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关键词： 磷尾矿混凝土   力学性能   磷尾矿砂取代率   纤维体积掺量  

摘要： 随着我国工业化和城镇化快速发展,对于混凝土材料的需求量也越来越多,而河砂作为混凝土中的主要成分来源也越来越短缺,采用磷尾矿部分替代河砂制备混凝土可以有效缓解天然砂紧缺的影响并提高固废的综合利用率。再加上混凝土材料本身弱点较为突出,加入纤维可以更好提升其结构可靠性。目前已有学者在此领域进行了大量研究,但对于磷尾矿混凝土的使用和各方面的研究都相对较少。为加深对磷尾矿的研究、提高固废的综合利用率并更好地改善普通混凝土材料的弱点,本文通过试验研究了PVA(Polyvinyl alcohol,聚乙烯醇)-玻璃纤维增强磷尾矿混凝土力学性能;采用XRD分析其活性材料的矿物成分,借助SEM研究其微观结构和水化产物。主要研究内容、结论如下: (1)在已有研究成果的基础上,根据试验原材料性能指标并依据相关规范设计并制作了30组PVA-玻璃纤维增强磷尾矿混凝土试块,其中有5组不加入纤维,另外25组加入纤维并保持两种纤维总体积掺量为0.2%,粉煤灰掺量为20%,磷尾矿砂取代率分别为0、30%、40%、50%、60%。对各组配合比试块均进行立方体抗压、劈裂抗拉、抗折三项力学性能指标测试。 (2)通过试验研究磷尾矿砂取代率和两种不同的纤维体积掺量对磷尾矿砂混凝土力学性能影响。通过试验数据分析发现,向混凝土中加入适当掺量的磷尾矿砂和纤维对提高三项力学性能均可发挥正向作用。随着磷尾矿砂取代率的增加,三项力学性能指标变化规律均表现为先逐渐增大后减小,大多数试件立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度分别在掺量为50%、50%、40%时达到最佳。加入适当掺量的纤维,三项力学性能指标均比未掺纤维的有所提高,且均在玻璃纤维掺量高时更佳。另外,掺入适当掺量的磷尾矿砂与纤维,试验加载过程也相对延长,且破坏形态在大多抗压、劈裂抗拉和部分抗折试验中表现为裂而不碎,表明有效提高了混凝土的延性。 (3)通过XRD技术,得出水泥、粉煤灰、磷尾矿砂等活性材料的矿物成分;对各组配合比混凝土通过SEM图像分析基体内部结构、水化产物生成情况及纤维包围情况。结果表明:不同磷尾矿砂和纤维掺量下水化产物生成情况有所不同,当磷尾矿砂取代率取50%、单掺玻璃纤维时,基体产生大量水化产物,磷尾矿砂在其中起到很好填充作用,水化产物与纤维包裹较为致密,且在表面上几乎看不到任何大小孔洞和裂缝,结构整体最为密实,其抗压强度最高,该结论与抗压性能试验数据结论一致。

关键词： 纤维地聚物混凝土   弯曲韧性   断裂韧性   早期收缩   单纯形重心法  

摘要： 普通硅酸盐水泥已经成为工程建设中不可或缺的建筑材料,但其“两磨一烧”工艺存在的耗能大和碳排放高问题一直未得到妥善解决。随着双碳战略的不断推进,建材行业亟需进行节能、降碳。地质聚合物(Geopolymer)作为一种新型低碳胶凝材料被用于制成地聚物混凝土。由于地聚物混凝土具备优异的力学性能、耐高温及耐腐蚀性,已成为替代水泥混凝土的理想材料。但由于地聚物混凝土的化学键类型与水泥混凝土晶体的不同,导致地聚物混凝土的脆性更为显著。同时地聚物混凝土更细的孔径分布导致其收缩远大于普通硅酸盐混凝土。这极大地限制了地聚物混凝土在土木工程领域的大量应用。本文结合地聚物混凝土和纤维混凝土的高韧性材料特性,制备纤维增强地聚物混凝土,围绕“纤维对地聚物混凝土力学性能增强、增韧作用”和“纤维对地聚物混凝土收缩的限制作用”这两个问题展开研究。主要研究内容如下: (1)以矿渣和粉煤灰比例掺量,碱激发剂模数、砂率、溶胶比为变量进行目标强度为50MPa地聚物混凝土配合比设计,开展不同龄期下抗压强度试验,得到同时满足强度和工作性要求的地聚物混凝土的配合比,并基于单纯形重心法设计混掺纤维的体积掺量。结果表明,碱激发剂模数是影响地聚物混凝土抗压强度的主要因素,最佳碱激发剂模数为1.4mol,溶胶比超过0.5时地聚物混凝土结晶度较低,砂率对地聚物混凝土抗压强度影响较小。 (2)结合抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度测试结果,分析不同种类纤维单掺及混掺对地聚物混凝土力学性能的影响规律。结果表明随着结构型钢纤维或聚丙烯纤维的掺入,地聚物混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均有显著提高,钢纤维对抗弯强度提升显著。不同纤维混掺时,结构型钢纤维与聚丙烯纤维的掺入对地聚物混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度的影响表现出显著的正混杂效应。钢纤维体积掺量0.4%聚丙烯纤维体积掺量0.1%,相比钢纤维体积掺量0.5%时,抗压强度提升9.7%、劈裂抗拉强度提升2.9%、抗弯强度提升13.2%。 (3)根据RILEM对纤维混凝土弯曲韧性的评价方法以及评价断裂韧性的双K断裂模型和断裂能方法,分析不同种类纤维单掺及混掺对地聚物混凝土弯曲韧性和断裂韧性的影响规律。结果表明,加入纤维可提高地聚物混凝土的弹性比例极限与峰值荷载。掺入结构型纤维的地聚物混凝土表现出良好的弯曲韧性和断裂韧性。不同纤维混掺时,结构型钢纤维与聚丙烯纤维混掺,对地聚物混凝土弯曲韧性的影响最为显著,表现出良好的正混杂效应,可以使纤维地聚物混凝土实现挠度硬化。 (4)通过早期收缩试验,分析不同种类纤维单掺及混掺对地聚物混凝土收缩性能的影响规律。结果表明,掺加纤维对地聚物混凝土的早期收缩抑制效果明显。掺入单种纤维时,钢纤维对地聚物混凝土限制收缩效果有限,聚丙烯纤维最佳体积掺量在0.25%附近。玄武岩纤维随体积掺量增加,限制收缩效果越显著,可将早期收缩控制到340με。不同纤维混掺时,玄武岩纤维与聚丙烯纤维混掺时限制收缩效果最优,最大可减少90.9%的收缩,正混杂效应显著。

关键词： 钢纤维混凝土   力学性能试验   ABAQUS   强度  

摘要： 混凝土目前是世界上应用最为广泛的建筑材料之一,随着建筑工程技术的日益革新,以及人们对建筑物、构筑物质量性和安全性要求不断提高,普通混凝土逐渐难以达到人们所期望的要求。纤维混凝土的出现,不仅继承了混凝土原有的抗压优势,而且还将其它力学性能发挥出来,如抗裂性能、抗拉性能等。但是工程上纤维类型众多,同一类型纤维体积掺量混杂、不同类型纤维体积掺量混杂等方面,对混凝土的力学性能有着比较大的影响,纤维在混凝土中所受到的机理也尚不明确,为此,本文将研究三类钢纤维以及两两混杂而成的钢纤维,选取纤维体积掺量在0%-1.0%范围内进行,通过纤维在相同体积掺量和不同体积掺量下,对混凝土力学性能的影响,通过两种力学性能试验-抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,得到其抗压强度、劈裂抗拉强度、拉压比等数值,并结合ABAQUS有限元软件辅助模拟,二者进行研究对比,主要研究内容如下: (1)混凝土当中掺入单一类型的钢纤维,通过抗压强度试验发现这三类钢纤维对混凝土的抗压强度提升效果不明显,大都呈现出一个较缓的上升趋势,当波浪型钢纤维体积掺量为1.0%时,其提升强度仅提高了3.4MPa,抗压强度提升率为10.90%。在混凝土当中掺入两种类型的钢纤维,其抗压强度相较于单掺钢纤维的混凝土其抗压强度有所提高。 (2)三类钢纤维均能提升混凝土的抗拉强度,当掺入体积掺量为1.0%的铣削型钢纤维时,混凝土的劈裂抗拉强度能提高到34.03%,在混凝土中掺入两两混杂而成的钢纤维,混杂钢纤维对混凝土的劈裂抗拉强度提升效果,是优于单掺钢纤维混凝土的,当掺入体积掺量为0.8%的铣削型钢纤维和体积掺量为1.0%的波浪型钢纤维时,其劈裂增长率能达到53.47%。 (3)通过试验测出来的抗压强度和劈裂抗拉强度,计算混凝土的拉压比,结果表明这两两混杂而成的钢纤维均能提高混凝土的劈裂抗拉强度,当铣削型和波浪型体积掺量均为1.0%时,对于混凝土的脆性改善最为明显,能达到31.52%。 (4)在试验过程中记录试块在抗压、劈裂抗拉过程中的破坏形态,同时利用ABAQUS有限元软件模拟试块在相同条件下的破坏形态,发现其与试验大致相同。结合有限元模型的应力云图、基体塑性应变云图、荷载-位移曲线等数据,得出抗压试验值和模拟抗压值最大误差大约7.3%,劈裂试验值和模拟值最大误差在8.8%,体现出有限元软件和试验对比的准确性。

关键词： 超高性能粗骨料混凝土   聚乙烯纤维   工作性能   力学性能   抗油性  

摘要： 近年来人们对领域内超高性能粗骨料混凝土(UHPC-CA)的研究成为一个热门话题,超高性能粗骨料混凝土拥有高强、高耐久、高韧性、低孔隙率等优良特性,且具有一定的工程应用前景。 课题依托于纳诺科技材料有限公司提供的基础配比,为超高性能粗骨料混凝土应用于机床行业,对超高性能粗骨料混凝土的配比进行优化。本研究在超高性能粗骨料混凝土中加入聚乙烯纤维(Polyethylene fiber,简称PE纤维)改善超高性能粗骨料混凝土的各项性能,以机制砂配制超高性能粗骨料混凝土为研究对象,研究的主要内容如下:通过堆积实验确定机制砂的最优级配;研究了不同水胶比、不同体积掺量的PE纤维对超高性能粗骨料混凝土的工作性能、力学性能的影响,初步确定了纤维的最佳掺量和最佳水胶比;并通过抗油渗试验对PE纤维加入超高性能粗骨料混凝土的抗油性进行了研究,最后通过微观试验(SEM电镜扫描测试)对纤维影响超高性能粗骨料混凝土的机理进行分析。取得如下成果: ***纤维能增加新拌浆体之间的摩阻力,随着PE纤维掺量的增加,超高性能粗骨料混凝土的流动性降低明显;在相同掺量的情况下,通过优化水胶比可以降低PE纤维对超高性能粗骨料混凝土流动性损失的影响。 2.通过超高性能粗骨料混凝土抗压试验,分析了不同水胶比、不同体积掺量PE纤维对抗压强度的影响。研究表明:随着PE纤维掺量的增加,抗压强度有一定程度的增强,但随着掺量的增加,因基体流动性下降,薄弱界面增多,粗骨料与纤维的缠绕互锁作用使得立方体抗压强度无法随掺量的提高而持续提高;在同一水胶比下,PE纤维体积掺量为0.3%时,立方体抗压强度达到最大值;在纤维掺量相同的情况下,水胶比W/b为0.21时,立方体抗压强度达到最大值。 3.通过超高性能粗骨料混凝土劈裂抗拉试验,分析了不同水胶比、不同体积掺量PE纤维对超高性能混凝土劈裂抗拉强度的影响。研究表明:聚乙烯纤维对UHPC-CA劈裂抗拉强度影响明显。整体都有增强的趋势,随着PE纤维的不断掺加,劈裂抗裂强度表现出先增大后减小的趋势。当PE纤维掺量为1.0%、水胶比0.22时,劈裂抗拉强度达到最大值,其强度为10.59MPa,较素UHPC-CA提升了136.95%,提升巨大。 4.通过超高性能粗骨料混凝土抗折试验,分析了不同水胶比、不同体积掺量PE纤维对其抗折强度的影响。研究表明:聚乙烯纤维对UHPC-CA的抗折强度影响明显。在低PE纤维体积掺量下,随着PE纤维掺量的增加而增加;当纤维掺量为1.2%、水胶比为0.21时到达峰值,峰值为18.07MPa,较素UHPC-CA抗折强度提升19.27%。 5.根据抗油试验,测定了不同水胶比、不同体积掺量PE纤维的超高性能粗骨料混凝土的抗油渗性能。研究表明:PE纤维的掺量几乎对抗油性影响较小,180天的吸油率都小于1%;抗压强度在180天时下降并不明显,甚至在低水胶比,低PE纤维体积掺量时,抗压强度优于未油浸试块的强度,抗油性能远远超过了普通混凝土。

关键词： 煤矸石混凝土   机器学习   配合比   力学性能   硫酸盐侵蚀  

摘要： 煤矸石是重要的固体废弃物之一,将其作为集料代替天然集料掺入混凝土中,能有效减少环境污染,实现固废利用。由于煤矸石混凝土理化性质及产地的不同,传统的性能预测方法难以解决各组成材料之间复杂的非线性关系,而机器学习有强大的学习和拟合能力,由此广泛应用在土木领域。 本文通过制备煤矸石混凝土,进行煤矸石混凝土力学性能试验,探究煤矸石粗细骨料取代率及水胶比对混凝土力学性能的影响,结合试验数据和文献数据,建立六种机器学习模型,对煤矸石混凝土力学性能进行智能预测。同时开展不同干湿循环龄期下,煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀试验,探究不同干湿循环龄期下,试件质量、相对动弹性模量、抗压强度耐腐蚀系数、抗折强度耐腐蚀系数的变化规律,并探讨煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀机理,建立煤矸石混凝土抗硫酸盐侵蚀强度智能预测,此外本文基于多目标粒子群优化算法,以碳排放量和经济成本为目标,以混凝土抗压强度和设计规范为约束条件,进行煤矸石混凝土配合比优化设计,主要结论如下: （1）保持水胶比与煤矸石细骨料取代率不变,随着煤矸石粗骨料取代率的增加,试件7d和28d抗压强度均呈下降规律,当煤矸石粗骨料取代率为20%时,试件7d和28d抗压强度值达到最大值;混凝土7d和28d抗折强度随着煤矸石粗骨料取代率的增加而逐渐减少,当煤矸石粗骨料取代率为0%时,试件7d和28d抗折强度达到最大值。保持水胶比及煤矸石粗骨料取代率不变,随着煤矸石细骨料取代率的增加,试件7d抗压强度逐渐减少;养护至28d时,随着煤矸石细骨料取代率的增加,试件28d抗压强度先增大后减少。当煤矸石细骨料取代率为0%时,试件7d抗压强度达到最大值;当煤矸石细骨料取代率为20%时,试件28d抗压强度达到最大值。保持煤矸石粗细骨料取代率不变,试件7d和28d抗压强度随着水胶比的增大逐渐减小,当水胶比为0.4时,混凝土7d和28d抗压强度最高,性能最佳。 （2）建立人工神经网络、决策树、支持向量机、随机森林、粒子群优化人工神经网络及粒子群优化支持向量机六种机器学习模型,进行煤矸石混凝土力学性能预测,发现随机森林模型预测煤矸石混凝土力学性能时,具有较高泛化能力和预测精度。通过特征重要性分析,发现煤矸石粗骨料取代率对混凝土力学性能影响最大。 （3）煤矸石混凝土在硫酸盐侵蚀及干湿循环共同作用下,随着干湿循环次数的增加,试件质量、相对动弹性模量、抗压强度耐腐蚀系数、抗折强度耐腐蚀系数均呈现先上升后下降的变化规律。当干湿循环30次时,试件抗压强度耐腐蚀系数和抗折强度耐腐蚀系数达到最大值;当干湿循环60次时,试件质量和相对动弹性模量达到最大值。 （4）建立人工神经网络、决策树、支持向量机、随机森林、粒子群优化人工神经网络及粒子群优化支持向量机六种机器学习模型,分别构建硫酸盐侵蚀与干湿循环耦合作用下,煤矸石混凝土抗压强度耐腐蚀系数和抗折强度耐腐蚀系数预测模型。结果表明,粒子群优化支持向量机模型对抗压强度耐腐蚀系数和抗折强度耐腐蚀系数的预测精度最高,模型稳定性最好。此外通过特征重要性分析可知,干湿循环次数对煤矸石混凝土抗硫酸盐性能的影响最大。 （5）综合经济成本最低、碳排放量最少的煤矸石混凝土配合比为:水泥180kg/m3、水196kg/m3、砂子390kg/m3、石子1176kg/m3、煤矸石粗骨料342kg/m3、煤矸石细骨料0kg/m3。

关键词： 纤维混凝土   低温冻融   微观结构   抗压性能  

摘要： 随着我国东北、西北等地区城市发展建设需求的增长，面临长期低温冻融环境因素的混凝土材料应用工程将会持续增加。为此，文章采用室内宏观试验和微观试验分析方法，开展了严寒低温条件下纤维混凝土力学性能和破坏形态分布特征研究。主要结论如下：（1）聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维混合掺加，抗冻性最强；玄武岩纤维和聚丙烯纤维混合掺加，抗冻性次之；玄武岩纤维单独掺加，抗压能力最弱。（2）纤维通过与水泥的黏结在混凝土中起到抗裂的作用，就三种纤维与浆体的机械啮合作用而言，聚丙烯纤维最优、聚乙烯纤维次之，玄武岩纤维较差。（3）纤维材料连接混凝土骨料和胶凝材料，包囊纤维，协同作用，提升力学性能，增强韧性和抗冻性。

关键词： 土力学   地基承载力   教学方法   可视化   弹塑性  

摘要： 地基承载力理论是土力学教学的重点。由于缺少实验内容支撑，学生普遍反映该理论抽象难懂。考虑到本科生不具备操作有限元软件的能力，本文提出采用常规办公软件建立可视化地基模型的方法，对地基加载过程中的塑性区产生和发展进行模拟实验，可直接观察不同承载力指标，如临塑荷载、临界荷载、最大塑性区深度的物理含义。该方法还可实现成层土的塑性区发展分析，进一步扩展教学内容，为后续课程的软弱下卧层验算打下基础。

关键词： 地聚物   碱激发   固化土   偏高岭土   铜渣  

摘要： 黏土通常具有较低的抗压强度,不能用作路基土的承载材料。传统的地基加固方法常用的固化剂包括水泥和石灰,这些材料在制造过程中不但能耗较高,还伴随着较大量的二氧化碳排放和潜在的环境污染问题。区别于传统的无机固化剂,地聚物固化土更加绿色环保。 本文以偏高岭土,铜渣为主要原料,以氢氧化钠和硅酸钠为复合碱激发剂作为碱激发剂,脱硫石膏作为辅助胶凝材料和活性激发剂,制备偏高岭土-铜渣基地聚物固化剂。采用不同灰分成分配比、碱激发剂模数,碱激发剂掺量、外加剂脱硫石膏等因素,通过无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉试验,研究地聚物材料固化土随养护龄期的强度发展规律。通过试验探究地聚物材料固化土力学性能随不同因素的变化和耐久性能,分析各因素对地聚物固化土的力学影响。并通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜分析(SEM)和红外光谱分析(FTIR)试验,研究其加固黏土的效果及微观结构特征,揭示了偏高岭土-铜渣(MK-CS)基地聚物胶凝材料在不同因素下的发展规律及微观机理。主要内容如下: (1)采用不同偏高岭土掺量,不同摩尔浓度的氢氧化钠作为碱激发剂,通过无侧限抗压强度试验,以判断偏高岭土基地聚物(MKG)固化黏土的可行性。探究偏高岭土-铜渣基地聚物中不同灰分配比、碱激发剂的模数、掺量以及养护时间对地聚物固化土抗压强度增长的效果,进而优选出了该材料配合比例。对于偏高岭土-铜渣基地聚物固化土,当碱激发剂掺量较高时,最优灰分比为偏高岭土:铜渣为3:7。碱激发剂模数在1.2至1.8区间内地聚物固化土无侧限抗压强度呈下降趋势。硅酸钠和氢氧化钠复掺作为碱激发剂时,当碱激发剂浓度掺量在4%至8%范围内时,掺量越多则效果越好。劈裂抗拉强度与抗压强度具有相同的变化趋势。 (2)通过进行水稳定性试验、干湿循环试验和冻融循环试验,研究了偏高岭土-铜渣基地聚物固化土的耐久性,并探究了不同材料固化土的力学特征、外观和质量的变化情况。水稳定性试验结果表明,MK-CS组、偏高岭土-铜渣-脱硫石膏(MK-CS-DG)组试件的水稳系数整体随着养护时间的增加呈上升趋势。地聚物固化土试件在经历干湿循环过后强度折减,各组质量有不同程度损失。冻触循环后质量有折减,MK-CS组、MK-CS-DG组水泥土强度损失率均较低。 (3)通过微观试验得知,通过扫描电镜试验观察了地聚合物固化土的微观结构,确定了地聚合物固化剂对黏土颗粒的胶结作用和对土粒孔隙的填充作用。在水化过程中形成溶解度极低的复盐,产生了钙矾石,即铜渣中氧化钙遇水后生成氢氧化钙,再与偏高岭土和脱硫石膏反应生成钙矾石。通过X射线衍射试验样品的力学性能越好,对应的石英峰值的数值越低,其中地聚物固化土的石英峰值相对较低。通过傅里叶红外变换光谱分析帮助确定土中存在的化学官能团或化合物,通过比对样品的傅里叶红外光谱与已知化合物的光谱数据库进行比对,分析得知,地聚物固化土MK-CS和MK-CS-DG有更多的硅酸盐产物。 图[43]表[13]参[90]