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关键词： SiC纤维增强复合材料   金属基   纤维随机分布模型   力学性能  

摘要： 随着我国航天航空工业进程发展,复合材料已成为研究机构和工业领域所关注的焦点。相比于传统的航空用复合材料,以单向SiC纤维增强金属基复合材料为代表的金属基复合材料具有更高的比刚度和比强度、更耐高温与腐蚀等诸多优点,因此在航空航天领域有良好的应用前景。本文以典型单向SiC纤维增强的金属基复合材料为研究对象,采用Chamis数值预测方法、纤维随机分布有限元方法、BP神经网络预测方法,快速准确预报SiC纤维增强金属基复合材料的宏观力学性能。主要内容包括以下方面: 首先,开展6061铝合金、GH4169镍合金、TC17钛合金三种不同金属基体材料的准静态拉伸实验,并采用数字图像相关法测量技术,分析了不同材料拉伸过程中应变场分布变化,获取了基体材料的基本力学性能。结合基于Chamis方程的数值预测方法,实现对SiC纤维增强金属基复合材料的基本力学性能理论预报,为后续有限元计算和机器学习预测方法提供了数据对比与基本输入参数。 其次,通过有限元软件的二次开发编写了基于蜜蜂归巢算法的用于建立纤维随机分布模型和施加周期性边界条件的python脚本,预测了在轴向拉伸、横向拉伸及剪切作用下SiC纤维增强Al基、Ni基、Ti基复合材料的主要弹性性能,分析了考虑不同网格密度、不同大小的单胞模型及不同纤维体积分数的有限元分析结果,并与理论预报结果进行对比验证。 最后,将纤维随机分布有限元模型的基体性能、纤维体积分数等数据作为BP神经网络的输入,将有限元计算得到的各向弹性常数作为输出,划分数据的训练集和测试集,对机器学习的输入特征进行归一化处理,调试神经网络隐藏层结构及训练函数,并通过调整训练次数、学习速率、训练目标最小误差等参数构建BP神经网络训练模型,对该训练模型预测值与有限元计算值进行对比分析,验证了机器学习用于快速准确预报SiC纤维增强金属基复合材料性能的可行性。

关键词： 碳纤维增强树脂基复合材料   力学性能   孔隙缺陷   分层缺陷   有限元分析  

摘要： 随着航空航天技术的革新,传统的金属材料已无法满足现代飞行器的要求。碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）具有轻质高强、耐磨性、耐腐蚀性和耐疲劳性等优异的特性,在航空航天领域中逐渐取代传统的金属材料。然而,在CFRP的制备过程中会形成制造缺陷,其中比较常见且危害较大的是孔隙缺陷和分层缺陷。缺陷会严重影响材料的使用性能和寿命。因此,研究缺陷对CFRP力学性能的影响已经迫在眉睫。目前,国内外已经广泛运用有限元法研究孔隙和分层缺陷。现阶段,对于孔隙的研究多聚焦于孔隙率,对于分层的研究多聚焦于分层面积和深度,缺乏系统的缺陷特征对力学性能影响的研究。基于有限元分析（Finite Element Analysis,FEA）,通过ABAQUS软件建立了含孔隙和分层缺陷的CFRP宏微观有限元模型。利用含孔隙缺陷的微观模型,系统地研究了孔隙率、孔隙截面形状和孔隙分布对CFRP拉伸性能的影响。利用含分层缺陷的宏观模型,系统地研究了分层面积、分层深度和分层前缘形状对CFRP压缩性能的影响。对孔隙的研究表明,孔隙缺陷对纵向拉伸性能的影响十分微小,可忽略,但对横向拉伸性能影响显著。横向拉伸性能对孔隙率最敏感,孔隙率越高,横向杨氏模量、屈服强度和抗拉强度均大幅降低。孔隙截面形状对横向拉伸性能影响较明显,孔隙截面形状的内角越小,横向杨氏模量、屈服强度和抗拉强度越低。此外,横向拉伸性能也受孔隙分布的影响,孔隙分布较分散时,获得的横向杨氏模量、屈服强度和抗拉强度越高,若孔隙分布较聚集,则相反。孔隙对杨氏模量的影响程度均低于对屈服强度和抗拉强度的影响。对分层的研究表明,在特定范围内,分层面积对CFRP的压缩性能影响显著。分层面积较小时,缺陷对CFRP的影响微乎其微,当分层面积超过100 mm2时,随着分层面积的增大,压缩杨氏模量和压缩强度逐渐降低。在特定范围内,分层深度对CFRP的压缩性能影响显著。分层深度超过模型1/4厚度时,缺陷对CFRP的压缩性能基本无影响,分层深度不足模型1/4厚度时,则分层深度越高,压缩杨氏模量、压缩强度越低。分层前缘形状对CFRP的压缩性能无明显影响,当分层前缘形状为圆形时,对复合材料的压缩性能较为友好。此外,通过将模拟结果与文中及现有文献的实验结果比对,验证了有限元模型用于预测缺陷影响复合材料的力学性的准确性和可行性。研究结论对预测含不同缺陷的CFRP的力学性能提供了一定的参考,为筛选安全性强的CFRP制件提供了理论基础。

关键词： Ti-B4C体系   自蔓延反应   显微组织   反应路径   冲击韧性  

摘要： 硼化钛和碳化钛陶瓷因具有高的硬度和耐磨性、良好的化学稳定性与导热性、相对较低的热膨胀系数等特性,被认为是极具潜力的高温结构陶瓷,在特殊电极、切削刀具、耐磨部件等领域具有广泛的应用前景。由于Ti-B4C体系在高温下能够通过原位反应生成TiB、TiB2和TiC,基于该体系制备钛基复合材料是当前的研究焦点之一,但多数研究都集中在富Ti侧,所制备的材料也多呈现金属特征。以Ti-B4C原位反应制备陶瓷基复合材料的研究尚不多见,主要障碍在于随着B4C含量的升高体系放热量增大而引起自蔓延反应,以及反应条件不同引起的TiB与TiB2竞争生成关系不明确,这给复合材料的组织和性能调控带来了很大的挑战。对此,本文提出通过调整B4C含量与尺寸以实现对原位反应放热量的控制,首先通过热力学计算设计了 Ti-B4C体系的成分和反应物尺寸,以烧结过程的位移曲线变化和显微组织为依据,验证了自蔓延绝热温度判据的可靠性,掌握了对反应程度调控的基础;其次,对比研究了 B4C含量、反应剧烈程度、反应温度与时间等反应条件对复合材料显微组织和相组成的影响,探讨了 Ti-B4C体系中TiB与TiB2生成竞争关系与反应机制;最后,在掌握反应程度调控的基础上,制备了不同反应物含量和尺寸的复合材料并对其硬度、抗压强度和冲击韧性进行了评价,阐明了反应程度和产物特征对复合材料力学性能的影响。本文得到的主要结论如下:（1）基于热力学计算建立了 Ti-B4C体系绝热温度与B4C含量和尺度的关系,并通过实验研究验证了绝热判据（Tad≥1800K）在判定Ti-B4C体系是否发生自蔓延上的适用性。当B4C尺寸为0.5μm且含量超过9.85wt.%时,体系就会发生自蔓延反应;但在Ti-B4C体系完全反应的条件下,即B4C含量为18.75wt.%时,适当增加反应物B4C的粒径,如采用粒径为0.5、5、20μm的B4C质量比为1:2:3时,体系的自蔓延反应便可被抑制。（2）在体系中有Ti过量的情况下（B4C含量<18.75wt.%）,不管自蔓延反应是否发生,复合材料均由α-Ti、TiC和TiB三相组成。在固态反应样品中TiB呈粗大的板条状或不规则的絮状,而在自蔓延反应样品中TiB呈现出聚集的晶须状或粗大的板条状,但TiC都以细小颗粒状均匀分散在样品中,同时由于过量的金属Ti使得复合材料的致密性良好。（3）在体系中无Ti过量的情况下（B4C含量=18.75wt.%）,不管自蔓延反应是否发生,复合材料均由TiB、TiC和极少量的TiB2组成。在固态反应的样品中,基体完全由TiB组成,TiC颗粒长大并彼此连接团聚在基体中,而在自蔓延反应的样品中,显微组织呈现凝固特征,TiB相变得连续致密,粗大的TiC颗粒分布在基体,少量的TiB2颗粒被包裹在基体中。固态扩散的样品出现均匀细小的烧结孔,自蔓延反应的样品除了局部区域存在毫米级的缩孔外,其他区域呈现出致密结构。（4）Ti-B4C体系中TiB和TiB2的竞争生长主要与体系中B4C的含量有关,但反应路径与体系是否发生自蔓延反应相关。在固态反应下,反应路径为B4C分解后产生的B和C原子向Ti中扩散,反应产物仅为TiB和TiC。在自蔓延反应下,高温促使体系全部融化,在低含量的体系中TiC首先析出,随后发生共晶反应生成TiB和α-Ti,最后在高温下发生合并长大;但在高B4C含量时,高温熔体中首先析出的是TiC和TiB2,随后Ti熔体包裹TiB2发生包晶反应生成TiB,当B4C过量时有残留的TiB2相存在于TiB中。（5）在确保无自蔓延反应发生的Ti-B4C体系复合材料中,相同B4C含量下,冲击韧性越大,复合材料抗压强度和硬度越低。在B4C粒径相同时,B4C含量增加,复合材料的冲击韧性降低,抗压强度和硬度增大。其中添加6wt.%的0.5μmB4C复合材料的抗压强度达到 2100MPa。

关键词： 碱激发   注浆材料   微观结构   干湿循环   冻融循环   渗透系数   土压力值   水压力值  

摘要： 为解决钢铁固废堆存量大、污染环境、利用率低等问题,以钢渣和矿渣2种工业固废为主要原材料,采用生石灰和碱溶液（Na OH和水玻璃）复合激发的方式制备低成本矿渣-钢渣注浆材料。通过单因素分析试验探究用碱量、钢渣/矿渣、生石灰掺量对注浆材料流动度、凝结时间、强度的影响,结合力学性能测试、X射线衍射分析（XRD）、傅立叶红外光谱分析（FTIR）、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）测试方法对注浆材料的强度形成机理展开分析。并对注浆材料展开抗渗性能、干湿循环、冻融腐蚀循环研究,探究注浆材料的耐久性能。采用制备的碱激发钢渣-矿渣注浆材料开展现场注浆试验,通过注浆前后岩土体的抗渗系数变化,及注浆前后压力的变化情况对注浆效果进行评价。研究结果表明: （1）浆液流动度随生石灰掺量、用碱量及钢渣/矿渣的增大不断降低;浆液的初凝和终凝时间随着生石灰掺量的增加、用碱量的增加,钢渣/矿渣的降低不断缩短;注浆材料28d抗压强度值随生石灰掺量的降低和用碱量的增加呈现递减的趋势,随钢渣/矿渣的增大呈现先增大后减小的趋势。 （2）随着龄期的增长,试样内部水化反应充分、密实性更强,降低了试样内部的孔隙率;注浆材料内部水化产物以板状晶体为主（硬石膏、方解石）,少量柱状晶体（钙矾石）,同时还有大量凝胶类物质（C-S-H/C-A-S-H）附着在其表面,水化产物填充孔隙并紧密结合在一起,提高了注浆材料的强度;12号组试件的抗渗性能及孔隙结构均优于15和27号试件。 （3）通过对材料进行微观试验和注浆材料的工作性能综合对比,碱激发钢渣-矿渣注浆材料的性能最优配比为:矿渣/钢渣为1:1.3,生石灰掺量3%,模数为1.6,碱激发剂掺量为13%,并以此配合比进行现场注浆试验。 （4）通过干湿循环试验和冻融腐蚀循环试验发现,干湿循环过程中的水分反复迁移,冻融腐蚀循环过程中的电解质渗透与冻胀力双重作用,均使其质量损失率和单轴抗压强度损失率呈现上升趋势。微观分析发现,内部出现较多的裂隙和空洞使得孔隙率增加。EDS图分析发现内部有柱状和蜂窝状凝胶类物质,生成较多的絮状产物如C-S-H、C-A-S-H、Ca CO3、钙矾石等凝胶物质。 （5）通过现场渗透试验分析,注浆后重塑岩土体的渗透系数仅为注浆前的1/33,注浆后原状岩土体的渗透系数仅为注浆前的1/20,注浆后重塑和岩土体的渗透系数大大降低。与原状岩土体相比,重塑岩土体的渗透系数下降更为明显,说明现场注浆对某铁矿边坡涌水堵水效果显著,可应用于防排水方案之中。与注浆前相比,重塑岩土体的水平土压力值、竖向土压力值和孔隙水压力值均有所增长,推测注浆作用下岩土体内部变得更加密实,使得土压力值和水压力值增大。 该论文有图57幅,表18个,参考文献103篇。

关键词： 《材料力学》课程   有限元分析   课堂教学   Ansys  

摘要： 《材料力学》是高等教育中工科学生不可或缺的一门课程，为增加学生的学习兴趣，提高学以致用的能力，解决书本中学生难以理解的枯燥理论，将有限元分析的方法与本课程结合，不仅增加了课程的教学形式，也使学生更直观地了解书本中的基本理论与抽象的概念。通过这种方式，提高了学生的学习热情，提升了创新能力，为后续所的课程打下了坚实的基础，为解决工程实际问题积累了经验。

关键词： 梯度结构金属材料   离散位错动力学   强韧化   晶界   位错机制   残余应力  

摘要： 金属材料的强度和韧性往往存在“鱼和熊掌不可兼得”的倒置关系,如何设计并制造出兼具高强度和高韧性的材料是力学和材料学领域研究的热门和前沿。基于自然界生物材料启发而诞生的梯度晶粒结构材料,可以在提高强度的同时保持可观的韧性。梯度晶粒结构如何实现“高强高韧”的综合性能,以及如何提升这种性能是亟待研究的重要问题。此外,通过表面纳米化技术产生的残余应力对梯度晶粒结构材料的力学行为也有重要影响。目前,梯度晶粒结构材料的主要研究手段包括实验观测、分子动力学模拟以及基于不同本构模型的有限元模拟。这些研究为人们理解梯度结构金属材料变形机理提供了诸多重要信息。然而,通过多尺度计算和模拟方法来分析梯度晶粒结构材料的微结构与强韧化关联还有待进一步研究。 离散位错动力学是一种介于原子尺度分子动力学和连续介质尺度有限元方法之间的数值模拟手段,它直接通过模拟位错的运动来反映材料的塑性变形过程,可以有效地反映位错、晶界等微结构的演化对材料整体力学响应的影响。通过多尺度离散位错动力学方法研究梯度晶粒结构材料不仅可以从微尺度角度进一步揭示梯度晶粒结构的强韧化机理,而且对拓展离散位错动力学方法在金属塑性领域的应用范围具有重要意义。 因此,本文基于多尺度离散位错动力学方法,针对梯度晶粒结构铝的力学行为及其位错机制开展了以下系统研究: (1)在三维多尺度离散位错动力学框架中建立了基于物理机制且适用于各种晶界类型的位错-晶界交互模型。该模型考虑位错在晶界被吸收以及晶界发射位错两种机制。为了考虑任意晶界类型中的位错-晶界交互作用,采用“粗粒化”的思想处理位错吸收和位错发射过程。为验证晶界模型的有效性,对双晶微柱及其相应的单晶微柱进行了压缩模拟,并分析了单、双晶微柱压缩响应的差异及其位错机制。晶界模型的建立为均匀和梯度晶粒结构材料的模拟研究奠定了坚实的基础。 (2)采用三维多尺度离散位错动力学方法研究了均匀晶粒结构材料的初始屈服等力学响应。基于(1)中的晶界模型构建了含多个晶粒且晶粒取向随机分布的多晶模型,研究了多晶中微结构参数对屈服应力的影响。首先分析了多晶中屈服应力与位错源长度的关系,并从定量的角度揭示了晶界对位错激活和开动的影响机制。接着,通过改变晶粒尺寸和初始位错密度研究了这两个参数对屈服应力的影响,并分析了位错开动和泰勒硬化对多晶屈服应力的贡献。最后,基于模拟结果建立了描述多晶材料屈服应力尺寸效应的理论模型。 (3)基于(1)中所建立的晶界模型,并在(2)中均匀晶粒结构多晶模型的基础上建立了晶粒尺寸沿某一方向呈梯度变化的梯度晶粒结构多晶模型,从离散位错动力学的角度分析了梯度晶粒结构材料的力学行为及其内在微观机理。除了研究梯度晶粒结构材料在单调加载下的响应外,还通过加载-卸载的方式研究了材料的包辛格效应,并基于卸载阶段位错的演化特征构建了包辛格效应理论模型,该模型可以较好地描述梯度和均匀晶粒结构材料的模拟结果。 (4)基于多尺度离散位错动力学方法研究了残余应力对梯度晶粒结构材料微结构演化的影响。基于(3)中所建立的梯度晶粒结构模型,在多尺度离散位错动力学框架引入残余应力场。系统模拟和分析了残余应力特征(包括残余应力大小和分布)对梯度结构整体力学行为(如屈服强度、硬化行为等)以及微结构演化特征(如位错结构演化、位错-晶界相互作用行为等)的影响。

关键词： SiCnw/Al基复合材料   压力浸渗   热挤压   力学性能   RVE模型  

摘要： 铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强物的特性。SiC具有强度高、硬度高、耐磨性好、热膨胀系数小、热导率大等诸多优异特性,SiC颗粒作为增强体已被广泛应用于铝基复合材料中。但SiC颗粒也有脆性大、韧性差等局限。SiC纳米线不仅保持SiC本身的各种优异性能,而且还具有远高于SiC颗粒或者SiC晶须强韧性。因此,以SiC纳米线作为增强体制备铝复合材料,期待可以获得远高于微米级增强体的增强效率,获得更优异性能的铝复合材料。 本文以SiC纳米线作为增强体、以1A99、2024、6061和7075四种不同强度等级的铝合金作为基体,采用压力浸渗法成功地制备SiCnw/Al复合材料,研究了SiC纳米线体积分数、排布方式、基体强度以及热处理状态对SiCnw/Al力学行为的影响及强化效果。在此基础上,采用有限元的方法建立了可以模拟和预测SiCnw/Al复合材料力学性能的微观尺度RVE模型。 研究表明,压力浸渗方法制备的SiCnw/Al复合材料,SiC纳米线在基体中分布均匀、界面结合良好、没有界面反应。通过在基体合金两相区的热挤压,可以消除铸态中存在少量的孔洞,致密度可提高至99.9%以上。热挤压变形后SiCnw/Al复合材料中95%以上SiC纳米线轴向[111]晶向沿着挤压方向定向排列,垂直于挤压方向的试样的P参数接近1,平行于挤压方向的P参数只有0.03左右。 SiC纳米线可显著提升复合材料的强度,但提高的幅度随SiC纳米线的加入量的增加而逐渐减小,并不呈线性的增加关系。随着SiC纳米线体积分数增加,挤压变形过程中SiC纳米线之间的相互干涉交织,导致SiC纳米线的断裂趋势增加。挤压后三种体积分数（10%、15%和20%）的SiCnw/6061Al复合材料,SiC纳米线平均长度由原始10–50μm分别降为为9.2μm,8.7μm和7.9μm。SiC纳米线增强铝基复合材料的强化因子f最高达到283%,强化效率R最高达12,优于SiC颗粒和晶须增强的铝基复合材料。 SiCnw/Al复合材料的断口扫描,宏观上都呈脆性断裂;而微观上,存在大量韧窝,也有一些解理台阶,同时具有脆性断裂和塑性断裂的双重特征。SiC纳米线在复合材料中的断裂方式有三种,直接断裂、从基体中拔出或脱粘。铸态的复合材料断口SiC纳米线以从基体中拔出和从基体上脱粘为主,经过热挤压,复合材料的断口主要是SiC纳米线的直接断裂。 本文采用线性强化本构模型,准确模拟了基体大变形过程的真实应力应变响应;基体断裂模拟采用Bao-Wierzbicki损伤准则,通过延性损伤破坏理论,考虑损伤因子衡量材料在损伤过程中的强度及刚度退化,准确模拟了基体的弹/塑性应变及断裂过程,模拟数据与真实试验情况相符。SiC纳米线采用Griffith强度准则和损伤后的刚度衰减,准确模拟了SiC纳米线断裂过程;为SiCnw/Al复合材料设计提供了理论依据。在此基础上,建立了三维SiCnw/Al复合材料的微观尺度RVE模型,研究发现Halpin-Tsai模型能够更为准确模拟SiCnw/Al复合材料弹性模量,Shin修正的剪滞模型能够更准确模拟复合材料屈服强度。 本文利用SiCnw增强铝的高强韧化特性,将SiC纳米线加入到C_f/Al复合材料层间,使碳纤维的层间形成了SiCnw/Al复合材料,有效地提高了C_f/Al复合材料层间剪切强度和C_f/Al复合材料的弯曲强度。并采用这种材料制备了某飞行器精密基座,振动冲击载荷下,精度提高了近2倍。

关键词： 铁磁形状记忆合金   复合材料   本构模型   有限元仿真  

摘要： 铁磁形状记忆合金是90年代发现的一种新型形状记忆合金,它不仅具有磁致热、磁阻等物理效应,而且兼具温控、力控、磁控等性能。目前,所研制的铁磁形状记忆合金具有脆性、不易加工等缺点,不能很好地满足工程上的需要。在此基础上,将铁磁形状记忆合金与环氧树脂进行复合,制备出一种新型的复合材料——铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料。该复合材料既能保持铁磁形状记忆合金优异的力学性能,又能有效改善铁磁形状记忆合金的不足之处,为这种新型智能材料的工程化应用提供了新思路。首先,本文制备不同体积分数的铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料试件,对其进行力学训练,力学训练后的试件应变得到了约0.4%的提升。之后,对试件进行力学性能测试,以试验数据为基础,分析了体积分数对铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料力学性能的影响。其次,基于热力学理论,推导出马氏体体积分数与应力的关系,结合Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka场平均法,将马氏体变体1(磁场择优变体)看作夹杂相、马氏体变体2(应力择优变体)看作基体相,建立铁磁形状记忆合金细观热力学本构模型。再次运用Eshelby等效夹杂原理和Mori-Tanaka场平均法,将铁磁形状记忆合金颗粒整体看作夹杂相、环氧树脂看作基体相,推导出铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料马氏体变体择优再取向的细观热力学本构模型。最后,基于ABAQUS平台对铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料进行有限元仿真分析。为了能够更加真实地反应整体复合材料的力学性能,根据铁磁形状记忆合金细观结构的特点,编写颗粒随机分布脚本,模拟铁磁形状记忆合金形状的随机性以及在基体内部空间的随机分布。将编写的随机分布脚本导入ABAQUS进行静力学仿真分析,得到的应力应变曲线与推导的本构模型结果大致相似,验证了铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料本构模型的准确性。本文不仅揭示了铁磁形状记忆合金/环氧树脂复合材料特有的力学性能,还可以为实际应用中的许多特殊要求提供理论依据。

关键词： 纳米复合水泥注浆材料   力学性能   冻融循环   损伤劣化   数值模拟  

摘要： 地下工程中因各种原因会出现裂缝病害,且一直是困扰工程科研人员的一个难题。而当前地下工程中常用的是高分子有机材料及普通水泥注浆材料,其力学性能、与混凝土的相适性差及普通水泥注浆材料颗粒大难以注入等一系列问题,不能保证裂缝修复的可靠性。如何提高地下工程裂缝注浆修复质量,保证结构的稳定性,已成为地下工程裂缝修复的重要研究方向。因此本文以超细水泥基颗粒为基体材料,以超细粉煤灰、纳米材料及纳米微膨胀剂为增强材料,提出了一种新的纳米复合水泥注浆材料(Nano Composite Cement Grouting Material,下文简称为NCG注浆材料)。本文通过文献查阅、室内实验、数值模拟方法,开展了纳米复合水泥注浆材料的力学性能与抗冻性能试验研究。本文主要研究内容与成果如下:(1)通过室内试验,分析了不同配比下NCG注浆材料物理力学性能(标准稠度用水量、凝结时间、流动性、材料强度)和微观特性(微孔隙分布、物质成分、微观形态)。通过极差分析法,响应面分析法及权重分析法并结合微观实验分析了个影响因素对NCG注浆材料的影响机理,确定了NCG注浆材料最佳配合比:即为水灰比0.5、超细粉煤灰掺量30%、纳米微膨胀剂含量3%、纳米材料掺量3%。(2)对不同冻融循环次数作用下的NCG注浆材料试件进行了力学性能测试。研究了不同冻融循环次数下NCG注浆材料试件的力学性能(弹性模量、抗压强度、抗折强度以及应力-应变等)及损伤变化规律:NCG注浆材料的应力-应变曲线随着冻融循环作用加深变得扁平,抗压强度不断下降,弹性模量显著减小;NCG注浆材料的抗折强度随着冻融循环次数的增加呈抛物线型降低且变化规律能够一定程度上反映NCG注浆材料冻融损伤累积变化规律。分析了冻融循环次数下的NCG注浆材料的微观破坏形态:随着冻融循环作用的加深,NCG注浆材料式样内部出现断裂层并伴随着结构层塌陷,材料钝化和破损。其次通过有限元软件对不同冻融次数下NCG注浆材料试件进行数值模拟,分析了材料的温度场分布云图,验证了数值模拟的可行性。(3)通过室内试验,开展了NCG注浆材料和普通水泥浆的混凝土板裂缝修复试验,完成抗弯承载力实验:两种不同加载方向的荷载-挠度曲线中,NCG注浆材料的曲线要明显高于普通水泥注浆材料,其断裂修复性能更优;同时通过数值模拟技术对冻融循环作用下混凝土板-NCG注浆材料的复合材料与混凝土板-普通水泥浆的复合材料的温度变化情况及力学性能进行对比:普通水泥浆-混凝土复合材料在温度场中的时间应力曲线变化状态不稳定且明显低于NCG-混凝土复合材料,不利于混凝土板的断裂修复。