教学课程资源库 更多>>

关键词： 土力学   塔木素黏土岩   高放废物地质处置   蠕变   试验   理论  

摘要： 以我国高放废物处置库预选区——塔木素黏土岩为主要研究对象，以前期国内外高放废物地质处置库黏土岩场址评价方相关工作为基础，对复杂条件下塔木素黏土岩的时效响应特征开展系统的试验与理论研究工作。蠕变试验表明：相同围压作用下，偏压与塔木素黏土岩蠕变变形呈现正相关；蠕变过程中黏土岩弹性模量呈先增大后减小的趋势；黏土岩蠕变变形是强化作用与结构劣化共同作用的结果。根据塔木素黏土岩蠕变变形特点，引入蠕变硬化变量和蠕变损伤变量，结合Perzyna过应力理论构建蠕变屈服面和蠕变势函数，建立塔木素黏土岩蠕变本构模型；基于大型软件平台ABAQUS，编写UMAT子程序，对理论模型进行数值实现及验证。本文全面系统地揭示高放废物处置环境下塔木素黏土岩蠕变变形规律及变形机制，为我国黏土岩高放废物地质处置库的安全性、可行性及适宜性评价提供重要理论依据，研究工作对我国核工业的发展和长期安全具有重要的实用价值。

关键词： 改良黄土   木质素   水泥   三轴试验   力学特性  

摘要： 随着经济的发展,我国西部地区的基础工程建设逐渐增加,作为西部地区主要土壤类型的黄土也逐渐应用于工程建设之中。但是黄土自身结构性较差,孔隙率高,不能满足工程建设的基本强度要求,因此需要添加改良材料提高黄土的强度以满足工程建设的需要。木质素纤维作为一种天然材料,因其具有储量大、成本低、对环境的污染小等优点,可作为一种高效益的黄土改良材料与传统改良材料复合使用。 本文通过对复合改良黄土开展室内静三轴和动三轴试验,分析了不同水泥、木质素掺量、围压、含水率以及养护龄期下改良黄土的力学特性,研究了不同静力学指标和动力学指标随试验条件变化的变化趋势,得出的主要结论如下: (1)水泥改良黄土的峰值强度和残余强度与水泥掺量均呈正相关,木质素改良黄土的峰值强度和残余强度在木质素掺量达到最优掺量之前与其呈正相关,在木质素掺量达到最优掺量后,强度随掺量的增加开始下降,最优掺量的取值范围为3%-5%.水泥对改良黄土强度的影响大于木质素对改良黄土强度的影响。 (2)木质素和水泥综合使用对改良黄土抗剪强度的提升幅度明显大于单一材料对改良黄土抗剪强度的提升幅度。复合改良黄土的粘聚力和内摩擦角均与水泥掺量呈正相关,在木质素掺量达到3%或5%时,相同水泥掺量下的粘聚力和内摩擦角更大。 (3)含水率的变化会影响材料掺量对试样强度的作用,但最佳含水率的波动范围不大,在素土的最佳含水率即含水率为18.5%附近随改良材料的掺量有一定的波动。当木质素掺量较高时,改良黄土试样需要更多的养护时间。 (4)在动应变小于0.5%时,动弹性模量随动应变的增加迅速下降,在动应变大于0.5%时,动弹性模量趋于稳定。随围压的增加,动弹性模量曲线的拐点有右移的趋势。 (5)当循环荷载刚开始施加时,阻尼比与动应变的关系呈正相关,且增加幅度较大,随动应变逐渐增加,阻尼比的增加幅度逐渐下降,最后趋于稳定。 (6)以动弹性模量和阻尼比为强度指标,木质素的最佳掺量范围均为3%-5%之间,且随水泥掺量的增加,木质素的最优掺量有增大的趋势。

关键词： 橡胶颗粒   聚丙烯纤维   力学性能   冻融循环   微观结构  

摘要： 有“黑色污染”之称的废旧轮胎对环境存在较大污染,针对废旧轮胎的回收再利用,现将废旧轮胎橡胶颗粒掺入普通混凝土(Ordinary concrete,简称OC)中,制成橡胶混凝土(Rubberized concrete,简称RC),不仅能改善混凝土性能,还可以节能环保,符合国家绿色可持续发展的大政方针。 聚丙烯纤维是一种成本较低且易获得的材料,具有良好的抗拉强度和韧性,将其加入混凝土中,可以较好提高混凝土的力学性能。通过将不同橡胶粒径(7目、14目、28目)和不同聚丙烯纤维掺量(0、0.5%、1%、1.5%)混合加入普通混凝土中,获得聚丙烯纤维橡胶混凝土(Polypropylene fiber rubber concrete,简称PFRC)。为探究PFRC的力学性能,对其开展静、动态力学试验,对比分析得到性能最优的PFRC,并将其与OC进行不同冻融循环周期(25次、50次、75次、100次)下的处理,利用力学试验和电镜扫描技术,通过宏观与微观相结合的方式,对其抗冻性能进行探究。论文主要研究内容如下: (1)在聚丙烯纤维和橡胶颗粒的协同作用下,显著提高了混凝土的韧性,且PFRC各项力学性能均优于OC和RC。其中当纤维掺量为1%,橡胶粒径为7目时力学性能表现最佳,静态抗压、劈裂抗拉和动态冲击压缩强度分别为55.7MPa、3.89MPa和72.2MPa,与OC相比,增幅分别为10.7%、27.5%和28.0%。 (2)OC和PFRC在冻融循环后,动、静态力学性能均出现下降,并且随着冻融循环周期的增加,下降趋势不断增加,但PFRC各项力学性能下降幅度均低于OC,表明聚丙烯纤维和橡胶可以抑制冻融对各项力学性能的不利影响。当冻融循环100次后,OC静态抗压、劈裂抗拉和动态冲击压缩强度分别下降了34.6%、46.9%和40.3%,而PFRC三种强度分别下降了27.7%、37.0%和32.7%。 (3)使用电镜扫描冻融循环后混凝土的微观形态,可以发现PFRC中聚丙烯纤维能够在混凝土内部起到桥联作用,抑制了冻融时微裂缝的产生与发展,且橡胶颗粒和聚丙烯纤维会给混凝土内部带入更多气孔,提高混凝土的抗冻性能。 图 33 表 15 参 81

关键词： 花岗岩残积土   DEM   风化花岗岩   塑性能   风化化学指标  

摘要： 花岗岩类岩石是大陆上分布最为广泛的岩石之一,在我国东南地区有大量的分布与出露。由于东南地区的强烈的化学与物理风化作用,形成了广而深厚的花岗岩风化壳。花岗岩残积土是风化壳顶部岩石经过风化作用后原岩结构基本消失而残留堆积在原位的土层,其具有孔隙比大、遇水软化崩解等特点,随着我国东南地区的经济高速发展和城市化进程的加快和深入,大量的基础设施、居民和商业设施建设在表层残积土上,由此引发了大量的滑坡、崩塌等地质灾害和边坡失稳、桩基失效等一系列工程问题。但是在针对花岗岩残积土接近40年的研究中,在厘清花岗岩残积土宏微观力学行为、探明其独特物理与化学结构对宏观力学行为的作用机理、解释风化花岗岩和残积土之间的演化规律等关键问题上仍未清晰,尚未建立合理的花岗岩残积土本构模型。因此,从宏微观结合的角度研究花岗岩残积土的力学特性,寻找花岗岩残积土的演化规律是保证东南地区人民生命财产安全和当地经济发展的重要研究课题,对于预防地质灾害和重大岩土工程事故具有重要的理论和现实意义。 本文以国家自然科学基金重点项目“东南地区花岗岩残积土宏细观力学特性与边坡渐进破坏规律”为依托,以福建省武宁县十方村一处滑坡的残积土和福建省晋江市池店镇新店村的花岗岩作为代表性土样和岩样。通过室内物理性质试验、化学分析试验、常规三轴试验、岩石单轴压缩试验、离散元模拟等多种研究技术手段,从物理性质、化学成分、宏观力学行为、能量转换、微观组构等多个角度研究花岗岩残积土的力学特性,并主要开展以下研究工作: （1）通过室内试验,确定代表性土样的基本物理与化学性质,并通过对主要矿物成分和元素在总质量的占比,比较了花岗岩残积土和风化花岗岩之间在矿物成分和主量元素上的差异,验证了国际主流化学风化指标的可靠性。 （2）以排水条件与剪切速率作为变量,对花岗岩残积土进行常规三轴试验,获得了花岗岩残积土在不同条件下的有效应力路径、孔隙水压力和偏应力曲线,系统的比较与阐述了其在不同条件下所展现出来截然不同的力学行为以及特性,体现了花岗岩残积土作为特殊土其孔隙比大、渗透系数低等特点。 （3）借助修正后的邓益兵模型,分析残积土三轴试验中塑性能、摩擦耗散能和Helmholtz自由能三者之间的转换、累积和消散的过程,从能量的角度解释了残积土的宏观力学行为,为从后续从微观和颗粒接触分析其宏观行为提供了依据。 （4）为了溯源残积土的风化规律,对代表性岩样进行单轴压缩试验,分析轴向应力应变曲线,以寻找在不同风化程度下花岗岩力学行为的变化规律。 （5）采用宏微观相结合的思路,利用离散元方法对花岗岩单轴压缩进行模拟,从微观和组构的角度研究不同风化程度下花岗岩的宏观力学行为。采用不同的接触模型,将组构张量的第二偏应力不变量2作为指标来描述颗粒的各向异性,为研究新的岩石本构模型提供了新思路、新方法。

关键词： 生物质灰   粘土   力学性质   无侧限抗压强度   抗冻性   冻胀  

摘要： 为研究生物质灰对土体的力学及抗冻性能的影响,本文采用控制变量的试验方法选取不同生物质灰含量的土样进行对比实验。首先,为研究生物质灰对土样的物理力学性能的影响,分别配置生物质含量分别为0.5%、1%、2%、3%、5%的土样进行液塑限测定和无侧限抗压试验,结果表明:土样的液塑限与生物质灰含量呈现一定的线性关系;当生物质灰的质量添加量在5%时,土样的塑限增加约44%;当生物质灰的质量添加量在3%时,液限增加近10%。而土样的无侧限抗压强度随生物质灰含量的增加呈先增大后减小的趋势;当试样的生物质灰含量为2%时,试样的抗压强度为14.17KPa,相较于素土强度提高了15.67%。 随后,为生物质灰对土样抗冻性能的影响,本文选取生物质灰含量分别为0.5%、1%、2%、3%的土样进行冻胀试验,并针对试验所需设计相应的边界条件,得出结果表明:土样的冻胀量和冻胀速率都随着生物质灰含量的增加而减少;其中当生物质灰添加量为3%时,土样的冻胀量减少约70.14%。 综上所述,本文发现生物质灰对土样的物理力学特性方面的影响中,液限和无侧限抗压强度相对较小,塑限较大;而在土体抗冻性能方面,生物质灰改良土的表现较为优秀,有作为新型抗冻材料应用至实际工程的前景。

关键词： 低气压   配合比参数   力学性能   配合比优化  

摘要： 为服务国家重大战略,统筹水电开发和生态保护,我国水利工程建设重心已经逐步转向高原地区。然而复杂的气候环境对混凝土性能产生了较大影响,导致平原上的混凝土配合比在高原地区失效,达不到设计的强度。为实现平原地区水工混凝土配合比在高原地区的适用性,提出高原地区混凝土配合比优化方法。 本文分别在101kPa、80 kPa和50 kPa的环境下,对不同配合比下水工混凝土新拌含气量与硬化气孔结构进行试验研究,揭示低气压环境下的含气量发展规律。同时对养护28d的水工混凝土进行力学性能试验,结合NMR、TGA等测试手段,阐明环境气压对混凝土力学性能的影响机制,分析不同配合比参数对混凝土力学性能影响的主次顺序,建立混凝土性能与配合比参数、环境气压之间的预测模型,最后结合工程经验及规范,确定不同环境气压下的配合比可行域空间,采用NSGA-Ⅱ算法对配合比进行优化。主要的研究成果如下: (1)低气压环境下三皂萜苷引气剂的起泡能力和稳泡能力降低。水胶比和引气剂掺量是影响新拌水工混凝土含气量的主要因素,且随着环境气压的降低,引气剂掺量对新拌含气量的影响减小。从环境气压的影响来看,不同配合比下新拌水工混凝土含气量随着环境气压的降低而降低,且硬化后混凝土含气量减小,平均气孔孔径和平均气泡间距系数增大,气孔结构劣化。 (2)随着环境气压的降低,水工混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度、动弹性模量都有不同程度的降低,其中低气压对水工混凝土抗压强度影响最大,对动弹性模量的影响最小。水工混凝土抗压破坏时更容易破碎,逐渐由拉伸破坏转变为剪切破坏。劈裂抗拉破坏逐渐由中心开裂破坏模式转变为局部、多条裂缝破坏模式。而剪切破坏模式更加复杂,主裂缝逐渐从混凝土内部较大的初始缺陷位置开裂,并逐渐沿着界面过渡区和薄弱区域扩展,形成多条剪切裂缝。 (3)不同环境气压下各因素对水工混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度的影响顺序为:水胶比>引气剂掺量>粉煤灰掺量。随着环境气压的降低,引气剂掺量和水胶比对水工混凝土抗压强度的影响程度增加。配合比参数对动弹性模量的影响次序为:引气剂掺量>水胶比>粉煤灰掺量。随着环境气压的降低,水胶比对动弹性模量的影响逐渐大于引气剂的影响。 (4)随着环境气压的降低,混凝土整体质量损失率减小,水化产物中的化学结合水减少,水化程度逐渐降低。从水化产物来看,低气压环境中碳酸钙含量较少,氢氧化钙含量较多。各配合比参数对水化程度的影响次序为:水胶比>粉煤灰掺量>引气剂掺量。从混凝土的孔隙结构来看,随着环境气压的降低,混凝土整体孔隙率增大,且各因素对孔隙率的影响程度增大。101kPa下配合比参数对孔隙率的影响次序为:引气剂掺量>水胶比>粉煤灰掺量,随着环境气压的降低,水胶比对孔隙率的影响程度逐渐大于引气剂掺量。 (5)在各配合比参数对目标函数的影响中,水胶比对各目标函数的敏感系数最大,其中,对抗压强度最敏感,粉煤灰掺量对抗压强度、经济成本的敏感度较低;而引气剂掺量对经济成本与碳排放量影响最小。同时根据约束条件求得的配合比可行域空间以及基于NSGA-Ⅱ算法和线性加权和法求解的最优配合比,随环境气压的降低,引气剂掺量增加,水胶比和粉煤灰掺量减小,符合前文研究规律,且低气压环境下最优配合比的碳排放量相差较大。

关键词： 地聚物混凝土   铜尾矿砂   纤维增强机理   力学性能   微观分析  

摘要： 建筑规模随着我国城市化进程的加速发展而持续扩大,人们对硅酸盐水泥（OPC）的需求与日俱增,但另一方面OPC的缺点也逐渐暴露出来。目前,OPC的制作过程耗能大、污染大等缺点依旧是一个难题。因此一种新型绿色环保的地聚物混凝土（GPC）逐渐问世,GPC凭借着自身强度高、原材料广而廉价等优点,得到诸多学者的青睐与研究。考虑到河砂日益枯竭,尾矿与日俱增,为了协调两者的矛盾,以及改善GPC的脆性,本文通过碱激发剂来制备粉煤灰与矿渣基地聚物混凝土,在地聚物混凝土最优配合比的基础上研究铜尾矿砂替代河砂后对混凝土力学的性能影响,同时在混凝土基体中加入不同体积掺量的聚乙烯醇（PVA）纤维,来改善地聚物混凝土的韧性和脆性,对PVA纤维增强铜尾矿砂地聚物混凝土进行基本力学性能试验研究,并通过SEM扫描电子显微镜和XRD衍射从微观层面研究地聚物混凝土界面结构的微观形貌特征及物相分析,解释PVA纤维体积掺量与铜尾矿砂替代率对GPC的力学性能的影响。 论文主要的研究内容及结论如下: （1）地聚物混凝土最优配合比试验设计。通过制备不同灰渣比（即粉煤灰/矿渣）、不同砂率、不同碱激发剂模数的GPC,采用L9（3）3正交试验法研究其宏观力学性能。研究表明,地聚物混凝土最优配合比为:碱激发剂模数为1.4,砂率为0.3、粉煤灰与矿渣的比例为4:6时,GPC试样的力学性能最佳。 （2）铜尾矿砂地聚物混凝土的制备与基本力学性能。通过铜尾矿砂替代不同比例（分别为0、25%、50%、75%）的河砂来制备地聚物混凝土,研究铜尾矿砂对GPC的强度性能的影响。研究表明,在最优配合比的条件下,铜尾矿砂替代河砂的替代率为25%时,GPC试样的力学性能较优。并建立了铜尾矿砂GPC抗压强度与劈裂抗拉强度的关系式。 （3）PVA纤维增强铜尾矿砂地聚物混凝土的制备与基本力学性能。通过制备掺量分别为0、0.6%、1.2%的长度为12mm的PVA纤维铜尾矿砂GPC,研究PVA纤维掺量对铜尾矿砂GPC宏观力学性能的影响。研究表明,铜尾矿砂替代率为25%时,PVA纤维掺量为0.6%时,GPC试样表现出的力学性能较优。这是因为适量的PVA纤维随拌合料的搅拌能在基体中均匀分布,增加混凝土的整体性,从而提高混凝土的宏观力学性能。 （4）微观机理。采用SEM和XRD微观分析手段不同铜尾矿砂替代率和不同PVA纤维掺量对地聚物混凝土界面结构的微观形貌特征分析和物相分析。研究表明,较低替代率的铜尾矿砂在地聚物混凝土中能够充分填充原始空隙,使地聚物混凝土的空间结构更加密实,从而GPC的力学性能得到提高。PVA纤维通过“桥接”作用,被地聚化合物紧紧裹附,发挥了阻碍初始裂纹的发展与延伸,从而提高了GPC试样的力学性能。

关键词： 高速公路工程   高性能混凝土   力学性能   耐久性   试验检测  

摘要： 为进一步探究高速公路工程高性能混凝土的优化设计，文章以某地高速公路工程对高性能混凝土的实际需求为案例展开研究，在结合实际情况选取原材料的基础上，首先通过调整原材料配比，以提升力学性能和耐久性为目标对混凝土的配合比进行优化设计，最终确定每1 m3混凝土的配合比如下：水150 kg、水泥230 kg、粉煤灰160 kg、砂796 kg、石1 099 kg、减水剂3.5 kg/m，然后对该配合比制备的混凝土进行力学性能及耐久性实验。结果显示，基于上述配合比制备的混凝土在力学性能和耐久性方面均具有一定优势，具有一定的实用价值。

关键词： 碳纳米纤维混凝土   聚乙烯醇纤维混凝土   力学性能   抗盐冻性能   冻融损伤机理及损伤模型  

摘要： 在全球推动能源节约与减少碳排放的背景下,本研究致力于借助工业废弃物的资源化利用,提升混凝土在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的力学与耐久性能,以推进我国“双碳”战略目标实施。研究采用超细粉煤灰(UFA)替代部分水泥,并引入碳纳米纤维(CNFs)及聚乙烯醇纤维(PVA纤维)制备纤维增强低碳混凝土,进而通过基本力学性能试验及盐冻融循环试验对其性能进行评估。结合微观结构分析技术探讨纤维改性机理。建立冻融损伤模型以评价和预测盐冻融循环条件下CNFs/PVA纤维混凝土的损伤演化情况。研究内容及成果概述如下: (1)为探寻UFA对水泥基复合材料强度改善的最优取代率,以不同比例(0、15%、25%、35%)的UFA取代水泥制作砂浆试件,进行工作性能及基本力学性能试验,探究UFA取代率对砂浆试件强度变化的影响规律。 (2)在以UFA最优取代率替代水泥的基础上分别掺入CNFs(质量掺量为0、0.1wt%、0.2wt%、0.3wt%)及PVA纤维(体积掺量为0、0.1%、0.2%)制备纤维混凝土,进行物理力学性能试验及盐冻融循环试验,探究CNFs、PVA纤维掺量及纤维混掺对UFA混凝土力学性能及抗盐冻性能影响规律。研究表明,CNFs和PVA纤维均能显著改善混凝土力学性能及抗盐冻性能。当CNFs掺量为0.2wt%时对混凝土力学性能的改善效果最佳,掺量为0.3wt%时对混凝土抗盐冻性能提升幅度最大。PVA纤维对混凝土力学性能及抗盐冻性能增强的最优掺量均为0.1%。当同时掺入0.2wt%的CNFs和0.1%的PVA纤维时,混凝土力学性能及抗盐冻性能达到最优。 (3)运用扫描电镜、物相分析及孔结构分析试验等技术方法分析冻融循环前后混凝土的微观结构及腐蚀产物等,揭示纤维改性混凝土机理。试验结果表明,CNFs主要于微观层面发挥效用,抑制纳米级裂纹的出现与发展、密实填充内部结构从而改善混凝土孔结构;PVA纤维主要作用于宏观层面,通过桥接裂缝、抵抗冻胀约束力等减少混凝土试验过程中的能量损耗。当二者混合掺入时可以协同工作,显著改善混凝土性能。 (4)基于威布尔分布建立冻融损伤模型,用于评价及预测盐冻融循环作用下CNFs/PVA纤维混凝土的损伤演化情况,为CNFs/PVA纤维混凝土在富盐寒冷地区实际工程应用提供理论依据。