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关键词： 碳纤维混凝土   力学性能   纤维随机分布   数值模拟  

摘要： 随着我国基础建设的蓬勃发展,混凝土作为全球应用最广泛的建筑材料之一,扮演着重要角色。面临着对质量和性能的更高要求。为了应对这一挑战,碳纤维混凝土(Carbon Fiber Reinforced Concrete,CFRC)作为一种新型复合材料应运而生。CFRC以其高强度和高韧性等特点而备受瞩目,其独特的结构设计和卓越的力学性能使其成为一种极具前景的新型建筑材料。CFRC主要由粗骨料和胶凝材料组成,引入碳纤维后,使得碳纤维和混凝土各自的优势得以充分发挥,有效地克服了传统混凝土在抗压、抗拉和抗折等方面的劣势。通过对碳纤维参数(长度和掺量)的研究,可以更准确地了解这些参数对混凝土整体性能的影响。本文采用试验和数值模拟相结合的方法对CFRC的力学性能进行了系统研究。 (1)本文以C40混凝土作为研究对象,碳纤维选用短切碳纤维。设计制作了4种纤维掺量(0.08%、0.16%、0.24%、0.32%)和3种纤维长度(3mm、6mm、9mm),进行了不同碳纤维参数的39组(117块)CFRC力学性能试验。在试验中,碳纤维长度为9mm、掺量为0.24%的CFRC显著降低了混凝土的坍落度。与其他长度以及掺量的CFRC相比,长度为9mm、掺量为0.24%的CFRC对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度的提升效果更为显著,显示出更好的性能改善。故可以得出结论,在试验范围内碳纤维的最佳长度和最优掺量分别为9mm和0.24%。此外,与抗压强度相比,短切碳纤维掺入后其劈裂抗拉强度和抗折强度提高幅度更大,表明短切碳纤维在提高混凝土抗拉及抗折能力上表现出更明显的优势。 (2)建立了CFRC三维数值模型。在细观层次上将CFRC看作由混凝土基体、碳纤维和二者之间界面过渡区组成的三相复合材料。利用Python脚本语言以及ABAQUS为基础进行二次开发,根据蒙特卡罗法产生随机数,用于模拟碳纤维在混凝土中的随机分布。通过嵌入的方式,将纤维嵌入混凝土中,构建了CFRC三维有限元模型。 (3)在CFRC力学性能的数值模拟阶段,分别赋予混凝土基体和碳纤维相应的材料参数,以模拟不同碳纤维参数(长度、掺量)和不同混凝土强度等级下的抗压强度和抗折强度。并得到了不同长度和掺量下各模型的塑性损伤云图、应力应变曲线。通过对数值模拟结果与试验结果的对比验证,得到数值模拟结果与试验结果一致,验证了运用Python脚本语言模拟碳纤维在混凝土内部随机分布这种方法的可靠性。同时研究了不同的混凝土基体强度对碳纤维混凝土抗压性能和抗折性能的影响,模拟结果得出加入碳纤维后,混凝土的抗压强度和抗折强度通常会有所提高,尤其是对于中等强度C40的混凝土。 图[57]表[12]参[67]

关键词： 全再生混凝土   混杂纤维   力学性能   断裂性能   微观结构  

摘要： 再生混凝土的广泛应用可以有效减少对自然资源的依赖,降低砂石开采对环境造成的破坏。但由于再生骨料自身强度低且吸水率较高,导致再生混凝土性能较差。研究表明,加入纤维可以显著增强再生混凝土的力学性能,但目前对于纤维全再生混凝土(粗骨料和细骨料取代率均为100%)的力学性能研究尚不充分。因此,本文选取钢纤维和绿色植物纤维作为研究对象,探讨分析纤维对于全再生混凝土基本力学特性的影响,并借助扫描电子显微镜分析纤维全再生混凝土中砂浆浆体结构和界面过渡区的微观形貌,从微观层次上解释纤维对混凝土内部结构的改善作用。本文主要工作如下: (1)研究不同纤维掺量下全再生混凝土试件的坍落度以及力学性能。结果表明:单掺纤维或混掺纤维的全再生混凝土试件,坍落度值均随着纤维掺量的增加而降低;而纤维的掺入很好地改善了全再生混凝土试件的劈裂抗拉强度以及抗折强度,但对于抗压强度的影响取决于纤维的类型。其中,钢纤维的掺入有助于提高全再生混凝土试件的抗压强度,而剑麻纤维的掺入对全再生混凝土的抗压强度产生负面影响。 (2)分析钢-剑麻混杂纤维不同掺量组合下全再生混凝土力学性能的混杂效应。对混凝土抗压强度而言,混杂系数均小于1,表现为负混杂效应;对于劈裂抗拉强度和抗折强度而言,除几组纤维掺量过大的混凝土组别外,混杂系数均大于1,表现为正混杂效应,且当掺量为1.5%的钢纤维与掺量为0.3%的剑麻纤维混杂时,混杂效应最优。 (3)研究不同纤维掺量下全再生混凝土试件的断裂性能。结果表明:在全再生混凝土试件中,其断裂性能较差。在掺入纤维后的全再生混凝土试件中,断裂性能显著提升。具体而言,单掺钢纤维时,试件的起裂韧度与纤维掺量无关。而单掺剑麻纤维时,最佳体积掺量为0.15%,该试件的起裂韧度较全再生混凝土试件提高了55.2%。总体而言,掺入纤维可以提高失稳韧度和断裂能,但在混掺纤维的情况下效果更佳。而混杂纤维的混杂效应也验证了结果的准确性,当掺量为0.3%的剑麻纤维与掺量为1.0%的钢纤维混杂时,断裂性能最佳。此外,根据数字图像相关方法能够追踪并预测混凝土试件断裂过程中裂缝扩展的最终走向。 (4)通过扫描电子显微镜观测和分析了全再生混凝土以及纤维全再生混凝土的界面过渡区及砂浆浆体结构,从微观层面解释纤维对全再生混凝土的改善作用。

关键词： 土力学   黏土   砂土   亚塑性理论   临界状态   本构关系  

摘要： 考虑黏土和砂土力学行为的相似性，如在排水剪切过程表现出的应变软化和剪胀特性以及在不排水剪切过程中由循环荷载引起的交变移动性，结合亚塑性理论和临界状态土力学建立新的亚塑性剑桥模型。该模型首先采用线性的极限压缩曲线来计算砂土的Hvorslev等效应力，从而确定唯一的砂土渐进状态边界面；对于黏土，极限压缩曲线与等向固结压缩曲线重合。其次，根据任意加载时刻土的当前状态点与临界状态线之间的相对位置关系来定义新的密度因子，并建立其与渐进状态边界面内部土的归一化应力路径的运动规律之间的联系。该密度因子的初始值与黏土的超固结比或砂土的初始孔隙比有关，可作为状态参量来描述应力历史、相对密度、加载路径等因素对土的力学行为的影响。亚塑性剑桥模型具有简洁的理论体系，包含的材料参数与剑桥模型相似，可以通过常规的室内土工试验进行标定，参数敏感性分析结果表明，该模型能够合理地描述具有不同初始孔隙比的砂土在排水和不排水剪切过程中的力学响应，同时能够较好地描述其在循环荷载作用下的交变移动性。通过将模型计算结果与Kaolin黏土、Karlsruhe细砂和Toyoura砂的三轴压缩试验结果进行对比分析，均取得了良好的计算效果，进一步验证了该模型的有效性。

关键词： 轻质混凝土   纳米材料   力学性能   微观分析  

摘要： 轻质混凝土相较于普通混凝土具有自重轻、隔热性能好等优点,然而对于水泥的消耗量要多于普通混凝土。随着时代的不断进步,混凝土的力学性能与耐久性能已经不能满足社会发展对高性能混凝土的需求,材料复合化是提高混凝土性能的常用手段之一。例如将纳米材料混合加入到混凝土中,可以有效地提升水泥的水化反应效果,进一步优化混凝土的微观构造,从而显著增强其力学性能,这种方法被广泛应用,对于改善混凝土的性能起到了至关重要的作用。 本文对不同掺量纳米SiO2与纳米CaCO3对轻质混凝土力学性能的影响规律进行了研究,掺入方式为单掺与复掺,从宏观角度通过对养护了3d、7d和28d的立方体试块分别进行抗压与劈裂抗拉强度试验,从微观角度利用扫描电子显微镜分析轻质混凝土改性机理,探究纳米SiO2与纳米CaCO3两种纳米材料对轻质混凝土的力学性能的影响机理,得出纳米材料的最优掺量,本文研究表明: （1）单掺纳米SiO2、单掺纳米CaCO3均能够增加轻质混凝土的抗压与劈裂抗拉强度,当掺量为1%时,力学强度值最高。且在相同掺量条件下,单掺纳米SiO2的提升作用要优于单掺纳米CaCO3。 （2）当纳米SiO2和纳米CaCO3两者复掺时,纳米SiO2掺量为1.0%与纳米CaCO3掺量为0.5%的掺入方案对轻质混凝土的力学性能改善效果最显著,此时力学强度达到最大值。 （3）利用SEM与EDS手段对纳米材料改性轻质混凝土的内部结构进行了微观分析。试验发现,纳米SiO2的掺入促使了类似珊瑚状的水化产物的产生,这些产物的生成进一步增强了轻质混凝土内部的密实性,有效阻止了孔隙与裂缝的生成与扩展,从而改善了轻质混凝土的力学性能;掺入纳米CaCO3也有效填充了轻质混凝土内部结构;复掺纳米SiO2与纳米CaCO3对轻质混凝土改性作用要优于单掺纳米材料的轻质混凝土。

关键词： 淤泥   固化土路基   静力特性   土动力学参数   数值模拟  

摘要： 进入21世纪以来,我国经济迅猛发展,各地之间联系密切,道路工程建设日益兴起。然而,路基变形导致的灾害也频繁发生,造成众多交通事故安全问题,路基复杂多样,对淤泥加固处理并将其作为路基填料的方式符合当下固废再利用的理念。本文以青岛市丰和路工程建设为依托,通过室内试验及数值模拟,对现场取回的淤泥固化后并对其力学特性进行分析,获取固化剂掺量、固结围压、压实度三种变量下淤泥固化土的微观特性、静力特性、动力特性,并通过数值模拟,对淤泥固化土应用于实际工程中时的路基竖向位移及应力做出分析。本文的主要研究内容如下: （1）对现场取回淤泥的物理力学特性进行分析,并对淤泥固化土电镜扫描,观察不同固化剂掺量下淤泥固化土内部微观形貌特征,获取淤泥和固化剂内部成分。通过渗透试验,分析不同龄期下,渗透系数随固化剂掺量的变化情况,发现龄期7d时,固化剂掺量为8%淤泥固化土的渗透系数为4.12×10-7cm/s,满足工程应用条件。 （2）对不同固化剂掺量和不同压实度条件下淤泥固化土的无侧限抗压强度进行测试。发现固化剂的最优掺量为8%,并且在压实度为97%时,淤泥固化土的无侧限抗压强度值已经达到2629.30 k Pa,满足该路基工程竣工验收时无侧限抗压强度为2500 k Pa的要求。 （3）通过室内静三轴试验,分析淤泥在不同含水率、固结围压及压实度下的应力-应变曲线的变化规律,发现3种不同因素下的淤泥呈应变硬化型,而对于不同固化剂掺量、固结围压、压实度条件下的淤泥固化土呈应变软化型。通过分析得到淤泥及淤泥固化土的破坏应力经验模型,并确定淤泥固化土模型参数,将参数进行拟合得出剪切模量关于固化剂掺量、固结围压和压实度的修正系数以及3种因素共同作用下淤泥固化土残余强度的经验模型。 （4）给出室内动三轴试验下滞回数据、骨干曲线、等效粘滞阻尼等一系列数据的获取方法,选取Hardin模型作为研究依据,采用分级加载的方式探究了不同固化剂掺量、固结围压、压实度条件下淤泥固化土滞回曲线、剪切模量、阻尼比的变化情况。将固化剂掺量和固结围压同时考虑在内,分析淤泥固化土的最大动剪切模量和最终应力幅值的影响规律,得出适用于两者共同作用下修正后的Hardin模型。 （5）采用ABAQUS软件模拟8%固化剂掺量下淤泥固化土作为路基填料时的路用性能,通过在路基上部施加车辆荷载,并在不同路基不同深度处设置观测点,分析不同观测点的竖向位移和竖向应力随车辆荷载和路基深度的变化情况。进一步得出车辆荷载、路基深度与竖向位移、竖向应力之间的关系。

关键词： 轴压荷载   硫酸盐侵蚀   粉煤灰混凝土   大掺量粉煤灰   弹性模量模型   强度模型  

摘要： 在实际受硫酸盐侵蚀的混凝土结构中往往会伴随着轴压荷载的影响,在对结构进行轴压破坏的同时,又加剧对硫酸盐的侵蚀作用造成进一步的破坏。在荷载与硫酸盐侵蚀作用同时存在的情况下,对混凝土性能的描述又变得更为复杂。同时在实际受硫酸盐侵蚀环境中,溶液的环境也并不是一成不变的,同时仅通过表面观察或力学性能等研究并不能准确地描述混凝土在荷载与硫酸盐侵蚀共同作用下的性能损伤规律。 本文根据国家基金“荷载与硫酸盐侵蚀耦合作用下粉煤灰混凝土耐久性及徐变特性研究”(52168030)对粉煤灰在相同应力级别条件下,针对粉煤灰掺量、硫酸盐溶液浓度以及加载龄期三种变量情况下开展了一系列研究: 1.开展了在20%应力级别条件不变时,针对以上三个变量制作试件进行试验,测量其加载前后强度以及弹性模量变化规律,发现粉煤灰掺量对在应力腐蚀状态下混凝土的强度影响最大;50%粉煤灰掺量强度最大,75%大掺量强度最低。同时应力腐蚀作用对强度影响大于弹性模量影响, 2.对卸载后的各组试件内部的硫酸根离子含量与硫酸根离子扩散系数进行测量与计算,同时建立扩散系数D与粉煤灰掺量、硫酸盐溶液浓度以及加载龄期之间的表达式,发现除75%大粉煤灰掺量试件外其余试件内硫酸根离子扩散系数均能较为准的描述。 3.基于CPM的混凝土强度发展模型与弹性模量三重球模型,在已考虑荷载影响的情况下,并引入化学损伤因子d对模型进行修正,建立荷载与硫酸盐侵蚀共同作用下粉煤灰混凝土强度与弹性模量发展模型。结果模型计算值与试验值拟合结果良好,能较好的描述粉煤灰混凝土的强度与弹性模量发展情况。

摘要： 《岩土力学》是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。为全国中文核心期刊，《中国知网》《中文科技数据库》《万方数据》全文收录。被中国科学引文数据库（CSCD）、中国科技论文统计源期刊(CSTPCD)、中国学术期刊综合评价网数据库（CAJCED）等国内数据库，以及EI、ESCI、SCOPUS、CA、JST、DOAJ等国际重要数据库检索收录。

关键词： 冻融循环   粉砂土   玄武岩纤维   力学特性   微观结构  

摘要： 本文主要针对吉林省西北部地区粉砂土,开展了玄武岩纤维-水泥改良粉砂土的静力学、动力学性能试验和微观机理研究,主要研究内容如下. 1.选取代表性的粉砂土样,进行冻胀试验后,观察到粉砂土试件的线性变化率和体积变化率先增加后趋于稳定,且在冻融循环4-6次时形变量最大。在水泥2%的掺量下,设计不同配比的玄武岩纤维改良土样,通过击实试验得出:加入水泥和玄武岩纤维后,改良土的最佳含水率和最大干密度显著提升,且随着玄武岩纤维掺量的增加先增大后减小。 2.通过静三轴试验探究了粉砂土在不同玄武岩纤维掺量、冻融循环次数和围压条件下的静力学特性,结果表明:玄武岩纤维-水泥改良粉砂土的剪切峰值强度、粘聚力、内摩擦角、抗剪强度均随着围压的增加而增大,随着冻融循环次数的增加逐渐减小。冻融循环条件下,水泥改良粉砂土和玄武岩纤维-水泥改良粉砂土的剪切峰值和抗剪强度的损失率较小,在玄武岩纤维掺量为0.3%时静力学性能达到最佳。 3.借助季节性冻土多功能伺服动三轴仪对素土、水泥土和玄武岩纤维-水泥土的塑性变形量和动回弹模量进行了试验研究,结果表明:在同等冻融循环次数、动态循环荷载和围压条件下玄武岩纤维-水泥改良粉砂土的累积塑性变形量和动回弹模量的损失率最小,玄武岩纤维-水泥有效改善了粉砂土的抗变形能力。 4.利用微观测试技术观测了改良土的微观结构,通过Image-Pro Plus6.0提取微观结构特征相关参数,并分析了冻融前后改良土的颗粒和孔隙的平均直径、丰度、圆形度、定向性和分形维度数的变化规律。结果表明:冻融循环作用使得土体颗粒分布松散,水泥土和玄武岩纤维-水泥土的颗粒在经历冻融循环作用后定向性程度降低,孔隙的平均有效丰度和圆形度均增大,孔隙趋向于等轴状态的同时接近于圆形的程度也越来越高。

摘要： 《岩土力学》是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。为全国中文核心期刊，中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国科技论文统计源期刊，《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》全文收录，也是国际三大检索系统之一的美国《工程索引》（EI compendex）文摘收录期刊（光盘版）。