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关键词： 玻璃纤维透水混凝土   冻融循环   透水系数   力学性能   纤维掺量   纤维长度  

摘要： 由于城市的基础设施建设与环境不相适应,对地表径流产生了一定的影响,由此而造成的城市内涝问题是限制城市化发展的一个重要因素。透水混凝土作为一种透水性能良好的道路铺装材料可有效缓解城市内涝问题,但在严寒地区,透水混凝土不仅需要承受车辆荷载作用,同时还会受到低温严寒环境的侵蚀,严重影响其在严寒地区的应用,因此,亟需在透水混凝土性能提升方面开展深入研究。 本文针对传统透水混凝土在承载能力和抗冻性能方面的不足,在透水混凝土中添加玻璃纤维进行改良,并通过力学性能试验、渗透性能测试和CT扫描等方法,从宏观到微观对其力学性能、渗透性能和影响因素等方面进行了系统研究,主要研究内容包括: （1）基于无侧限抗压强度试验、渗透性能试验和扫描电子显微镜观测,探讨了透水混凝土的制备工艺,并研究了骨料颗粒级配、振捣时间、粉煤灰掺量等对透水混凝土强度、透水性能的影响。结果表明:透水混凝土强度和渗透性能随振捣时间的增加呈现负相关;在骨料颗粒级配为5-10 mm时透水混凝土兼具良好的强度和透水性能;粉煤灰的适当掺入在保证强度的同时增加了和易性,提高了浆料的结构紧实度。 （2）基于无侧限抗压强度试验、抗折强度试验和渗透性能试验,研究玻璃纤维长度和掺量对玻璃纤维透水混凝土抗压强度、抗折强度等的影响。结果表明:不同长度的玻璃纤维对透水混凝土的强度影响规律呈先升高后降低的趋势,透水性能呈降低趋势;同一纤维长度下,强度随掺量增加呈先增加后减小的趋势,而孔隙率和透水系数均随掺量增加而降低。在本试验条件下,当掺入的玻璃纤维长度为6 mm、掺量为2 kg/m3时,透水混凝土的强度最优,同时兼具良好的透水效果。 （3）通过冻融循环试验,研究了玻璃纤维透水混凝土的质量损失率、无侧限抗压强度、相对动弹性模量随冻融循环次数的变化规律。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试块的质量、无侧限抗压强度、相对动弹性模量均呈现下降趋势。同一冻融循环次数下,当掺入了适当的玻璃纤维后,透水混凝土的质量损失、强度损失和相对动弹性模量损失均有明显改善。玻璃纤维的掺入能够有效地改善透水混凝土的力学性能,增强其抵抗冻融循环侵蚀的能力。 （4）基于CT扫描技术,对透水混凝土数字样本进行了三维可视化的表征及理论分析,明确了透水混凝土内部孔隙的结构状况,并根据三维孔隙结构开展了透水混凝土孔隙率与透水性能之间相关性的研究。结果表明:试验室测得的试块整体孔隙率与CT扫描得出的整体孔隙率差距较小,由此验证了试验室实测结果的可靠性,通过三维孔隙结构的相关分析说明了透水混凝土孔隙与渗透性能之间的重要关系,揭示了透水混凝土渗透性能的基本原理,为后续的相关研究提供理论参考。

关键词： 地聚物混凝土   纤维增强   力学性能   抗硫酸盐侵蚀性能  

摘要： 随着基础设施建设规模不断提升,混凝土已成为我国消耗量最大的建筑材料,同时因生产水泥而产生的二氧化碳,占总排放量的比重逐年上升,严重影响生态环境。近几年我国提出的“30·60”战略目标,对高碳排放的水泥行业提出了新的要求。地聚物混凝土(GPC)作为一类新型建筑材料,在绿色低碳、力学性能与耐久性方面存在一定的优势,但同时也存在凝结时间短、脆性较高,实际工程应用较少等不足。基于此,本文利用矿渣、粉煤灰为胶凝材料的原料,通过碱激发的方式,加入适量外加剂及不同种类的纤维(单掺钢纤维(SF)、玄武岩纤维(BF)及其两者混掺的方式),开展了GPC与纤维增强GPC工作性能、力学性能和抗硫酸盐侵蚀等系列试验研究与分析,其主要研究内容与结论如下: 开展了GPC配合比优化试验研究。通过查阅文献与进行预试验确定基础原料配合比,并在此基础上选择硫酸锌为缓凝剂,进行凝结时间与抗压强度试验,从抗压强度与凝结时间角度综合考虑,得出GPC配合比:水胶比为0.45,高炉矿渣与粉煤灰之比为1.5,砂率为0.33,缓凝剂硫酸锌的掺量为1%。 开展了纤维增强地聚物混凝土抗压与抗拉性能试验研究。试验现象表明地聚物混凝土受压受拉破坏形态为典型的脆性破坏,而掺入钢纤维、玄武岩纤维(0.1%以上)及混掺纤维试件展现出韧性破坏。结果表明,地聚物混凝土具有早强性特征,而掺入钢纤维的试件早强性更显著;掺入钢纤维试件的拉压比随纤维掺量的提高而提高,并拟合出钢纤维掺量与拉压比值关系方程。经综合分析,建议选择钢纤维,最优掺量1.5%,力学性能最优。 针对纤维增韧作用机理进行了微观分析。通过纤维接触角测试得知,镀铜钢纤维为亲水性材料,玄武岩纤维为疏水性材料,亲水性的钢纤维在混凝土基体中分散效果更好,更能充分发挥其力学性能;通过微观SEM观测分析得知,当试件受外力破坏时,基体产生大量裂纹,而纤维由于其优秀的抗拉性能,在试件中展现出桥联作用,增强混凝土力学性能。通过微观观察拔出的两类纤维得出,钢纤维表面残留地聚物多于玄武岩纤维,展现出钢纤维与地聚物之间的粘结效应优于玄武岩纤维与地聚物之间的粘结效应。 开展了地聚物混凝土抗硫酸盐侵蚀试验研究与数值建模分析。结果表明,GPC具有良好的抗侵蚀性能,掺入钢纤维的试件抗侵蚀性优于未掺纤维试件,在浸泡侵蚀120天内,质量损失与强度折减皆具有先增长后减少的规律。基于温度场与离子场的相似性,借助ABAQUS热分析模块对硫酸根离子侵蚀混凝土过程进行建模分析,模拟结果与试验现象具有一致性,表明ABAQUS热分析模块可用于地聚物混凝土抗硫酸盐侵蚀的数值模拟试验分析。

关键词： 超高性能海水海砂混凝土   粉煤灰   高炉矿渣   偏高岭土   工作性能   力学性能   水化   耐久性  

摘要： 超高性能海水海砂混凝土（Ultra-high-performance seawater sea-sand concrete,简称UHPSSC）作为一种先进的水泥基材料,近年来受来越来越多的关注。这种材料不仅具有与普通超高性能混凝土（Ultra-high-performance concrete,简称UHPC）相似的优异的力学和耐久性能,还可以解决淡水和河砂短缺所带来的挑战。然而,由于其较低的水胶比（W/B<0.2）,生产UHPSSC需要消耗大量的水泥（900-1200kg/m3）,这可能会导致碳排放大幅增加,并对环境产生温室效应。为此,本文将采用硅灰、粉煤灰、高炉矿渣和偏高岭土多种辅助胶凝材料（Supplementary cementitious materials,简称SCMs）替代水泥生产一种可持续发展的UHPSSC。并通过流动性测试、力学性能测试、水化热测试、热重分析（Thermogravimetric analysis,TGA）、X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）、扫描电镜（Scanning electron microscope,SEM）、毛细吸水测试、冻融循环测试和自由氯离子含量测试,探究了不同矿物掺合料对UHPSSC的流动性能、力学性能、水化动力学行为、水化产物及微观结构、毛细吸水性能、抗冻性能和自由氯离子含量的影响,并得出以下重要结论: （1）与常规UHPC比较,UHPSSC的流动性降低,这主要因为海水和海砂中的氯离子加速了水泥的早期水化进程。粉煤灰和高炉矿渣由于其光滑且致密的表观结构可以提高UHPSSC的流动性,且UHPSSC的流动性随掺合料掺量的增加而增加,而偏高岭土由于其较多的孔隙和较高的比表面积降低了UHPSSC的流动性,且UHPSSC的流动性随掺合料掺量的增加而降低;三种矿物掺合料对UHPSSC流动度的改善效果为:粉煤灰>高炉矿渣>偏高岭土。 （2）海水和海砂显著提高了UHPSSC的早期（前3天）抗压强度,然而随着龄期的增加,海水和海砂的提升作用逐渐减弱。粉煤灰和高炉矿渣都降低了UHPSSC的抗压强度。不同的是,所有龄期内,UHPSSC的抗压强度随粉煤灰掺量的增加而下降;前14天,UHPSSC的抗压强度随高炉矿渣掺量的增加而下降,14天后,其抗压强度随高炉矿渣掺量的增加先上升后下降。对于偏高岭土,所有龄期内,当其掺量低于20%时,才会提高UHPSSC的抗压强度。所有龄期内,粉煤灰降低了UHPSSC的抗折强度,而当高炉矿渣掺量高于10%或偏高岭土掺量低于20%时,才会提升UHPSSC的抗折强度。 （3）相较于对照组UHPSSC,含有20%高炉矿渣或含有20%偏高岭土的UHPSSC的水化诱导时间均明显缩短,这得益于二者颗粒较高的比表面积。此外,高炉矿渣可提高UHPSSC的主放热峰强度且导致主放热峰提前,因为高炉矿渣富含的铝相、较高的比表面积以及在海水碱性环境的作用下,可加速水泥水化,进而提高了水泥水化热释放量。而粉煤灰由于阻碍了水泥表面颗粒富钙层的形成,降低了UHPSSC的主放热峰强度且导致主放热峰延迟。相较于对照组UHPSSC,掺入高炉矿渣和偏高岭土的UHPSSC发热曲线出现明显的肩峰,但是掺入粉煤灰的UHPSSC组中未出现肩峰放热现象。 （4）通过微观水化测试在各类型UHPSSC中检测到钙矾石、弗里德尔盐、钠长石、透长石、方解石、水镁石和水滑石等水化产物。海水和海砂可能阻碍了各类型UHPSSC早期（前3天）钙矾石的形成,但随着时间的推移,这种阻碍作用逐渐减弱。相较于对照组UHPSSC,3天时,含20%偏高岭土的UHPSSC拥有最致密的微观结构,28天时,含20%高炉矿渣的UHPSSC拥有最致密的微观结构。 （5）含高炉矿渣或含偏高岭土的UHPSSC累计吸水量均低于对照组UHPSSC,而含粉煤灰的UHPSSC累计吸水量则高于对照组。这主要是因为高炉矿渣和偏高岭土的反应活性高于粉煤灰,二者的火山灰反应可生成更多的水化产物,使UHPSSC基体更加致密;同时,高炉矿渣和偏高岭土的颗粒粒径比粉煤灰更小,可以更好的填充UHPSSC孔隙,提升基体密实度。养护方式对混凝土吸水量有明显影响,海水养护下试件的吸水量最高,其次为标准养护,最低为蒸汽养护。 （6）300次冻融循环结果显示,粉煤灰、高炉矿渣和偏高岭土的掺入均可提高UHPSSC的抗冻性能,但由于粉煤灰的活性较另外两种掺合料低,粉煤灰对UHPSSC抗冻性能的改善效果不如高炉矿渣和偏高岭土。另外,海水养护的试件抗冻性最差,蒸汽养护的试件抗冻性最好。90天内,偏高岭土显著降低了UHPSSC的自由氯离子浓度、其次是高炉矿渣、而粉煤灰的降低效果最差,这是由于偏高岭土含有高含量且高活性的氧化铝,可与氯离子化学结合生成弗里德尔盐,降低其浓度。

关键词： 改良黄土   纳米SiO2   水泥   玄武岩纤维   无侧限抗压强度  

摘要： 针对我国西北地区夏季充足的降雨以及冬季气温的降低使土体冻结,以及季节性冻土区域昼夜温差使得土中含水量升高,致使路基土力学性能降低等问题,以改良路基土为核心,以“最优配合比设计——改良土力学特性研究——构建评价指标”为主线,以“纳米SiO2-水泥-玄武岩纤维改良”为特色,开展黄土边坡路基土改良研究。 首先,利用在我国西北陕西某地的黄土中分别加入不同含量的SiO2、水泥以及玄武岩纤维,进行无侧限抗压试验,结合软件和响应面分析技术,目标是确定更合适的黄土力学性能最优配比方案。在此基础上,对NCB改良黄土在不同冻融循环次数、含水率及干密度条件下的样本,进行抗压试验和剪切试验,探究抗压强度、抗剪强度、峰值应变等的影响。最终,利用ABAQUS软件的有限元分析功能,对地基的稳定性进行了数值模拟与评估工作。 （1）依据中心复合设计与响应面方法论,我们精心规划了纳米SiO2、水泥及玄武岩纤维的掺入量,并开展了无侧向约束的抗压强度测试。具体设定为:纳米SiO2占水泥总量的15%,水泥占比为5%,而玄武岩纤维的比例则设定为0.4%。 （2）为了深入探究NCB改良黄土在无侧向约束下的抗压性能,我们进行了一系列强度测试,重点考察了冻融循环频次、水分含量以及干密度这三个因素对NCB改良黄土抗压强度的影响。通过对测试结果的细致分析,我们发现冻融循环次数与水分含量的增加均与NCB改良黄土的无侧向约束抗压强度呈负相关趋势;相反地,抗压强度的增加与干密度的提升展现出正相关的关联性。在特定的水分和干密度条件下,随着冻融循环次数的累积,NCB改良黄土的无侧向约束抗压强度、形变模量及脆性特征均表现出下降的趋势,而峰值应变则呈现出上升趋势。冻融循环次数和干密度一定的情况下,随着含水率的增加,NCB改良黄土的无侧限抗压强度、变形模量、脆性指数在降低,峰值应变在升高。冻融循环次数和含水率一定时,随着干密度的增加,NCB改良黄土的无侧限抗压强度、变形模量、脆性指数在升高,峰值应变逐渐降低。 （3）通过开展NCB改良黄土的直接剪切试验,深入探讨了冻融循环次数、含水率和干密度这三个因素对NCB改良黄土剪切强度的作用。根据试验结果的深入分析,我们可以得出结论:根据对试验结果的深入分析,可以得出NCB改良黄土随着冻融循环次数的不断增加,其剪切强度在含水率和干密度保持恒定的条件下呈递减趋势的结论。另外,当冻融次数与干密度不变,含水率自15%提升至23%的过程中,改良黄土的剪切强度逐渐减弱;在冻融循环次数和含水率保持一致的情况下,针对干密度有所差异的NCB改良黄土,其抗剪强度会在某一特定范围内随着干密度的提高而增强。 （4）采用ABAQUS软件对路基边坡的稳定性进行评估。结果显示,边坡的安全稳定性系数随着冻融循环次数与含水率的增加而趋于下降,然而,在一定范围内,该系数随干密度的提高而有所上升。随着NCB改良黄土路基边坡的稳定安全系数的提高,其发生失稳的风险相应减少。 本文以纳米SiO2、水泥、玄武岩纤维为改良黄土的材料,找到了协同作用下改良黄土的最优配合比,同时,探讨了这种改良方法在冻融作用、水分含量和土壤紧实度等不同因素影响下的表现。本研究对于季节性路基冻土改良的实践提供了一种可参考的理论指导意义。

关键词： 有效应力原理   自重应力   物理模型  

摘要： 对于土木工程尤其是岩土工程专业的学生而言，土力学是一门很重要的专业基础课。但这门课的一些基本概念抽象难懂，尤其是有效应力原理及其在自重应力计算中的应用。鉴于此，结合近年来的教学经验，采用简化物理模型的方式，把有效应力与弹簧变形关联起来，捕捉复杂概念的物理特征，对有效应力和自重应力计算进行由浅入深的解析。土力学抽象概念的物理简化分析可提升土力学教学质量，并为从事土力学教学的教师们提供借鉴参考。

摘要： ~~

关键词： 土力学   泡沫轻质土   除尘灰   强度   水稳定性   耐久性  

摘要： 为实现工业固废除尘灰基泡沫轻质土在交通基建中的资源化利用，提出除尘灰基泡沫轻质土的性能提升技术，研发除尘灰基泡沫轻质土新材料，评价复合改性后不同配合比下的除尘灰基泡沫轻质土力学性能、水稳定性能和耐久性能，并探究改性前后材料微观结构变化及其强度形成机制。研究结果表明：非离子型表面活性剂（AEO–9）可显著提升泡沫稳定性和除尘灰的浸润性，最优掺量分别为原状发泡液质量的20%和除尘灰质量的0.4%；复合改性后除尘灰掺量最高为50%，除尘灰基泡沫轻质土28 d强度达到2.08 MPa，吸水率和软化系数别为21.4%和0.765，干湿循环和冻融循环强度损失分别为13.8%和17.3%，满足水稳定性及耐久性指标要求；扫描电子显微镜（SEM）结果表明，复合改性后的除尘灰基泡沫轻质土微观孔隙结构显著优化，直径小于200μm的气泡比例由32.54%提高至52.2%;XRD分析结果进一步表明，在碱性环境下矿渣微粉有助于提高材料初期强度，除尘灰中的Fe2O3在活性激发后有助于材料生成稳定的水化铁铝酸三钙C3（AF）H6，进一步提高了材料强度。本文提出的除尘灰基泡沫轻质土改性方法及其新材料为工业固废的资源化利用、回填工程的降本增效提供了新途径。