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关键词： 髋部骨折   髋部力学结构   计算力学   骨密度分布   有限元分析   材料力学   几何形态  

摘要： 背景 随着人口老龄化不断加剧,髋部骨质疏松骨折发病率呈逐年上升趋势,预计2050年全球将达630万例。老年髋部骨折患者长期卧床可导致心力衰竭、坠积性肺炎等并发症,危及患者生命。因此,尽早手术内固定治疗实现早日下地成为治疗首选。然而,指导髋部骨折治疗的髋部悬臂梁样力学结构主要关注骨松质,而未重视骨皮质。同时该结构是基于尸体骨剖面形象观察而得出,缺乏有效数据和力学验证,无法全面反映髋部力学结构特征,导致基于该结构所设计的内固定器械术后失败率高达20.5%。因此,急需完善髋部力学结构特征认知,进而指导髋部骨折手术治疗及内固定设计。 目的 本研究旨在(1)通过髋部时空老化图谱的构建,描述髋部骨密度时空分布规律;(2)利用自动有限元分析和材料力学性能计算,论证髋部力学结构的应力分布及材料性能;(3)探索髋部力学结构几何形态分布规律及人群亚型分布,论证不同亚型的力学性能差异,为髋部力学分析和临床骨折治疗进一步深化提供理论依据。 方法 (1)基于收集的204例髋部CT影像数据,通过骨量定向叠加算法,构建髋部骨密度时空老化图谱,并通过自适应局部阈值分割算法提取髋部高骨密度区域数据,进而分析不同人群髋部各解剖区域骨密度的差异。 (2)基于髋部骨密度分布数据,通过自动有限元分析方法探索人体髋部应力分布规律,并通过自适应局部阈值分割技术算法提取髋部高应力区域数据,进而分析不同人群髋部各解剖区域应力的差异。 (3)基于髋部骨密度分布数据,通过材料力学分析方法探索人体髋部骨结构材料力学性能差异,并通过均值分割算法提取髋部高抗张、抗压材料性能区域,进而分析不同人群髋部各解剖区域材料性能的差异。 (4)通过髋部高骨密度、高应力和高抗张、抗压材料力学性能分布的空间一致性检验,从解剖形态、力学功能和材料力学性能方面证实力学结构存在的合理性。 (5)基于髋部力学结构解剖形态分布区域数据,通过骨架线提取算法建立髋部简化力学模型并提取关键几何学参数,进而通过聚类分析实现力学结构亚型分类并通过有限元分析进行不同亚型的骨强度差异分析。 结果 (1)髋部高骨密度区域在髋部上、内、外侧呈三角形样汇聚趋势,该区域骨量在髋部整体的占比为0.61±0.06,是低骨密度区域骨量的1.58±0.31倍。男性髋部高骨密度区域骨量、面积和骨密度均大于女性(P<0.05)。男、女性髋部高骨密度区域骨量、面积和骨密度在髋部整体的占比差异无统计学意义(P>0.05)。随着年龄的增加,髋部高骨密度整体区域骨量、面积和骨密度均逐渐降低(P<0.05),但高骨密度区域仍呈三角形样的分布趋势。 (2)在生理载荷下,髋部高应力区域主要分布在髋部上、内、外侧区域。其高应力区域在整体面积的占比为0.46±0.04,高应力区域的平均应力是低应力区域的4.28±0.24倍。女性髋部高应力区域面积在髋部整体的占比大于男性(0.5±0.02 VS 0.46±0.04,P<0.05),女性髋部高应力区域与髋部整体的平均应力比小于男性(1.59±0.05 VS1.69±0.1,P<0.05),各个解剖部位呈现相同的性别间差异。线性回归显示,随着年龄增长,髋部各个解剖部位的高应力区域平均应力逐渐升高(P<0.05),但各解剖部位的高应力区域面积和平均应力与解剖区域的比值变化无统计学意义(P>0.05)。 (3)髋部高抗张、高抗压区域在髋部上、内、外侧均呈三角形样汇聚趋势。髋部高抗张区域面积在髋部整体的占比仅为0.53±0.01,抗张积分在髋部整体的占比为0.76±0.01,是低抗张区域抗张积分的3.24±0.13倍。男、女性髋部高抗张区域面积、抗张积分和抗张微分与髋部整体的比值差异无统计学意义(P>0.05)。线性回归分析显示,随着年龄增加,髋部高抗张整体区域面积、抗张积分和抗张微分均逐渐降低(P<0.05),但高抗张区域仍呈三角形样的分布趋势。髋部高抗压区域面积在髋部整体的占比仅为0.44±0.04,抗压积分在髋部整体的占比为0.51±0.04,是低抗压区域抗压积分的1.06±0.19倍。男、女性髋部高抗压区域面积、抗压积分和抗压微分在髋部整体的占比差异无统计学意义(P>0.05)。线性回归分析显示,随着年龄的增加,髋部高抗压整体区域面积、抗压积分和抗压微分均逐渐降低(P<0.05),但高抗压区域仍呈三角形样的分布趋势。 (4)81.91±0.06%的高应力区域被包含在髋部高骨密度区域,90.94±0.05%高抗压性能区域被包含在髋部高骨密度区域,66.46±0.05%高抗张性能区域被包含在髋部高骨密度区域。 (5)人群中髋部三角形力学结构内侧边长度为73.80±8.30 mm,外侧边长度为46.01±8.22 mm,上侧边长度为65.73±6.72 mm,内上夹角为45.00±7.24°

关键词： 《材料力学》   虚拟教学团队   混合式教学   课程建设  

摘要： 线上线下混合式教学是基于线上信息化平台与线下教学资源整合而建立的新型开放式的教学课程模式。其中，教学团队的建设需要打破传统的封闭式的组建模式，从而适应课程建设教学改革的发展趋势，是新时代应用型本科课程建设的重要探索和研究的方向。以机械专业方向《材料力学》课程为例，根据课程特点进行虚拟教学团队建设，通过跨校合作、校企合作、跨学科合作模式，形成模块化教学系统，优化课程体系，重构课程内容，科教融合，建立混合式教学评估机制，提升课程教学质量，为虚拟教学团队在信息化教学课程建设，提供新的发展思路。

关键词： 粉煤灰基胶凝材料   粉煤灰基混凝土   微观结构   力学性能   耐久性能  

摘要： 基于我国目前的“双碳”战略和大宗固废急需资源化利用的背景，本论文的研究重点从以下三点开展:（1）从熟料替代方面寻求创新和突破，推动混凝土绿色低碳化技术的实施，构建力学性能良好的粉煤灰基胶凝材料和粉煤灰掺杂型混凝土的设计理论与方法;（2）通过机器学习方法，探索理论预测-实验验证-应用示范这一新材料研发模式，提升粉煤灰基混凝土材料的耐久性;（3）使用低碳胶凝材料代替水泥制备混凝土，减少水泥用量，为工业固废的资源化利用、绿色低碳技术的推广和应用提供理论支持和技术指导。为此我们开展了以下三个方面的工作:　　首先，本文对不同粉煤灰掺量净浆的力学性能及水化过程进行分析，以此为参考加入偏高岭土、脱硫石膏和炉渣共同进行正交试验设计，通过极差和方差分析，确定影响因素最强为炉渣，最弱为偏高岭土。采用XRD、SEM、孔结构表征方法，分析粉煤灰基胶凝材料的微观结构，进而从微观角度揭示粉煤灰基材料的宏观力学性能的演化过程，探讨水化产物C-S-H凝胶和5-10nm良性孔占比对材料宏观力学性能的影响机制，实验结果显示:C-S-H胶体和钙矾石的扩散、生长有利于胶体结构的交织，5-10nm良性孔占比的提升，改善了粉煤灰35％掺量试件的微孔结构，该试件力学性能可达纯水泥试件的71％和58％,经过不同龄期的养护，材料抗压强度从3d的14.6MPa提升为28d的34.83MPa,使材料力学性能最终可达到C30标准。　　其次，本文分析了多参数目标的三种机器学习算法，对相对抗压强度进行预测，误差范围准确地控制在±20％内，表明随机森林(RF)模型具有最好的预测效果，因素相关性也与前文微观分析得出的结论一致。　　最后，以抗氯离子侵蚀为研究对象，利用随机森林模型(Random forest RF)、梯度提升回归模型(Gradient boosting machines GBR)和决策树模型(Decision tree DT)对粉煤灰混凝土经过氯离子侵蚀后的总氯离子含量进行预测，探究并预测粉煤灰基质材料的耐久性。通过对比误差范围、对照参数和正态分布，结果发现:三种机器学习算法预测效果存在一定的差异性，其中RF算法最好，其预测性能最稳定和最准确，因素相关性与前文微观分析得出的结论相符，耐久性能可通过降低渗透率、改善体系中离子含量、减弱环境对结构侵蚀和延长使用寿命得以提升。

关键词： 船舶舱室结构   阻尼涂层   振动特性   拓扑优化  

摘要： 船舶上的各种机械设备在运行过程中产生的振动会通过甲板及各种壁板传递到船舶各处,对各种舱室以及设备本身造成影响,同时这也会对人员舱室舒适性产生较大影响。船体结构敷设阻尼材料是一种经济有效的重要抑振手段。目前,船用阻尼涂层多采购自国外,施工工艺程式化,缺乏相应的材料力学性能参数,缺乏对阻尼涂层所引起的结构动力学方面的基础研究。本文以招商威海船厂的DMS PUD20阻尼涂层为目标,研究了阻尼材料的力学性能及其对船舶舱室振动特性的影响和结构拓扑优化方法,对阻尼材料在实船上的施工和工程设计具有一定的应用价值。首先根据阻尼涂层的制备工艺及相关国家标准制备阻尼涂层,采用悬臂梁共振法等实验对其力学性能参数进行测定,获得了阻尼涂层的弹性模量、泊松比以及阻尼损耗因子值。其次,对刮涂阻尼涂层的钢板进行了实验与仿真模拟分析。在钢板基层上刮涂阻尼涂层并以该复合板结构为对象,进行模态分析及谐响应分析,通过求解得到其各阶模态下的相关参数及谐响应结果,对比实验数据以验证有限元法的准确性。进一步构建船舶舱室有限元模型,采用在钢质舱室表面刮涂阻尼涂层和敷设约束层铝板的方法以实现对结构的减振,求解相关振动参数以探究阻尼涂层对舱室结构的减振作用。为减少阻尼涂层和约束层铝板的用量,选取阻尼涂层和约束层铝板的厚度作为两个设计的变量,以各阶阻尼损耗因子值及插入损失值作为目标,得到了最佳的厚度组合以实现最优减振效果。最后,本文采用变密度法的SIMP材料插值模型以及优化准则法,将约束阻尼层的体积作为一个约束条件,将前四阶模态下的阻尼损耗因子值最大化作为优化目标,对船舶舱室表面的阻尼材料进行拓扑优化的求解,并求解优化后结构的稳态动力学响应,验证拓扑优化方法对结构减振的优化效果。经分析,阻尼材料在优化后减少了30%左右的用量,而结构的最大加速度响应峰值减少了20.2%,结构振动特性得到了进一步的优化,实现了较好的减振效果。

关键词： 水泥基材料   纳米纤维素   宏观力学性能   断裂韧性   水化性能   微结构   纳米力学性能  

摘要： 水泥基材料作为建筑行业最基础的材料,具有从宏观到微观尺度的复杂结构。然而,水泥基材料在工程应用中表现出低强度和低韧性的特性。为了克服上述缺点,本文采用纳米纤维素(cellulose nanofibrils,CNFs)增强水泥基材料的强度和韧性。据研究,CNFs作为一种可再生、可生物降解的天然物质,具有高长径比、高弹性模量、高比表面积等特性,将其掺入水泥基材料中可以改善水泥基材料的力学、水化、微结构等性能。因此,本文主要研究CNFs对水泥基材料的宏观力学性能、断裂韧性、纳米力学性能的影响,结合CNFs对水泥基材料的流动性、流变性、微结构、水化性能的影响研究,从而揭示CNFs改性水泥基材料力学性能和断裂韧性的作用机理。具体研究内容和结论如下:(1)研究了CNFs对水泥基材料宏观性能的影响,包括流动性能、流变性能、力学性能、断裂韧性。研究表明,随CNFs掺量的增加,水泥浆体的流动度逐渐降低,屈服应力和塑性粘度逐渐增加,并且流动度与屈服应力的关系呈负相关;随水胶比的降低,水泥砂浆的抗折强度和抗压强度达到最大增幅时对应的CNFs掺量逐渐减小,当水胶比为0.5、CNFs的掺量为0.4%时,其28d抗压强度达到最大增幅(17.2%),当CNFs的掺量为0.2%时,其28d抗折强度达到最大增幅(18.9%);CNFs显著提高了水泥砂浆的断裂韧度和断裂能,当水胶比为0.5、CNFs的掺量为0.2%时,断裂韧度和断裂能分别较空白组提升了85.0%和99.2%。(2)结合等温量热仪测试和低场核磁共振测试方法探究了CNFs对水泥基材料水化性能的影响。等温量热仪测试结果表明,CNFs减缓了水泥水化早期12h之前的放热速率,延迟了水泥早期水化,但增加了水泥水化84h之后的累计放热量,促进了水泥后期水化;低场核磁共振测试结果表明,CNFs延迟了水泥水化早期阶段-第二加速期之前的水泥水化反应,但促进了第二加速期之后的水泥水化反应。(3)研究了CNFs对水泥基材料微结构的影响。首先,采用SEM技术对纳米纤维素水泥基复合材料的致密程度和断裂面形貌进行分析;其次,采用低场核磁共振分析方法对纳米纤维素水泥基复合材料的孔径分布和孔隙率进行分析。研究表明CNFs提高了水泥基材料的致密性,其在水泥基体中发挥纳米填充和纳米桥连的作用,增强了水泥基材料的力学性能和断裂韧性;CNFs降低了水泥基材料的孔隙率,当CNFs的掺量为0.2%时,其孔隙率由40.2%降至30.6%。最终阐释了CNFs对水泥基材料微结构的影响。(4)通过纳米压痕测试系统研究了CNFs对水泥基材料纳米力学性能的影响。研究表明CNFs提高了LD C-S-H和HD C-S-H压痕模量的均值,对LD C-S-H和HD C-SH压痕硬度的均值无影响;CNFs的加入有助于LD C-S-H向HD C-S-H的转化,随CNFs掺量的提高,LD C-S-H的体积分数减小,HD C-S-H的体积分数增加。CNFs改善了CS-H凝胶的微观结构,表明了CNFs在纳米尺度上对水泥基材料具有增强作用。

关键词： 辐射吊钩   管式加热炉   强度分析   材料力学   有限元分析  

摘要： 吊钩是石油化工加热炉中的重要部件，其强度分析与设计直接影响到加热炉的安全运行。本文以管式加热炉辐射吊钩为目标对象，以吊钩实际工况为分析计算环境，采用基于材料力学的简化强度计算分析方法，及依赖材料力学理论的有限元分析方法，进行了强度分析，并对两种方法的计算结果进行了对比。研究结果表明，利用材料力学原理进行有限元强度分析的方法的准确性较高。本文依据该方法对两种不同结构的吊钩进行了分析对比，为今后吊钩的设计提供了参考。

关键词： 碳/玻混杂复合材料   锚固系统   混杂效应   疲劳性能   湿热耐久性能   长期寿命预测  

摘要： “十四五规划”与“国家2035”远景目标明确提出“出疆入藏、中西部地区、沿江沿海沿边战略骨干通道建设”。面向重大交通工程建造挑战,高性能工程材料及其结构亟需新突破。纤维增强树脂复合材料（FRP）具有轻质高强、抗疲劳与耐腐蚀等优异性能,在桥梁结构中展现出巨大应用潜力,如桥梁斜拉索、混凝土梁预应力拉索等。但FRP横向抗剪与抗压性能弱,导致其锚固困难;FRP为线弹性材料,呈脆性破坏模式,安全储备应变小;碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）造价较高,不适合土木工程量大面广的建设需求,玻璃纤维增强树脂复合材料（GFRP）耐久性较差,不满足拉索长寿命设计需求。碳/玻璃纤维混杂是实现FRP低价与高延性的有效途径,但纤维混杂复合材料在荷载-湿热作用下的性能退化规律与机理不明确,尚未形成复杂环境下的长期性能预测与评价方法。因此,缺乏FRP的高性能化、高效可靠的锚固与服役环境下的长期性能演化研究是FRP在桥梁斜拉索和混凝土梁预应力拉索应用中需解决的关键问题。 鉴于此,本文研发了FRP杆高效可靠的力学锚固系统,采用碳/玻璃纤维混杂技术拉挤制备出了高性能纤维混杂复合材料,研究了不同混杂模式下纤维混杂复合材料力学性能与失效模式,获得了纤维混杂复合材料在单一湿热、荷载-湿热作用下的热机械、力学性能演化规律与机理,建立了纤维混杂复合材料长期寿命预测模型。本文研究内容及成果如下: 开展了三种夹片式锚固系统设计与制备方法研究,通过拉伸测试研究了锥度差与预紧力对锚具力学性能与杆体失效模式的影响规律,结合疲劳测试获得了不同锚具形式下杆体疲劳寿命与失效模式。研究结果表明,设置0.1°锥度差可降低杆体在锚具端部的剪应力峰值,显著提升锚具承载力,杆体呈现爆裂破坏;增大预紧力不影响锚具承载力,但显著降低锚具发生滑移的临界荷载;增设胶黏剂层有效缓解锚具内部应力集中,大幅提升锚具效率与抗疲劳性能。 研究了混杂模式与直径对碳/玻混杂杆力学性能与破坏模式的影响规律,通过杆体全场应变分析,揭示了杆体在细观尺度上纤维与界面的破坏过程及伪延性行为机理。研究结果表明,纤维混杂模式显著影响杆体力学性能,包覆混杂杆（碳纤维集中于芯层:GCH,碳纤维分散于皮层:CGH）易发生皮-芯界面脱粘,显著降低杆体短梁剪切强度。通过纤维随机混杂可有效发挥玻璃纤维的桥联作用,使得随机混杂杆（UDH）拉伸呈现0.5%的伪延性应变;增大杆体直径引入更多的原始缺陷与残余内应力,显著降低大直径杆体力学性能;纤维混杂导致碳纤维产生压缩残余应变,使得混杂杆拉伸断裂伸长率实现正混杂效应。 研究了纤维混杂模式与直径对杆体疲劳性能与破坏模式的影响规律,获得了混杂杆疲劳寿命与刚度退化曲线,揭示了不同混杂模式下杆体疲劳失效机理。研究结果表明,CGH杆拥有优异的抗疲劳性能,其疲劳极限分别是UDH与GCH杆的1.2倍与2.1倍;大直径混杂杆增大锚具端部应力集中与杆体内部原始缺陷,加速杆体疲劳损伤累积过程,大幅降低杆体抗疲劳性能;通过纤维随机混杂,消除了UDH杆内部皮-芯界面薄弱层,杆体发生整体劈裂破坏。包覆混杂杆发生皮-芯界面脱粘,导致皮层的劈裂破坏。 高温加速老化试验研究了混杂模式对杆体水吸收行为与热机械、力学性能的影响规律,揭示了纤维混杂对阻碍水分子扩散的屏障作用机理与纤维-树脂界面脱粘对热机械、力学性能的劣化机理,建立了基于Fick定律的界面剪切强度长期寿命预测模型。研究结果表明,通过纤维随机混杂可降低水分子在UDH杆内部的扩散速率,显著提升杆体长期力学性能;水分子侵入造成树脂基体劣化与纤维-树脂界面脱粘,降低树脂基体链段运动所需能量,导致混杂杆的玻璃化转变温度（Tg）显著退化;寿命预测获得碳纤维-树脂、玻璃纤维-树脂与碳/玻璃纤维-树脂界面剪切强度稳定保留率分别为72.3%、43.7%与48.7%。 高温加速老化试验研究了弯曲持载作用下混杂杆水吸收与热机械、力学性能演化规律,揭示了持载作用对加速水分子扩散与杆体热机械、力学性能退化的作用机理;建立了持载-湿热耦合作用下混杂杆长期寿命预测模型。研究结果表明,弯曲持载作用造成树脂基体开裂与界面脱粘损伤,加速水分子在杆体内部的扩散,导致杆体热机械、力学性能显著退化;损耗因子与Tg受控于基体性能,不受弯曲持载作用的影响;纤维混杂模式影响杆体长期弯曲性能,CGH杆避免了受压区玻璃纤维失稳与皮-芯界面脱粘,弯曲强度稳定保留率高达89.0%。 研究了湿热老化与拉伸持载作用对混杂杆疲劳寿命、破坏模式与刚度退化的影响规律;揭示了杆体内部细观损伤对疲劳性能的劣化机理,获得了复杂环境下杆体疲劳性能评价。研究结果表明,湿热老化与拉伸持载不改变混杂杆疲劳失效模式,拉伸持载对杆体疲劳性能的影响小于湿热老化;湿热老化造成纤维-树脂界面脱粘,加速杆体疲劳裂纹扩展与累积过程,显著降低杆体抗疲劳性能

关键词： 热电材料   夹杂   孔洞   应力场   纳米尺度   任意多个夹杂   表面效应   应力集中  

摘要： 热电材料是一种可以直接将热能和电能相互转换的功能材料,其制成的热电装置无需机械传动部件和压缩机,具有结构简单、无噪音、可靠性高、寿命长等特点,在太阳能利用、特种能源、废热回收、深空探测等领域有极其广阔的应用前景。热电材料的实际应用存在两个制约因素:转换效率低下和力学可靠性未知。目前,热电材料/结构的相关研究主要集中于增强热电输运性质和提高热电转换效率,而对热电材料/结构的力学行为的研究则相对匮乏。事实上,大部分热电材料均为脆性材料,在其服役过程中受到热-力-电载荷作用时,材料内部产生的热应力将威胁到结构的安全和可靠性。特别当结构内部含有各种形式或者尺度的夹杂/孔洞时,由于材料性质不连续,不均匀相附近的温度场、电势场以及应力场很容易出现明显的集中现象,可能导致断裂、界面脱粘等严重的结构失效问题。因此,针对含夹杂/孔洞热电材料力学行为问题的研究对于热电结构的安全设计和可靠性分析具有重要的指导意义。 本文基于复变函数理论,结合数值算例,着重研究了含多个夹杂/孔洞、不同尺寸夹杂/孔洞的热电复合材料平面问题,分析不同的界面性质对热电复合材料力学行为的影响。论文主要研究内容和创新结果总结如下: (1)针对含新型功能增强型刚性圆环纤维的热电材料,将其看成平面应变问题进行研究。利用复变函数方法,求解出全域热电场和弹性场封闭形式的解析解,并分析了界面热阻以及纤维几何参数对界面附近热电场和弹性场的影响。发现当内外径之比大于0.6时,界面处的米泽斯应力急剧增大现象,严重影响热电结构的稳定性。 (2)在常规尺寸上,针对热电材料制作过程中出现的孔洞,简化为含两个椭圆孔的热电材料平面模型。考虑到是复杂界面所构成的多连通域问题,利用保角变换、傅里叶变换以及叠加原理进行求解。结果表明当孔间距逐渐减小时,孔界面上的最大温差出现跳跃式增长;随着材料塞贝克系数的增大,界面附近的米泽斯应力显著减小,但在孔较扁平时两侧端点出现应力集中现象(尤其是在背对另一个孔的端点处)。 (3)在微纳尺度上,在考虑界面效应和界面声子散射的情况下,研究了含单个纳米夹杂热电材料二维问题,给出了封闭形式的精确解。发现界面声子散射程度的增加使得界面内外两侧最大温差增大且出现在夹杂的左右两端,同时增大的还有界面附近最大米泽斯应力。相较于硬材质纤维,当纤维为软质材料时,界面基体侧径向应力极值受表面弹性影响较大。当改变表面弹性常数时,径向应力极值最大可增大12%。 (4)针对由两个圆形纳米夹杂所构成的多连通域平面问题,利用傅里叶变换和叠加原理进行研究。结果表明当两孔间距越来越小时,界面附近的环向应力分布规律会发生明显的改变,且会出现严重的应力集中现象;而在不改变间距比例时,同时改变两孔尺寸会使得界面处的环向应力发生显著变化。 (5)针对工程中热电复合材料中出现任意多个夹杂时的力学行为问题,利用级数法、傅里叶变换、叠加原理以及牛顿迭代法进行研究分析。讨论发现夹杂的尺寸和材料参数严重影响着其界面附近的温度场和应力场,尤其是随着夹杂电导率的增加界面温度场和米泽斯应力的极大值减小,极小值增大,当增大到一定范围之后其影响可忽略不计;当夹杂塞贝克系数增大时,其界面最大温差和最大米泽斯应力差是先缓慢增大然后再显著减小,这个界线便是夹杂与基体塞贝克系数相同时。

关键词： 纤维增强喷射水泥基材料   玄武岩纤维   力学性能   断裂韧度   开裂风险评估   约束圆环收缩试验  

摘要： 随着我国交通基础设施建设的快速发展,交通网不断向地形、地质复杂地区延伸,隧道在新建公路、铁路中所占的比例越来越大,喷射混凝土需求量迅速增加。但是目前喷射混凝土存在着强度低、韧性差、内部缺陷多、易开裂等缺点。为了适应高地应力、大变形地区隧道支护需求,研究高强度、高韧性的喷射混凝土具有重要意义。本文以纤维增强喷射水泥基材料(Fiber Reinforced Spraying Cement-based Materials,FRSCM)为研究对象,通过三点弯曲韧性试验测定其断裂韧度,通过约束圆环收缩试验对其开裂风险进行量化评估。研究了玄武岩纤维掺量、玄武岩纤维长度、粉煤灰和硅灰对FRSCM力学性能的影响规律,并进行了影响因素显著性分析;基于双K断裂模型,研究了玄武岩纤维对FRSCM断裂参数的影响规律,并建立了断裂韧度与纤维参数间的三维关系模型;采用扫描电镜观察了FRSCM的微观形貌,印证了纤维的增韧阻裂机理和矿物掺合料对纤维界面过渡区的改善作用;研究了玄武岩纤维和矿物掺合料对FRSCM开裂性能的影响规律及发展趋势,对其开裂风险进行了量化评估。本文主要结论如下:(1)掺加玄武岩纤维有效提升了喷射水泥基材料的韧性,断裂能提升20%～35%,起裂韧度提升10%～25%,失稳韧度提升10%～15%。(2)玄武岩纤维降低喷射水泥基材料的开裂风险,平均应力速率降低了40%～50%,开裂时的应力开裂系数降低了15%～35%。掺加矿物掺合料后,平均应力速率提高了20%～50%,开裂时的应力开裂系数降低了40%～50%,进一步了降低开裂风险。(3)玄武岩纤维主要通过改变裂缝发展方向、阻止微裂缝扩展等方式发挥增韧阻裂作用。纤维和水泥基体间存在薄弱的界面过渡区,掺加矿物掺合料,可以填充界面过渡区间的孔隙,提高了界面黏结性能。(4)综合本文研究,为了得到高强度、高韧度、抗裂性能好的FRSCM,采用12mm长度、0.15%体积掺量的玄武岩纤维,同时掺加15%的粉煤灰和3%的硅灰。