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关键词： 土力学   饱和冻土   波动理论   平面SH波   动力刚度矩阵  

摘要： 近年来，冻结多孔介质在地球物理勘探领域引起广泛关注，以往冻土介质中波的传播特性研究多集中在1种或2种介质分界面处，为更直观地反映SH波在冻土层中的传播规律，基于冻结饱和多孔介质的波动理论，建立平面SH波入射下基岩上覆饱和冻土层的自由场地模型。结合Helmholtz矢量分解定理，通过建立动力刚度矩阵，获得饱和冻土中SH波传播速度的解析表达式。分析入射角度、入射频率、胶结参数、孔隙率、温度以及接触参数对SH波传播速度的影响规律。研究结果表明：SH波的传播速度随胶结参数和接触参数的增大而显著增大；整体上随孔隙率和温度的增大逐渐增大；SH波的入射角度对其传播速度影响显著，随入射角度的增大，传播速度呈非线性变化；不同入射角度随各参数变化下均有对应的速度峰值频率，动力响应变化加剧多集中在高频段。

关键词： 珊瑚混凝土   椰棕丝纤维   纤维增韧   力学试验   分离式霍普金森压杆  

摘要： 岛礁远离大陆,缺少制备普通混凝土的原材料,但珊瑚资源丰富,以珊瑚作为混凝土的主要原材料进行岛礁工程建设具有重要意义。与普通混凝土相比,珊瑚混凝土一般强度低、脆性大,制约了其在岛礁工程建设中的应用。本文通过珊瑚骨料置换和外加椰棕丝纤维的方法制备了C30强度等级的珊瑚混凝土试件,对制备出的不同粗、细骨料置换率以及不同椰棕丝纤维体积掺量的珊瑚混凝土进行了静、动态力学试验研究。本文的主要研究工作包括: (1)利用珊瑚骨料分别置换普通混凝土中的粗、细骨料,考虑了5种置换率,分别为20%、40%、60%、80%和100%。同时在置换率为100%的基础上,制备了椰棕丝纤维体积掺量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%的纤维增韧珊瑚混凝土,对其进行立方体抗压试验和劈裂抗拉试验。研究表明,试件的立方体抗压强度和劈裂抗拉强度都随着骨料置换率的增加而减小,随着椰棕丝纤维掺量的增加,立方体抗压强度和劈裂抗拉强度先增大后减小,最佳体积掺量为约为1.0%。 (2)对不同粗、细骨料置换率、不同椰棕丝纤维体积掺量的珊瑚混凝土进行了单轴抗压试验,观察发现其最终破坏形态与普通混凝土相似,皆呈现斜剪破坏模式;根据观察得到的应力-应变曲线,发现珊瑚骨料的置换会降低普通混凝土的弹性模量;椰棕丝纤维的掺入,对弹性模量的影响较小,但曲线下降段明显变缓,说明椰棕丝纤维起到了增韧的效果;最后,基于试验得到的应力-应变曲线,建立了峰值应力与珊瑚粗、细骨料置换率、椰棕丝纤维掺量、立方体抗压强度之间的定量关系,并结合已有文献,拟合得到了不同粗、细骨料置换率以及不同椰棕丝纤维掺量珊瑚混凝土应力-应变本构模型。 (3)在静力分析的基础上,借助SHPB装置进行了珊瑚混凝土动态力学试验,研究表明在相同应变率下,随着骨料置换率的增加,试件破坏更剧烈;随着椰棕丝纤维的掺入,试件表现出更高的抗冲击性能;进一步,建立了珊瑚混凝土的动态抗压强度与骨料置换率、椰棕丝纤维掺量之间的关系式;同时,通过对比国内外学者对混凝土冲击压缩动态增强因子的相关研究,发现珊瑚混凝土的动态抗压强度具有明显的应变率效应,当应变率大于临界应变率时,动态增强因子增长迅速;最后,建立了针对不同椰棕丝纤维掺量珊瑚混凝土动态增强因子双参数计算公式。

关键词： 固化土   无侧限抗压强度   碱激发   微观结构   动力特性  

摘要： 我国是钢铁生产大国,钢铁生产量每年约占全球总产量的一半以上,生产过程中会产生大量钢渣。钢渣的主要成分包括Ca O、Si O2、Al2O3、Fe O等,与普通硅酸盐水泥的成分相似,因此钢渣有潜在的胶凝活性,目前已经用于建筑材料、道路材料中。同时钢渣常被加入水泥或是混凝土中,作为复合胶凝体系的拌合物或是粗骨料。但是钢渣相较于水泥活性低,水化速度慢,早期抗压强度增长不明显,因此在使用前需要对钢渣活性进行激发。 传统碱激发钢渣的方式采用强碱破坏钢渣中的化学键,使其更容易发生水化反应,但随着养护龄期增加,未反应完的氢氧根会破坏钢渣黏性土中的胶凝结构,使整体强度下降。同时对于钢渣粉单独胶凝性能的研究还不充分,尤其是在于黏性土中的使用,因此本文对废钢渣的理化性质和水化机理进行研究,通过采用多种碱组成复合碱激发剂激发钢渣的方式,将激发后的钢渣用于黏性土固化中,实现加快钢渣前期水化速度的同时,减少反应后期钢渣固化土强度的损失。研究中将碱激发钢渣固化土的动、静力学性能和不同掺入比的水泥固化土性能进行对比,对碱激发钢渣用于黏性土固化的性能进行分析研究。 研究通过设置正交试验,将不同配合比的复合碱加入钢渣黏性土混合料中,养护规定龄期后,进行无侧限抗压试验（UCS）,共振柱试验（RCT）,扫描电镜试验（SEM）和X射线衍射试验（XRD）,对碱激发钢渣固化土的动、静力学性能进行研究,并从微观结构上对强度变化的机理进行解释。试验结果表明,复合碱激发钢渣的水化速度加快,用于黏性土固化中可以使混合土样的动、静力学性能得到提升。复合碱激发钢渣固化土和单一碱激发钢渣固化土性能相比,无侧限抗压强度在早期增长更快,在后期的强度损失更小,且复合碱激发钢渣固化土的动剪切模量G有所提高,阻尼比D变化不大。微观研究表明,钢渣在水化过程中生成C-S-H,钙矾石等水化产物,使混合土样结构整体性增强。此外,通过对比不同掺量水泥在黏性土固化中的性能发现,碱激发钢渣固化土的动、静力学性能与10%水泥固化土相似,说明处理后的钢渣可以替代10%普通硅酸盐水泥用于黏性土地基处理中。

关键词： 橡胶混凝土   PVA纤维   化学改性剂   应力-应变曲线   分子动力学模拟  

摘要： 橡胶混凝土因其出色的延展性、抗冻性、抗冲击性、隔音和隔热等优点,成为了推动了我国绿色环保材料的发展政策的重要力量。然而,随着科研工作的进一步深入,发现橡胶与水泥基材料之间的相容性较差。当受到外力时,两者之间的界面过渡区会发生滑坡和缝隙扩展等现象,这些问题在很大程度上制约了橡胶混凝土在实际应用中的广泛推广。 本文依托于郑州协同创新项目(No.21ZZXTCX09)和河南省属高校科研基金项目(No.2020ZKCJ21)。在本文中,采用KH570(Silane Coupling Agent,简称SCA)和EVA作为改性剂,对PVA纤维橡胶混凝土进行改性处理,进而制备出相应的混凝土试块。为了更加全面地探究改性剂对PVA纤维橡胶混凝土的改性效果,结合宏观力学试验、微观试验和纳米尺度模拟计算,多尺度分析了改性剂对水泥基界面的改性机理和粘结性能,深入探究了改性剂与PVA纤维对橡胶混凝土的增强作用机理。这一综合性的研究方法有助于从分子层面揭示改性剂对PVA纤维橡胶混凝土的改性机理,为进一步优化其性能提供了理论支持。主要研究内容及结论如下: (1)通过正交试验,深入分析了PVA纤维橡胶混凝土的力学性能。试验结果显示,橡胶颗粒在影响PVA纤维橡胶混凝土各项性能因素中占主导地位。当橡胶和PVA纤维复掺时,混凝土的力学性呈现下降的趋势。采用改性剂改性后,混凝土的性能有一定程度的提升。通过1.5%含量的SCA改性处理后,橡胶掺量15%和PVA纤维掺量1.5%时,混凝土的性能达到最佳。 (2)根据轴心受压试验计算出的应力-应变曲线特征,引入橡胶、PVA纤维和改性剂的特征参数,对原有的混凝土单轴受压本构模型进行修正,提出了经过SCA或EVA改性后的PVA纤维橡胶混凝土的单轴受压本构模型。 (3)通过微观试验(扫描电镜、X射线和红外光谱)分析,可知在加入SCA和EVA后,橡胶、PVA纤维与水泥基之间的界面过渡区得到了显著的增强。同时,SCA和EVA的引入会延缓水泥的水化过程,降低水化产物的生成。 (4)通过分子动力学模拟的深入探究,可知SCA和EVA与C-S-H之间能够形成化学键连接,显著增加了橡胶与水泥基之间的相容性,进而改变了橡胶的疏水性特征。改性后的C-S-H基体与橡胶之间的界面结合能主要由范德华相互作用能提供,同时静电作用力也得到了相应的增强。此外,PVA与C-S-H基体之间的羟基存在一定的相互作用,导致PVA纤维松散的吸附在C-S-H基体表面。

关键词： 循环荷载   刺槐豆胶   红黏土   累积变形   微观结构  

摘要： 红黏土作为一种特殊土,在江西境内分布广泛。同时,红黏土具有较差的工程特性,如红黏土的含水率较高、压缩性较低、水稳定性较差,常常被认为是“问题土”,不能直接将其作为路基填料进行路基填筑,否则会出现一系列路基及路面病害,影响当地经济快速发展。因此,需要对红黏土进行改良,使其满足相关设计规范的要求。目前,最常用的红黏土改良技术是传统水泥改良。值得注意的是,传统水泥改良法存在CO2排放高、能源消耗大、环境污染严重等问题。因此,探索绿色、低碳、高效的环境友好型固化剂成为亟待解决的关键科学问题。鉴于此,本文选择生物聚合物（刺槐豆胶）对红黏土进行改良,开展三轴剪切试验、循环三轴试验、循环荷载后常规三轴试验、电镜扫描试验,深入研究循环荷载下生物聚合物（刺槐豆胶）改良红黏土力学特性,主要的研究内容及成果如下: （1）开展室内三轴剪切试验,研究了改良红黏土的偏应力-应变曲线及其影响因素。结果表明:在刺槐豆胶分别为1%,2%,3%的掺量下,改良红黏土的破坏应力分别提高到987.6k Pa,1090.5k Pa,1165.9k Pa。围压从10k Pa增加到25k Pa,改良红黏土试样破坏应力增加幅值达18.85%。随含水率的增大,偏应力-应变曲线由软化型曲线转变为弱软化型曲线,土体强度明显降低。 （2）开展循环三轴试验,研究了改良红黏土的动力特性。结果表明:当动应力幅值大于950k Pa时,试样的累积应变在循环荷载加载初期急剧增大至发生破坏;当含水率高达25%时,试样在经历循环荷载2000次后发生破坏。改良红黏土的回弹模量随刺槐豆胶掺量、动应力幅值、养护时间、固结围压增大而增大,随含水率增加而减小;其阻尼比随刺槐豆胶掺量增加及固结围压增大而减小,随动应力幅值、含水率、养护时间增加而增大。 （3）开展循环荷载后常规三轴试验,研究了改良土的强度变化特性。结果表明:经过循环荷载后,试样的破坏应力随刺槐豆胶掺量增加而增大,且掺量为1%时,经历循环荷载后试样的破坏应力是循环前破坏应力的1.18倍;随含水率的增加,试样的破坏应力逐渐减小,较之循环荷载前试样的破坏应力整体上减小;随养护时间的增加,经过循环荷载后的试样,破坏应力逐渐增大,但较之循环荷载前试样破环应力明显下降;当养护时间为21天时,经过循环荷载后试样破坏应力下降的较大,为120.46k Pa;当动应力幅值大于600k Pa时,试样的破坏应力最小为1113.41k Pa,均大于循环荷载前试样的破坏应力;随着围压的增大,试样的破坏应力逐渐增大,当围压大于25k Pa时,试样的破坏应力较之未经历循环荷载的试样小幅度提高。 （4）通过扫描电镜试验,研究了不同掺量的刺槐豆胶改良红黏土微观结构的变化情况,结果表明:改良土中刺槐豆胶能与水生成絮状、网状的胶结物,不仅能够提高土颗粒之间的胶结能力,还能够达到填充土中孔隙的效果,土体粘聚力得到有效提高。