本构的计算公式,同时结合有限元软件模拟验证材料损伤塑性本构模型,证明了灌浆料利用ABAQUS混凝土损伤塑性本构模型的可行性。（2）进行高强灌浆材料冻融循环实验,研究不同冻融循环次数下高强灌浆材料的强度变化规律、质量衰减率、破坏形态等,同时采用有限元软件中热应力顺序耦合方法模拟材料冻融循环全过程,发现材料强度越大,其抗冻性越强。且根据材料配比可以得出,掺入引气剂及硅灰可有效的减少材料内部孔隙率,提高材料抗冻性能。（3）进行有剪力键和无剪力键灌浆连接段轴向承载力实验研究,对比剪力键对灌浆连接段承载力的影响,并同时根据实验数据,对比现有规范中轴向承载力经验公式。实验发现灌浆连接段在未布置剪力键的情况下发生滑移破坏,且承载力力较小,带有剪力键的连接段承载力较高,在发生破坏时环形灌浆区发生滑移相对较大,破坏形式主要为剪力键间与灌浆材料之间产生压溃破坏。（4）利用实验与ABAQUS有限元分析软件模拟对比分析的方法,研究在经历不同冻融循环次数对灌浆连接段轴向承载力的影响。通过实验结果与有限元分析结果对比,发现在经历不同循环冻融循环之后,环形灌浆区域随着冻融循环次数增加破坏形态增大;随着冻融循环次数的增加,连接段位移-承载力上升段与下降段斜率逐渐变小。（5）采用概率分析手段,基于质量损失率疲劳累计损伤理论计算冻融循环作用下高强灌浆材料可靠指标,并采用质量衰减模型对高强灌浆材料的寿命进行预测结果表明灌浆材料具有较长的使用寿命,随着灌浆材料强度的增大,其使用寿命也随之延长。

关键词： 黄土   冻融循环   动三轴   数值模拟   强度  

摘要： 黄土是一种多孔的有柱状节理的偏黄色的粉性土,这一性状导致了其易受到冻融循环的影响,尤其是我国的西北部地区上的各类建筑物及公共设施不可避免的受到冻融循环的影响。土体在遭到持续的冻融循环的侵害的条件下,其结构会遭到破坏,同时其力学特性也会大幅衰弱。分布于我国西北部地区黄土上的建筑物稳定性差、使用寿命短,冻融循环作用是最重要的影响因素之一。因此对黄土冻融循环的深入研究具有非常重要的实用价值,但目前对黄土冻融循环的研究较少,且不具有系统性,缺乏综合性的成果及具有鲜明性的指导理论,所以我们综合考虑了各因素的影响做了深入的研究。本文以山西太原土壤为研究对象,试验采用的土样属于更新世晚期湿陷性黄土。通过各项物理力学特性试验后采用直剪试验、三轴试验及数据模拟得到以下结论:1、本文使用取自山西太原的黄土通过基本物理特性试验,得到了天然黄土的密度、含水率和比重等基本物理特性。并分析了冻融循环对黄土物理特性的影响,通过试验发现经过冻融循环以后黄土的孔隙比增大,密度变小,然后测试了黄土冻融后液塑限限的变化,发现冻融作用使其液塑限增大,这说明冻融对黄土的天然结构具有破坏作用。2、通过直剪试验和静三轴试验测定黄土的静强度指标,在不同的冻融次数下测定了黄土试样的内摩擦角和粘聚力的值。由直剪试验得到了垂直压力和抗剪强度之间的关系,拟合曲线是条直线。在50kPa、100kPa和200kPa围压下测定了在不同冻融次数下黄土的强度变化并的得到黄土的莫尔应力包线。对比直剪试验和三轴试验发现冻融后黄土的粘聚力减小,内摩擦角有所增大,黄土的强度降低。3、制定了重塑黄土的动三轴试验方案,将13%、18%两种含水率的黄土试样经过0、1、3、5次冻融循环以后进行动三轴试验,分析黄土在经过冻融循环以后在不同的试验条件下的动力特性。通过振动次数和动应变、动弹性模量、阻尼比这三个方面来分析动三轴试验得到的数据之间的规律。分析数据可以发现冻融作用将会劣化黄土的结构性,在相同振次下,随着冻融次数增加,动应变增大,动弹性模量减小,阻尼比增大。分析了最大动应力和冻融次数关系,发现冻融循环增加会减小土体得动强度。4、根据静力学试验和动力学试验得到得土性参数使用ANSYS数值模拟软件进行数值建模分析。结果可以得到在火车经过时活荷载和动荷载作用下,黄土冻融后土体变得松散,结构性削弱,会导致隧道得位移和内力变大,结构更加容易失稳破坏。数值模拟结果发现拱顶得位移和内力最大。

关键词： 岩石力学   冻融循环   抗冻性   声发射信号峰频点   声发射能量临界指数  

摘要： 在高寒地区,冻融对岩石声发射特征和抗冻性指标有着重要的影响。针对这一问题,利用在寒区采集的花岗岩试件开展冻融试验和冻融岩石的单轴压缩声发射试验。试验结果表明:花岗岩试件抗冻系数随冻融循环次数的增加而逐渐减小;试件的质量损失率随冻融次数的增加而增大。随着冻融循环次数的增加,试件端部效应趋于明显,试件破坏时的声发射撞击数显著增大。声发射振铃计数可分为接触期、平静期和破坏期3个阶段,随着冻融循环次数的增加,接触期持续时间延长且振铃计数明显增加;平静期振铃计数密度变大,有较多突变点;破坏期振铃计数较大且持续时间较长。随着冻融循环次数的增加,声发射信号峰频点由分散凌乱向优势频段集中,岩石试件临近破坏时,声发射信号峰频优势频段逐渐向中高频段集中,低频段声发射信号不断减少;不同冻融循环作用次数对应的声发射能量概率密度都能较好地满足幂定律分布;表征尺度不变性的临界指数随冻融循环次数的不断增加,呈现出先减小后缓慢增大的趋势。试验结果对在寒区应用声发射技术鉴别和预报岩体的稳定性以及研究岩石冻融损伤机制有重要意义。

关键词： 透水混凝土   骨料   掺和料   透水性能   强度   冻融循环耐久性  

摘要： 透水混凝土是由水、水泥、一定级配骨料、掺和料和外加剂按照特定配合及相应成型工艺制备成的透水性多孔混凝土,相比于普通混凝土,透水混凝土最大优点在于具有透水、透气性能。透水混凝土用于路面铺装时,可起到防洪、排涝、降噪、缓解城市热岛效应等作用,近年来透水混凝土被越来越广泛运用于工程中,且在“海绵城市”建设中起到非常重要的作用。本文通过试拌法确定制作透水混凝土的水胶比与减水剂掺量,采用50 mm粒径的瓜米石和玄武岩碎石作为透水混凝土骨料,硅灰和粉煤灰作为掺和料,得到不同骨料和掺和料的透水混凝土试样。对所制备的透水混凝土进行有效孔隙率、透水系数测定,抗压强度和劈裂抗拉强度试验,在清水和3%、5%、10%浓度的硫酸钠溶液中进行冻融循环试验,并进行了相关的微观机理分析。试验结果表明掺和料种类和掺量对透水混凝土透水性能、强度和冻融循环耐久性有显著的影响。本文提出了冻融抗压系数这一定量评价透水混凝土冻融循环耐久性的指标。通过质量损失率、相对动弹性模量、相对抗压强度进行冻融循环耐久性定性分析,耐久性系数、冻融抗压系数进行冻融循环耐久性定量分析发现,掺和料种类和掺量是影响透水混凝土透水性能、强度和冻融循环耐久性的根本原因,并且透水性能和强度、冻融循环耐久性之间呈负相关。掺入硅灰的透水混凝土试样比同掺量粉煤灰及双掺透水混凝土试样有更小的有效孔隙率和透水系数,更高的强度和冻融循环耐久性;双掺透水混凝土试样有效孔隙率和透水系数会随着总掺量的增加而增大,强度和冻融循环耐久性会降低;掺10%硅灰的透水混凝土在满足较好透水性能前提下,具有最佳强度和冻融循环耐久性。并且冻融循环介质会影响透水混凝土冻融循环耐久性,相比清水中冻融循环,透水混凝土在硫酸钠溶液中冻融循环耐久性更差,且在5%NaSO溶液中冻融循环时试样冻融循环耐久性衰弱最显著。通过耐久性系数及冻融抗压系数定量分析发现,在5%NaSO溶液中冻融循环耐久性较清水中衰减30%。可通过改善掺合料及在满足透水性能前提下尽量降低试样孔隙率的方式提高透水混凝土的强度和冻融循环耐久性。在定量评价试样冻融循环耐久性时,耐久性系数与冻融抗压系数作用相类似,且冻融抗压系数结果准确性好,适合在工程中进行冻融循环耐久性定量评价。

关键词： 路基工程   水泥煤渣改良土   冻融循环   强度特性   损伤演化   屈服面   本构关系   动力特性  

摘要： 辽宁位于我国东北部,属季节性冻土地区。与常温土相比,季节性冻土的物理力学性质较不稳定,受季节变换的影响巨大。建设在季冻区的道路工程大多存在着不同程度的冻害。对于石灰改良土和水泥改良土此类常用的改良土路基填料,往往在工程建设完成的初期有良好的工程性质,但在经历数次冻融循环作用后其物理力学性质就会有大幅下降,影响工程的使用。因此,季冻区的道路工程除应满足行车荷载的要求外,还需具有一定的抗冻能力。本文以京沈客专阜新-彰武段路基工程作为研究背景,根据京沈客专阜新-彰武段的设计资料以及现场取回的风积砂土样,通过掺加煤渣及水泥的方式对风积砂土进行了化学改良。利用GDS冻土动、静三轴试验系统、GDH2005B型高低温试验箱及GE Optima 520型医用CT机开展了水泥煤渣改良土的冻融循环试验、三轴试验、CT扫描试验和动力特性试验,对冻融循环作用下水泥煤渣改良土的力学特性进行了研究。通过以上研究及分析,获得了以下研究成果如下:通过开展不同配合比及养护龄期下水泥煤渣改良土的强度及冻胀试验得出了水泥煤渣改良土的最优配合比及养护龄期,利用灰色理论构建了冻胀率的GM(1,1)模型,对水泥煤渣改良土的冻胀规律进行了预测,分析其防冻胀机理;开展了不同冻融循环条件下水泥煤渣改良土的CT扫描试验,研究了冻融循环对水泥煤渣改良土内部结构的影响,获得了冻融循环条件下水泥煤渣改良土孔隙的发展规律,结合三轴试验结果得出了综合考虑冻融-加载条件下的总损伤变量表达形式及演化规律;利用GDS冻土动、静三轴试验系统,对不同冻融循环次数下水泥煤渣改良土进行不同围压条件的CD试验,分析了冻融循环次数对水泥煤渣改良土剪胀屈服面及剪缩屈服面的演化规律的影响,通过引入冻融循环影响因子对椭圆-抛物线双屈服面本构模型进行了修正,对修正后的模型进行了验证;开展了不同冻融循环条件下水泥煤渣改良土的动力特性试验,分析了水泥煤渣改良土动力参数的变化规律,建立了水泥煤渣改良土阻尼比的简化计算模型,采用基于结构元的多元模糊回归方法建立了水泥煤渣改良土临界动应力的回归方程,根据模糊临界动应力提出了水泥煤渣改良土累积变形的预测模型。该论文有图89幅,表28个,参考文献151篇。

关键词： 纤维水泥改良土   冻融循环试验   静/动三轴试验   动本构模型  

摘要： 在季节性冻土区,暴露在自然环境中的路基每年都会最少经历一次冻结和融化作用,在多次冻融循环作用下,路基填料的力学性能会发生改变,路基会出现不均匀沉降、翻浆冒泥、强度降低等病害,严重影响铁路及公路的运行,因此研究一种在冻融循环作用下力学性质优良的新型改良土就具有重要的意义。为寻找一种冻融循环劣化效应低的路基填料,本文以青藏地区粉质黏土为改良对象,在传统水泥改良方法的基础上,提出向水泥改良土掺入玄武岩纤维的复合改良方法。为得到合理的纤维掺入比例,通过室内冻融循环试验、静三轴试验、动三轴试验以及电子显微镜扫描试验等,对不同冻融循环次数、不同玄武岩纤维掺量、不同围压的水泥纤维改良土的应力-应变关系、破坏强度、抗剪强度参数、动剪切模量、阻尼比等进行了对比研究,研究表明:(1)在静三轴试验中,掺入玄武岩纤维的纤维水泥改良土的抗剪强度参数以及强度特性指标均有所增大;在冻融循环作用下,纤维水泥改良土力学性能指标的降低率相比水泥土均显著减小,其中,随着冻融循环次数的增加,改良土的黏聚力逐渐减小,而内摩擦角则呈现先减小后增大变化规律。(2)在电镜试验中,由风干试样的电镜图片可以看出水泥土颗粒与纤维之间呈现紧密结合状态。水泥土颗粒与纤维的互相包裹作用降低了土体的冻融循环劣化效应,增强改良土的黏聚力,使其抗剪强度大幅提高。(3)在动三轴试验中,在水泥土中掺入玄武岩纤维可显著提高其动强度。在不同的试验条件下,改良土的阻尼比均随着动应变幅值的增大而逐渐增大,动弹性模量均随着动应变幅值的增大而逐渐减小。纤维的掺入可在一定程度上使水泥土的阻尼比和动弹性模量增大;随围压的增加,动弹性模量呈逐渐增大的趋势,而围压对阻尼比的影响作用并不明显;随着冻融循环次数的增加,试样的阻尼比和动弹性模量均明显降低。(4)通过对土动力学的本构关系进行对比分析,并基于改良土的动三轴试验结果,确定采用Davidenkov动本构模型对动三轴试验的动应力-应变关系、动剪切模量等进行拟合。综上所述,玄武岩纤维水泥改良土有较高的路用潜力,相比0.25%和0.75%掺量的玄武岩纤维加筋效果,0.5%掺量的玄武岩纤维加筋土的强度水平和抗冻融性能均最佳,因此在季节性冻土区建议使用6%的水泥加0.5%的玄武岩纤维来改良此粉质黏土。

关键词： 沥青混合料   水损害   动水冲刷   冻融循环   劈裂强度  

摘要： 水损害是目前高速公路沥青路面使用中普遍存在的问题,部分新建路面甚至在通车一两年后就产生了大量的坑槽、松散等病害,影响道路的使用和舒适度。水是引起水损害的关键因素,车辆荷载以及温度因素会加剧水损害现象的发生。沥青混合料作为典型的多孔材料,存在于混合料空隙当中的水在行车载荷的反复作用下形成动水冲刷作用,在荷载的反复作用下,孔隙水的存在会导致沥青与集料的粘附性降低,产生疲劳破坏。对于季节性冻土区,冬春交融季节沥青混合料内部水分反复的冻融也会加速沥青薄膜的剥离,水损害进一步加剧。开展沥青路面水损害特性及防治措施研究,对于预防和减轻水损害带来的经济损失都具有重要的理论及现实意义。基于沥青路面水损害的基本作用机理,综合考虑车辆荷载引起的动水冲刷作用以及季节性冻土区的冻融交替作用,通过室内模拟动水冲刷-冻融循环试验,结合微观结构分析(CT扫描),对沥青混合料在水-温-荷共同作用下的水损害特性进行研究。同时,论文结合甘肃省路用集料的特性,以目前工程中常用的固态抗剥落剂水泥、消石灰以及新型抗剥落剂为研究对象,对动水冲刷-冻融循环累加作用下的抗剥落性能进行评估。通过对连续密集配AC-13沥青混合料的动水冲刷-冻融循环试验研究,结果表明:动水冲刷作用会加剧沥青混合料内部细集料的流失,导致沥青薄膜与集料粘附性的降低;在低温的冻胀作用下,沥青混合料的力学性能下降更显著;动水冲刷作用导致混合料内部大量的微开口空隙存留大量水分,并且随着冻融循环过程的持续而不断的发生冻胀,产生大量的微裂隙;在动水压力的反复冲刷作用下,微裂隙逐渐贯通,导致空隙率不断增大;动水冲刷模式下混合料的冻融损伤模式呈现出典型的台阶状递增模式,主要分为快速损伤期,稳定损伤期以及加速损伤期三个阶段;而静态浸水模式则表现为持续渐进式损伤模式。CT扫描结果显示,动水冲刷的机械磨蚀作用会加速沥青薄膜的剥离,同时,动水冲刷会加速细集料的流失,导致周边空隙体积增大。通过对添加不同类型抗剥落剂的AC-13类沥青混合料在动水冲刷-冻融循环作用下的力学性能分析,结果表明:在多次冻融循环过程后,相对于未添加抗剥落剂的沥青混合料,添加高分子聚合物的沥青混合料劈裂抗拉强度最高,消石灰类次之,水泥类最小;添加水泥的沥青混合料对于冻融和动水冲刷的累加作用更敏感,混合料的空隙率和TSR的变化速度最快,添加高分子聚合物的混合料空隙率与TSR变化速度最慢,水稳定性能最佳。