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关键词： 密度泛函理论   二维材料   晶界   缺陷   力学性能  

摘要： 随着石墨烯的发现,越来越多的二维材料得到了人们的关注。然而二维材料在生长或合成过程中,不可避免地会在材料表面产生缺陷,从而影响材料本身的物理和化学性能。实验和理论研究均发现单层二硫化钼(molybdenum disulfide,MoS2)表面存在一定的晶界缺陷,其晶界结构深刻影响着MoS2材料的电子性质和力学性能。但是目前为止对双层MoS2表面晶界的报道还比较少,其晶界结构如何影响材料的力学性能尚不清楚。联苯,作为一种新型二维材料,其缺陷结构类型和性质影响尚未有报道。因此,研究二维材料表面缺陷和晶界结构,深入理解缺陷对材料电子性质和力学性能的影响,将有助于更好地对这些二维材料进行调控和进一步应用。本文针对双层MoS2和联苯两类二维材料,构建了不同类型的晶界缺陷,利用第一性原理计算方法,研究了单轴拉伸应变下材料的结构稳定性和力学性能,研究内容和结论总结如下:(1)系统地研究了含有晶界的双层MoS2的不同堆叠构型和不同类型晶界的结构稳定性,讨论了晶界影响下双层MoS2的电子性质。计算结果表明,2H堆叠构型在能量上更为有利。四种晶界中,含有4|4晶界的双层MoS2之间的结合能最强。此外,晶界的存在使得费米能级附近引入缺陷态,增强了材料的导电性。(2)系统研究了含有晶界对双层MoS2材料力学性能的影响,揭示了含有晶界的双层MoS2材料在外界应变作用下的断裂过程。计算结果表明,双层MoS2要比单层MoS2具有更好的抗拉伸能力。四种晶界中,55|8晶界具有最大的杨氏模量,而4|4晶界的杨氏模量最小。晶界中的四元环更容易断裂,而八元环对外部拉伸的抗断裂能力更强。此外,晶界密度的增大会进一步降低双层MoS2的力学性能。(3)系统研究了新型二维材料联苯中可能存在的晶界缺陷和点缺陷,讨论了缺陷的稳定性和在拉伸应变下的力学行为。计算结果表明,在考虑的三种点缺陷结构中,双空位的刚性最强,键旋转的硬度最高,单空位的刚度和硬度最差。在联苯表面晶界结构中,五元环构成的晶界结构具有最大的杨氏模量,六元环构成的晶界结构具有相对较大的剪切模量。此外,随着表面缺陷密度的减小,其材料刚性减弱。

关键词： 数字图像相关方法   力学参数测量   应变场特征  

摘要： 物体表面的位移和应变测量是分析材料力学参数、研究结构力学性能的直接手段,传统的接触式测量手段耗时久,局限性大,而数字图像相关方法作为非接触式光测方法,能够快速、准确的获取物体全场信息,被广泛的应用于材料或结构物表面变形的测量工作中。因此,本文研究了基于数字图像相关方法的力学参数测量方法,主要内容如下: 自主设计并搭建了基于数字图像相关方法的材料力学参数测量系统,该系统包括力学加载设备和图像采集设备,设计三维调节装置实现了图像采集设备的精准对焦,使用Matlab编程实现了图像自动采集软件和数据后处理软件。通过水泥石的单轴及巴西劈裂实验对测量系统进行了优化,确定了最优散斑大小约为10pix,而光照条件对实验结果影响不大,实验结果表明DIC方法对水泥石弹性模量测量结果与应变片测量结果相比误差仅为6%。通过铝块的单轴实验对该系统的精度进行了标定,结果表明,本文搭建的测量系统在铝块的单轴压缩实验中实际测量精度可以达到3μm,铝块弹性模量的测量值为68.92MPa,泊松比的测量值为0.32,相比于铝块的标准弹性模量和泊松比,弹性模量测量误差仅为0.1%,泊松比测量误差仅为3%。 基于搭建的测量系统设计并进行了页岩的力学参数测量实验,计算了页岩的弹性模量、泊松比、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度、断裂韧性等力学参数。分析实验过程中试样的变形情况,结果表明,由于页岩具有很强的横观各向同性,在巴西劈裂实验中,平行于层理方向时页岩的抗拉强度值约为垂直于层理方向时的50%;在单轴压缩实验中,页岩出现了沿层理方向的明显的应变不连续区域,即加载过程出现了不均匀变形。

关键词： 二维材料   力学性质   变形行为   尺度效应   分子力学   分子动力学  

摘要： 二维材料具有原子级的厚度、良好的力学性质、柔韧的变形能力以及优异的光学、电学等性质,这使其在柔性电子、纳米芯片等先进光电器件领域中具有广泛的应用前景。然而,随着电子器件的特征尺寸不断向纳米尺度深入,二维材料所呈现的与宏观尺度截然不同的力学特性给相关器件的优化设计、安全服役带来了诸多不确定性。因此,充分认识和理解二维材料纳米尺度下的力学特性及其尺度效应对相关器件的设计和应用至关重要。然而,面向庞大的二维材料家族,针对单一材料和结构设计开展的实验或数值模拟具有很高的研究成本。因此,发展通用的计算方法以及构建结构-性质映射关系对于预测潜在材料的力学性质具有重要意义。此外,纳米尺度下针对超薄、超软二维材料进行有效的弯曲加载和测定仍然面临极大的挑战,如对于极小尺寸模型难以约束、超软材料的曲率难于控制等。特别是对于依托范德华作用堆叠的多层二维材料,它们在界面结构和层间作用的耦合影响下产生了更为复杂的弯曲变形,但当前围绕多层二维材料弯曲性质及变形机制的研究仍然非常有限。由此,本文基于分子力学和分子动力学方法建立了评估二维材料力学特性和变形行为的计算方法,揭示了分子构型/界面结构对力学行为的耦合影响机制,具体研究内容如下: （1）建立了计算二维过渡金属二氧（硫）化物（1H-MX2）的力学性质（弹性模量、剪切模量、面内和面外泊松比）的分子力学理论模型。以单层二硫化钼（MoS2）为研究对象,基于分子动力学数值模拟验证了理论模型的有效性和正确性,并考察了纳米尺度下MoS2力学性质的尺寸依赖性。值得注意的是,基于所提出的分子力学理论模型,计算给出了包含34种1H-MX2材料力学性质的数据库,相关结果与现有的实验和理论工作吻合良好。研究发现,1H-MX2材料的力学性质显著地依赖于组分元素的周期和主族顺序,相同M元素下的1H-MX2材料的弹性模量和剪切模量随着X元素周期的增加而降低。此外,通过量化键长和键角对材料性质的影响规律,阐明了分子结构的演化与力学性能之间的对应关系,这为预测潜在的1H-MX2材料的力学性质提供了有效的技术手段。研究结果为通过分子结构-性质关系逆向设计和优化基于二维材料的纳米器件提供了重要的理论基础。 （2）提出了由共轴径向弹簧驱动的弯曲加载计算方法。该方法可以有效地将原子级厚度的二维材料约束到任意曲率,而不受材料尺寸的限制。相关算法与程序已经集成到开源的分子动力学软件LAMMPS中。基于分子动力学模拟,通过研究高曲率、极小尺寸模型以及不同二维材料的弯曲行为,验证了所提出计算方法的有效性和通用性。研究发现小尺寸单层MoS2的弯曲刚度显著依赖于尺寸和手性方向,而大尺寸的单层MoS2的弯曲性能稳定且趋于一致。对于不同特征尺寸（1 nm～50 nm）的单层MoS2,其弯曲刚度的变化范围为4.88 eV～8.87 eV。值得注意的是,通过分析单层MoS2应变能的分布规律,揭示了由不同抗弯性能边界与内部区域之间竞争引起的弯曲刚度尺度效应。此外,建立了考虑尺寸和手性方向依赖性的弯曲刚度计算方程,很大程度上方便了对MoS2弯曲性能的评估。研究结果为基于调整材料的特征尺寸和手性方向设计和制备弯曲性能可调的电子器件提供了有价值的参考。 （3）建立了双层二维材料弯曲刚度的计算方法,揭示了单层和双层黑磷（BP）的弯曲性质和变形行为的变化规律。计算结果表明,单层BP的弯曲性质呈现出明显的手性方向依赖性,不同手性方向的弯曲刚度差异超过5倍（0.96 eV和5.20 eV）。与单层BP相比,双层的堆积可以显著地增强BP材料的弯曲刚度。特别是在低弯曲幅度阶段,相同手性方向堆积的双层BP的弯曲刚度得到了显著提高,分别达到12.35 eV和54.77eV,这大约是单层BP的10～13倍。值得注意的是,当双层BP的弯曲幅度超过了相应的临界值时,超高的弯曲刚度将出现急剧下降。通过分析双层BP的层间距、特征尺寸以及层间晶格的协同调整模式,将弯曲刚度的突降机理归因于公度堆积的界面结构由自锁到解锁的转变。此外,阐明了由边界的力学性能差异引起的双层BP弯曲刚度突变角度的不同。研究结果表明,多层二维材料的弯曲刚度通常不是一个定值,它依赖于材料的弯曲幅度、堆积层数以及堆叠顺序。 （4）建立了预测二维材料异质结构弯曲行为的计算方法,研究了单层BP和MoS2以及双层异质结BP/MoS2的弯曲性质。结果表明,相比于单层的材料,BP/MoS2异质结构的弯曲刚度依赖于弯曲角度,整体呈现出“越弯越软”的力学行为。值得注意的是,双层组分之间的晶格失配和尺寸差异诱导BP/MoS2形成了具有一定角度的自弯曲构型,其自弯曲幅度与组分之间的尺寸差异程度密切相关,并且受两层组分“软/硬”之间的竞争影响,即小尺寸和软材料方向一侧更容易被驱动形成自弯曲的构型。此外,尺寸差异还诱导了BP/MoS2弯曲性

关键词： 空间构型   陶瓷颗粒   钢铁基复合材料   数值模拟   力学性能  

摘要： 现代工业迫切需要能在高载荷和强磨损条件下工作的结构件。陶瓷颗粒增强金属基复合材料兼具金属与陶瓷颗粒的性能优点,能够克服彼此的欠缺,且可设计性强,是高强度、强耐磨材料的发展方向之一。越来越多的研究表明增强体空间构型分布有望成为金属基复合材料强韧性倒置问题的有效解决办法,本文将计算模拟仿真技术引入空间构型复合材料的设计和优化工作中,研究ZTAp/40Cr钢复合材料空间构型结构及构型参数对复合材料力学性能的影响规律,优化新型构型复合材料结构,预测构型复合材料力学性能,为后续的构型复合材料设计提供重要的理论基础和工程指导。具体工作如下:(1)采用多尺度模拟方法,实现了对复合区体积分数为35vol%和50vol%ZTAp/40Cr钢三维互穿构型复合材料的宏观力学性能的模拟计算,以及对微观失效机制的分析。结果表明:运用多尺度模拟方法能够有效地计算ZTAp/40Cr钢三维互穿网络复合材料的力学性能。对于三维互穿网络构型复合材料,不同的复合区体积分数会对其强韧性产生重要影响,35vol%和50vol%三维互穿复合材料的屈服强度为1412.5MPa和1226.3MPa,极限抗压强度为1712.1MPa和1302.0MPa,对应的应变值为0.078和0.051。均匀分布复合材料的屈服强度和极限抗压强度分别为1220.2MPa和1313.3MPa;增强颗粒界面强度的增加会提高复合材料的压缩强度,随着界面断裂能的降低,压缩强度和塑性也会相应降低。(2)为了解决多尺度模拟中结构和边界简化所带来的问题,提出了一种一体化结构模拟的方法,并用此方法分析了不同构型参数(颗粒形状、颗粒尺寸、构型区体积分数和试样大小)对ZTAp/40Cr钢球状空间点阵复合材料力学性能及失效的影响。结果表明:对于不同的颗粒形状,较光滑且较长的增强颗粒形状能够提升复合材料的力学性能;对于不同大小增强颗粒(1.25mm、1.5mm、1.75mm、2mm和2.25mm),小尺寸增强颗粒的构型复合材料有较高的强度、塑性及韧性,随着增强颗粒尺寸的增大,会逐渐在试样顶部和底部球形区域出现裂纹,较大增强颗粒的能量吸收慢于小增强颗粒尺寸试样;对于不同构型区体积分数(10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%),较小构型区体积分数复合材料表现出了较高的断裂应变和极限抗压强度,体积分数为25%左右时,断裂应变和极限抗压强度综合性能最优,分别为0.071和1749.4MPa,构型区体积分数越大,最终稳定能量越小;对于不同试样大小(H/D=1、2、3和4),极限抗压强度对应的位移与试样长度成正比,小尺寸长方体试样达到破坏所需的时间比大尺寸试样短,大尺寸试件的能量吸收相对于小尺寸试件要快。(3)采用一体化结构模拟方法,研究了不同构型结构对复合材料力学性能变化的规律,分析了宏观结构对构型复合材料强韧性及失效行为的影响。结果表明:构型设计能提升复合材料的极限抗压强度和断裂应变,极限抗压强度和断裂应变关系为:球状空间点阵>三维互穿网络>均匀分布;构型结构能将复合材料的裂纹集中到材料中部区域,均匀分布复合材料的主裂纹会出现在材料下部,构型结构(特别是球状空间点阵结构)应力应变曲线剧烈下降阶段的下降速率远低于均匀分布复合材料,表现更好的韧性;三种结构复合材料的临界单元均主要显示了三轴压应力和剪断特征;三维互穿网络结构最终失效形式为圆柱状的裂纹,均匀分布复合材料有横向和倾斜不同形式的裂纹,球状空间点阵的最终稳定能量是均匀分布复合材料的两倍左右。增强颗粒应力集中系数对比:球状空间点阵>三维互穿网络>均匀分布,球状空间点阵结构在载荷承载能力表现较好。(4)基于前述分析,为了进一步提高构型复合材料的力学性能,对不同构型提出优化策略,分析了不同结构复合材料在优化后的力学性能表现,针对不同结构特点,提出了力学性能更加优秀的球状空间级配复合材料结构,并对其力学性能及失效形式进行了预测。结果表明:错排结构能让球状空间点阵复合材料更晚地到达抗压极限,空间球体错排后增强颗粒对复合材料在载荷承载能力有提升,球状空间点阵复合材料空间球体错排后断裂应变为0.077,极限抗压强为1753.1MPa;柱状交叉处平滑处理能让复合材料内部增强颗粒在载荷承载能力上有一定提升,柱状交叉处平滑处理后三维互穿网络复合材料的极限抗压强度为1761.9MPa,断裂应变为0.074;由不同复合区大小级配形成的球状空间级配复合材料,球状级配能增加裂纹扩展所需能量,使裂纹不集中在材料中部区域,有利于内部失效应力的分散,提升构型复合材料的力学性能,极限抗压强度为1853.6MPa,断裂应变为0.072,级配等级越高的小复合球体最先出现失效,较大级配等级的复合区球体能够提供更多的载荷承载能力。

关键词： 天然纤维   土遗址   注浆材料   力学性能   增强机理  

摘要： 土遗址裂隙加固和锚固灌浆技术发展逐步迈向系统化,尤其在注浆材料改性探索方面取得巨大进步。工程实践表明,注浆能有效处理土遗址裂隙病害,且注浆材料对锚固系统性能有重要影响。现有以糯米浆和烧料礓石粉为基材的土遗址注浆材料抗拉性能和韧性性能有限,抗压性能仍有提升空间。纤维加筋方法能有效解决上述问题,本研究以糯米浆、烧料礓石粉和黄土为主要拌合料,探索掺和短切椰壳纤维和玄武岩纤维对浆体性能的影响规律,分别选取两种纤维的掺量和长度两种因素,根据不同水平利用正交试验法共设计25组试样,研究掺和天然纤维对注浆材料的流动性、收缩性、无侧限抗压强度(UCS)和三点弯曲抗折强度等的影响规律,并采用综合平衡法和组合优化法分析了两种纤维的最优掺合配比,简单给出工程应用建议。主要结论如下:(1)通过流动性试验对不同掺量和长度的纤维加筋注浆材料分析发现,随着椰壳纤维长度和掺量的增加,加筋注浆材料的流动性近似线性降低,同时玄武岩纤维加筋注浆材料的流动性也表现出类似规律。而当纤维长度和掺量均较高时,纤维易发生团聚形成阻隔边界,降低流动性。(2)通过比长仪测试40mm×40mm×160mm结石体的收缩率发现,结石体28天的收缩率随椰壳纤维掺量增加逐渐减小,试样收缩率约为1.4%～2.2%,满足规范3%的要求。结石体的收缩率随玄武岩纤维掺量增大显著降低,6mm的玄武岩纤维加筋注浆材料的收缩率下降达40%以上。结石体的裂缝随掺量和长度增大而增多,相同掺量和长度下,玄武岩纤维比椰壳纤维加筋试样的裂缝少。(3)在不同长度和掺量的纤维加筋下,通过对70.7mm×70.7mm×70.7mm尺寸试样的UCS试验和40mm×40 mm×160mm尺寸试样的三点弯曲抗折强度试验分析发现,纤维长度与掺量对注浆材料的抗压强度(UCS)和抗折强度提升存在最优值。通过综合平衡法分析,建议椰壳纤维掺量为0.6%、长度为6mm,相应试样的抗压强度和抗折强度较对照组分别提升49.09%和32.08%。建议玄武岩纤维掺量为0.2%、长度为6mm,相应试样的抗压强度和抗折强度较对照组分别提升77.27%和62.26%。通过组合优化法分析,得出椰壳纤维最优长度为8.5455mm,最优掺量为0.59%,玄武岩纤维最优长度为9.0909mm,最优掺量为0.80%。(4)随椰壳纤维和玄武岩纤维掺量的增大,力学性能和韧性性能有显著提升,耗能能力增强,但长度和掺量均过高时影响试样的性能。玄武岩纤维掺量大于0.2%后,其破坏模式呈显著延性特征。纤维加筋后使土体编织成一个三维网状结构,不同位置和方向的纤维受力后均与基质发生挤压作用,有效限制基质颗粒间的变形与滑移,提高宏观力学性能。

关键词： 低温环境   FRP筋   混凝土/UHPC   力学性能   界面黏结性能   受弯性能  

摘要： 纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer,FRP）筋具有轻质、高强、耐腐蚀等优点,在极地、海洋、寒区等恶劣环境下能够代替钢筋,提高混凝土结构的耐久性能。本文从材料、界面和构件三个层次,采用试验研究、数值模拟和理论分析的研究手段,研究了极端低温环境下FRP筋、混凝土/超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrete,UHPC）材料力学性能及FRP筋-混凝土/UHPC梁受弯性能。本文主要研究内容及结论如下: （1）低温环境下FRP筋力学性能研究。研究了低温环境下FRP筋纵、横向热膨胀系数及拉伸、压缩、弯曲、横向剪切和层间剪切等力学性能。结果表明,FRP筋横向热膨胀系数远高于其纵向热膨胀系数,二者均随温度的降低而减小。FRP筋拉伸性能主要取决于纤维,低温下强度增长不明显。FRP筋压缩、弯曲、横向剪切和层间剪切性能受树脂和纤维共同影响,低温下强度增长显著。FRP筋压缩弹性模量约为拉伸弹性模量的90%,二者受低温影响不明显。基于试验数据和回归分析,建立了低温环境下FRP筋力学性能计算模型。 （2）低温环境下混凝土/UHPC力学性能研究。研究了低温环境下混凝土断裂性能、UHPC弯曲和断裂性能。结果表明,混凝土双K断裂韧度和断裂能在低温下均显著提高。基于试验结果和回归分析,提出了低温环境下混凝土断裂能计算模型。利用ABAQUS建立了三维扩展有限元（Extended Finite Element Method,XFEM）模型,对混凝土断裂试验结果进行了验证,并开展了参数分析。低温环境提高了UHPC基体强度和钢纤维-基体界面黏结强度,进而提高了UHPC力学性能。由于钢纤维的桥联作用,UHPC具有优越的弯曲性能和断裂性能,其断裂能可达混凝土的100倍。 （3）低温环境下FRP筋-混凝土/UHPC界面黏结性能研究。研究了低温对带肋FRP筋和粘砂FRP筋-混凝土黏结性能的影响规律。结果表明,低温下FRP筋混凝土黏结性能受筋材表面粗糙度影响较大,浅肋FRP筋在低温下黏结性能减弱,而深肋FRP筋在低温下黏结性能增强。带肋FRP筋混凝土黏结强度相对较低,粘砂可有效提高其黏结强度。常温下粘砂FRP筋混凝土黏结强度均超过10 MPa,低温下黏结强度进一步提高,但呈现出明显的脆性特征。UHPC对FRP筋具有良好的锚固性能,带肋FRP筋和粘砂FRP筋-UHPC黏结强度均超过10MPa。基于试验结果和统计分析,提出了适用于低温环境的FRP筋混凝土黏结滑移本构模型。基于黏结滑移理论和界面断裂力学理论,对FRP筋拔出全过程进行了理论分析。 （4）低温环境下FRP筋混凝土/UHPC梁受弯性能试验研究。开展了低温环境下FRP筋混凝土梁、预应力FRP筋混凝土梁、FRP筋UHPC梁和预应力FRP筋UHPC梁受弯性能试验研究。结果表明,低温环境下FRP筋混凝土/UHPC梁受弯承载力显著提高,但抗弯刚度和裂缝开展规律变化不大。UHPC梁开裂荷载、抗弯刚度及承载力均明显高于混凝土梁,裂缝宽度远低于混凝土梁。低温环境下,FRP筋混凝土/UHPC梁破坏模式可能发生转变。此外,提出了低温环境下预应力FRP筋应力损失计算方法。 （5）低温环境下FRP筋混凝土/UHPC梁受弯性能数值模拟。利用ABAQUS建立了三维有限元模型,对FRP筋混凝土/UHPC梁受弯试验结果进行了验证,并针对关键参数开展了参数分析。结果表明,建立的有限元模型可以很好地预测FRP筋混凝土/UHPC梁破坏模式、荷载-跨中挠度曲线、荷载-FRP筋应变曲线和荷载-预应力FRP筋应变曲线。混凝土梁峰值荷载和抗弯刚度模拟值与试验值比值分别为1.00和0.91;UHPC梁峰值荷载和抗弯刚度模拟值与试验值比值分别为1.05和0.98。 （6）低温环境下FRP筋混凝土/UHPC梁受弯计算方法。基于试验结果和理论分析,提出了FRP筋混凝土/UHPC梁受弯承载力、抗弯刚度及裂缝宽度计算方法。本文结合中国规范GB 50068-2020和美国规范ACI 440.1R-15优缺点,提出了建议的FRP筋混凝土梁受弯承载力计算方法。GB规范和ACI规范均高估了FRP筋混凝土梁抗弯刚度,本文基于GB规范,考虑FRP筋与混凝土黏结特性,修正了裂缝间纵筋应变不均匀系数ψ_f,进而修正了梁抗弯刚度。基于结构整体变形,推导了无黏结预应力筋应力增量,结果优于美国规范ACI 440.4R-04采用的折减系数法和中国规范JGJ 92-2016采用的经验公式法。基于ACI规范采用的有效惯性矩法,考虑无黏结预应力筋折减系数,推导了无黏结预应力FRP筋混凝土梁抗弯刚度。考虑UHPC钢纤维抗拉贡献,推导了FRP筋UHPC梁抗弯承载力和抗弯刚度。

关键词： Cu-Ag纳米复合材料   分子动力学模拟   热-力耦合冲击   位错演化   塑性变形机制  

摘要： 由于其高强度和高导电性,Cu-Ag纳米复合材料是抵抗脉冲磁体上极强拉伸应力和迅速温升的最佳候选材料。在工作过程中,脉冲磁体反复承受着超强的洛伦兹力,磁体中通过的巨大电流还会使磁体温度在极短时间内迅速升高,这使得磁体结构承受着强大的力冲击和热冲击,给磁体的运行带来极大危害。本文运用分子动力学方法,通过模拟Cu-Ag纳米复合材料在热-力耦合冲击下的变形过程,从微观角度揭示了Cu-Ag纳米复合材料的力学行为和微观变形机理,为脉冲磁体长期稳定地运行提供了指导。文章首先基于实验观测结果,构建了Cu-Ag纳米复合材料的分子动力学模型。通过改变应变率和升温速率,模拟了力冲击和热冲击作用下的材料的变形过程。模拟结果表明:在力冲击下,由于应力集中,位错更容易在界面处形核和发射,并沿{111}晶面扩展。随着应变率的升高,材料内部被激活的位错源数目、位错密度和位错运动速度皆增加,材料的屈服应力和屈服应变均呈现增加趋势,材料表现出较强的应变率效应。在热冲击下,体系势能随着温度升高逐渐上升,原子的热运动加剧,原子偏离平衡位置,体系无序度不断增强。当温度达到熔点时,原子脱离平衡位置,排列变得无序,晶体结构发生显著变化,材料熔化。升温速率的增加会使材料内部无序度上升,以较高速率进行升温时,材料内部的高度无序化和原子的无规则运动会使系统能量增加,导致熔化相变的能垒降低,材料的熔点相应升高。其次,在阐明热、力冲击下材料变形行为的基础上,本文还研究了热-力耦合冲击下Cu-Ag纳米复合材料的微观结构演变。结果表明:在热-力耦合冲击下,由于位错形态、位错密度、位错运动方式以及材料塑性变形机制的差异,材料的位错形核应力和屈服应力随着应变率的降低和升温速率的升高而减小,塑性变形机制也随之由位错运动主导向非晶区域持续扩展导致的整体非晶化转变。最后,本文还建立了层合模型,对Cu-Ag纳米复合材料进行了冲击加载的分子动力学模拟,研究了冲击过程中的应力波响应、层裂强度以及微观结构演化。此外,还研究了冲击速度对层裂强度的影响,并从微观层面分析了造成层裂强度改变的原因。

关键词： 地铁隧道   预制混凝土管片   喷雾养护   浸水养护   孔隙结构   微观形貌   力学性能  

摘要： 国内地下轨道交通快速发展，在地铁建设中预制混凝土管片需求量持续增加，预制混凝土管片质量安全深刻影响到隧道的安全性。管片养护是预制混凝土管片生产过程中至关重要的工序，对保证混凝土管片强度与耐久性具有重要作用。因此，研究混凝土管片的养护方式具有重要意义。　　目前，预制混凝土管片普遍采用蒸汽养护+浸水养护的分段养护方式。在二次养护（浸水养护）期间，需要耗费大量水资源，且养护结束后产出大量碱性溶液，存在成本高、风险大、环保性差的显著问题。本文提出在二次养护阶段采用喷雾代替浸水的方式进行养护，大大减少淡水的消耗，同时减少碱性溶液的排放，达到降低成本和保护环境的目的。本文分别针对二次养护为传统浸水方式和新型喷雾方式的C50预制管片混凝土材料开展立方体抗压试验、轴心抗压试验、抗折试验、弹性模量试验、管片实体回弹试验等力学性能试验，研究养护方式对管片材料宏观力学性能的影响规律，验证新型养护方式的可行性。另外，采用氮吸附法、扫描电镜（SEM）等试验方法对混凝土管片材料开展微观孔隙特征及微观形貌试验，进一步研究养护方式对力学性能影响的内在机理。通过研究，得到如下结论:　　（1）在喷雾和浸水两种二次养护条件下，28d长龄期时混凝土抗压强度差距不大，且均能超过混凝土强度等级的要求，但强度发展过程存在差异。混凝土力学性能均随养护龄期的增加而增加，但喷雾养护条件下混凝土的前期强度比浸水养护下低。另外，喷雾养护28d龄期下混凝土抗折强度略低于浸水养护，且喷雾条件下混凝土的折压比低于浸水养护，说明喷雾养护下同龄期混凝土的韧性比浸水养护略差。　　（2）在喷雾和浸水两种二次养护条件下，28d龄期管片实体的换算回弹强度均能达到设计强度的120％以上;在7d龄期时，虽然喷雾养护管片的实体回弹强度略低于浸水养护，但两种养护方式下实体的回弹强度也均已超过设计值。　　（3）在混凝土二次养护的不同龄期，立方体抗压强度与材料的平均孔径和孔隙率呈负相关关系。在养护前期，喷雾养护下材料的平均孔径和孔隙率高于浸水养护，而在28d龄期时，喷雾养护下材料的平均孔径和孔隙率却低于浸水养护，这解释了喷雾养护前期力学性能增长缓慢的特点。　　（4）喷雾养护和浸水养护下混凝土分形维数均随着养护龄期的增加呈逐渐增大的趋势，在养护进程中水化产物不断生长，混凝土孔隙结构趋于密实。喷雾养护条件下短龄期分形维数略低于浸水养护，而长龄期下高于浸水养护。随着分形维数的增大，无 害小孔增多，平均孔径减小，混凝土孔隙结构更加复杂，孔结构愈发致密，进而混凝土抗压强度与抗折强度显著提升。　　（5）通过对混凝土微观形貌观测发现，7d龄期时，喷雾养护条件下混凝土内部孔隙以及微裂缝较多，混凝土的水化程度比浸水养护下低;浸水养护混凝土生成网状C-S-H凝胶和钙钒石填补部分孔隙，水泥基体较致密，这也是导致喷雾养护下混凝土早期力学性低于浸水养护的原因。28d龄期时，两种养护方式的混凝土团絮状C-S-H和针棒状AFt以及CH相互搭接交错，都形成了致密的网状结构。喷雾养护前期存在的微裂隙和孔洞明显减少，水化产物嵌入其中，微观形貌较前期呈现良好致密性。这有效保证了喷雾养护下混凝土的后期力学性能。

ISBN: (纸本)9787561290262

关键词： 道路及桥梁修复材料   硫铝酸盐水泥   橡胶   力学性能  

摘要： 随着时间的推移以及汽车行业的迅猛发展,水泥混凝土路面及桥梁破损现象屡见不鲜,同时,废弃橡胶轮胎的数量也日渐增多,为采用经济型、环境友好型方法解决水泥混凝土路面及桥梁损坏问题,本研究中用普通硅酸盐水泥（OPC）取代部分硫铝酸盐水泥（SAC）,并将废弃橡胶轮胎取代部分细骨料加入到硫铝酸盐水泥修复材料中,制备出了一种水泥混凝土路面及桥梁新型修复材料。本文对其进行了一系列相关试验,主要内容如下:（1）以不同OPC掺量（0%、20%、30%、40%）和不同橡胶掺量（0%、10%、20%、30%）分别取代SAC和细骨料,对不同养护龄期（2h、1d、7d、28d）的新型修复材料进行抗压强度与抗折强度试验,并从强度增长百分比、强度损失率以及折压比等方面分析OPC掺量和橡胶掺量对新型修复材料的影响。建立了新型修复材料强度与OPC、橡胶掺量、养护龄期三变量之间的定量关系且试验值与预测值误差较小。试验发现:OPC的掺入有加速SAC水化的作用,橡胶的掺入有提高韧性的作用,但随着OPC和橡胶掺量的增加,新型修复材料的抗压强度和抗折强度均呈现降低的趋势。（2）对不同OPC、不同橡胶掺量的新型修复材料进行初始流动度以及20min流动度试验,结果表明:掺入OPC增加了新型修复材料的初始流动度、20min流动度,而掺入橡胶降低了新型修复材料的初始流动度、20min流动度。（3）对新型修复材料进行了冻融循环试验和核磁共振试验,根据质量损失率以及相对动弹性模量分析了OPC和橡胶对新型修复材料抗冻性能的影响。并基于相对动弹性模量建立了新型修复材料抗冻性系数模型。试验发现:在未掺橡胶时,掺入OPC对新型修复材料的抗冻性能有不利影响。橡胶的掺入虽增加了孔隙率以及T2右峰面积,但其良好的变形能力可以吸收冻胀力,提高了抗冻性。（4）对不同养护龄期、不同OPC掺量和不同橡胶掺量的新型修复材料进行了冲击试验,根据抗冲击次数、抗冲击耗能、冲击发展百分比评估了新型修复材料的抗冲击性能。结果表明:掺入OPC对新型修复材料抗冲击性能有不利影响,而加入橡胶可以提高新型修复材料的抗冲击性能。新型修复材料服从双参数Weibull分布,并计算了不同失效概率下各龄期的终裂冲击次数。（5）采用响应面法（RSM）中的Central Composite Design建立了新型修复材料各龄期的抗压强度、抗折强度、抗冲击初裂次数以及抗冲击终裂次数响应面回归模型。通过方差分析、模型精度分析、试验值与预测值对比分析,对建立的模型进行评估。并采用三维响应面图分析了OPC和橡胶共同作用时对新型修复材料性能的影响。用Numerial功能进行配合比优化,新型修复材料最优配比为OPC和橡胶掺量分别为20.6%、10%,经试验验证,试验值与预测值误差较小。