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关键词： 短时冻土   冻融循环作用   单轴抗压试验   直剪试验   微观分析  

摘要： 随着福建综合立体交通网建设的进一步发展与推进,闽西北地区的交通功能得到进一步地规划与重视。然而,闽西北地区路基与边坡浅层土体在冬季负温下会生成短时冻土,其微观结构在冻融循环作用下发生改变并引起宏观力学性质与性能变化,继而引发工程事故。目前对冻融循环作用下土体力学性能变化的研究主要集中在多年冻土与季节性冻土,而较少考虑到短时冻土。故针对短时冻区残积土路基与边坡冬季发生的破坏现象,对残积土进行基本物理性质试验、崩解试验、冻融—单轴抗压试验、冻融—直剪试验研究,并通过扫描电镜试验对冻融循环后土体进行微观结构的观察与分析,得到冻融循环作用下短时冻土的力学性能与微观结构变化规律,相应研究内容与成果如下: (1)试验残积土为低液限粉质黏土,其土水特征曲线显示基质吸力变化拐点含水率为15%。崩解试验结果显示,试样崩解阶段分为吸湿增重阶段、快速崩解阶段、慢速崩解阶段与稳定阶段;随着冻融循环次数的增加,含水率较低试样崩解进程得到加快,而试样的结构变化导致含水率较高试样崩解效果存在区别。 (2)通过万能试验机开展冻融后残积土单轴抗压强度试验,考虑有冷端温度、含水率、冻融循环次数3种因素,得出强度与影响因素间的关系。试验结果表明:含水率与冻融循环次数一定时,残积土的抗压强度随着冷端温度的上升而衰减。冷端温度与冻融循环次数一定时,残积土的抗压强度随着含水率的降低而衰减。冷端温度与含水率一定时,残积土的抗压强度及基本上随着冻融循环次数的增加而降低。 (3)通过电动直剪仪对冻融后残积土进行剪切强度试验,考虑有冷端温度、含水率、冻融循环次数3种因素,得出抗剪强度及其指标与影响因素间的关系。试验结果表明:抗剪强度基本与冷端温度、含水率、冻融循环次数负相关。含水率与冻融循环次数一定时,试样黏聚力、内摩擦角分别与冷端温度负相关、正相关。冷端温度与冻融循环次数一定时,试样黏聚力、内摩擦角均与含水率负相关。冷端温度与含水率一定时,试样黏聚力、内摩擦角均与冻融次数负相关,且二者衰减程度基本在首次冻融循环作用后最大。 (4)通过灰色关联分析法证明冷端温度、含水率与冻融循环次数三种因素均能在较大程度上影响残积土力学性能,且抗压强度受冻融循环作用影响程度较抗剪强度指标大。 (5)基于扫描电镜试验进行残积土微观分析,得到不同含水率与不同冻融循环次数下土体的微观结构特点。结果表明:冻融循环次数一定时,试样孔隙数量总体上随着试样含水率的增加而呈现先增大后减小的趋势;孔隙率与含水率负相关。含水率一定时,试样孔隙数量、孔隙率总体上与冻融次数正相关;随着冻融次数增加,5～20μm粒径范围的颗粒数量逐渐增加,但分布规律有所不同。

关键词： 混凝土   中子辐射   γ射线   损伤   力学性能退化  

摘要： 核辐射会对混凝土产生不利影响,引起混凝土力学性能的退化,从而降低核电站的安全性。然而,当前国内外规范中缺乏核辐射导致混凝土力学性能退化的模型。现有实验研究不够广泛,难以实现长时间、大剂量的核辐射条件,无法通过实验获得混凝土力学性能退化与辐照剂量或时间的关系。因此,本研究借助有限元软件COMSOL,采用数值模拟的方法,探讨了长期辐射作用下,混凝土圆柱温度、湿度和力学性能的变化。由于辐射对混凝土各组分的影响不同,本研究从细观角度出发,建立了混凝土三维两相细观模型。主要研究内容和结论如下: (1)计算了核辐射作用下混凝土温度和湿度的变化。分别考虑核辐射对砂浆和骨料传热及水分传输的影响,采用热湿耦合方程,对混凝土的温度和湿度进行了耦合计算和分析,得到了核辐射作用下混凝土的温度和湿度分布。在此基础上,进一步计算了骨料的热膨胀、砂浆的热膨胀和吸湿膨胀。结果表明,核辐射对混凝土温度和湿度均有显著影响。辐射与混凝土组分相互作用,使得混凝土内部产生热量。由于热量的累积,温度的最大值会出现在混凝土的内部。与此同时,辐射通过温度的变化间接影响湿度的传输过程,使得湿度梯度变大; (2)计算了核辐射作用下,混凝土内部的损伤发展及辐照后混凝土强度和弹性模量的退化。基于上述核辐射作用下混凝土热湿耦合模型,引入中子辐射下石英骨料膨胀应变模型、混凝土细观力学模型和Mazars损伤力学理论,参考Maruyama团队的试验,建立了普通混凝土在γ射线和中子辐射联合作用下力学性能退化的数值模型,并与实验结果进行对比分析,验证了数值方法的有效性。结果表明,中子辐射引起的骨料膨胀是导致混凝土力学性能退化的主要因素。由于骨料的变质膨胀,细观上骨料和砂浆的变形差异较大,导致骨料周围出现损伤。损伤随着辐射的增大而发展,最后导致砂浆大部分失效。同时,随着损伤的发展,混凝土的抗拉强度和弹性模量也逐渐退化; (3)计算了三种重质混凝土在核辐射作用下的温湿度变化、损伤发展以及辐照后混凝土弹性模量和强度的退化。基于上述数值模型和重骨料混凝土的相关实验数据,得到了重骨料混凝土辐射作用下的三维细观模型。分析了重骨料混凝土在辐射作用下的损伤变化及力学性能退化,得出三种重混凝土抗拉强度和弹性模量均有下降。

关键词： 偏高岭土   地聚物混凝土   力学性能   抗氯离子渗透   冻融循环  

摘要： 普通硅酸盐水泥在制备过程中存在生产耗能高、碳排放量大、环境污染严重等问题,在“碳达峰、碳中和”背景下,水泥行业的碳减排势在必行。地聚物混凝土作为一种新型的建筑材料,以其独特性能优势,为有效缓解普通硅酸盐水泥对环境造成的压力、实现绿色可持续建筑目标,提供了极具价值的解决方案。因此,对绿色可持续替代品偏高岭土基地聚物混凝土进行试验研究具有重要意义。本文以NaOH摩尔浓度、养护龄期为影响因素,对偏高岭土基地聚物混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能和抗冻性能进行试验研究,表征其相关性能。具体研究内容及主要成果如下: (1)偏高岭土基地聚物混凝土工作性能研究。通过坍落度试验发现偏高岭土基地聚物混凝土的坍落度随着NaOH摩尔浓度的增加而降低。碱活化剂拥有比水更高的粘度,NaOH摩尔浓度的增加会提高碱活化剂的粘度,从而增加了偏高岭土基地聚物混凝土的粘度,降低了地聚物混凝土的流动性。 (2)偏高岭土基地聚物混凝土力学性能研究。开展地聚物混凝土的力学性能的试验研究,结果表明NaOH摩尔浓度是影响偏高岭土基地聚物混凝土力学性能的重要因素。偏高岭土基地聚物混凝土体现出早强的特性,养护龄期为7d时,抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度均可达28 d时的90%以上;养护龄期为28 d时,MK-14M组表现出最高的抗压强度、劈裂抗拉强度,MK-16M组表现出最高的抗折强度;结合响应面法建立了地聚物混凝土微观孔隙体积和水化产物与力学性能之间的数学模型,分析地聚物混凝土力学性能与水化程度和孔隙体积间的关系,揭示了偏高岭土基地聚物混凝土宏-微观特征的演变过程。 (3)偏高岭土基地聚物混凝土抗氯离子渗透性能研究。采用RCM法和RCPT法对偏高岭土基地聚物混凝土的抗氯离子渗透性能进行测试,结果表明偏高岭土基地聚物混凝土具有优良的抗氯离子渗透性能。RCM法、RCPT法试验结果相关性较高,且偏高岭土基地聚物混凝土的非稳态氯离子迁移系数、电通量均低于普通硅酸盐混凝土;随着NaOH摩尔浓度、养护龄期的增大,地聚物混凝土的孔隙占比更快趋于稳定,孔隙更为致密,水化产物生成量更高,对氯离子吸附效果更好;根据建立的氯离子扩散模型,偏高岭土基地聚物混凝土在潮汐区、飞溅区和大气区的服役寿命较普通硅酸盐混凝土更长。 (4)偏高岭土基地聚物混凝土抗冻性研究。通过快冻法对偏高岭土基地聚物混凝土的抗冻性进行试验研究,结果表明偏高岭土基地聚物混凝土的抗冻性较差,聚丙烯纤维的掺入可以大幅提高偏高岭土基地聚物混凝土的抗冻性。随着NaOH摩尔浓度的增加,偏高岭土基地聚物混凝土的抗冻性随之提高,但表现最优的MK-14M组极限冻融次数仍不超过75次;为改善偏高岭土基地聚物混凝土的抗冻性,设置0.3kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3三个聚丙烯纤维掺量梯度,基于对不同冻融循环次数后的质量损失率、相对动弹性模量变化情况进行回归统计,建立了掺入聚丙烯纤维的偏高岭土基地聚物混凝土的冻融损伤劣化模型;纤维的掺入使得地聚物混凝土在抗冻性能方面的表现优于对照组的普通硅酸盐混凝土。 本研究开展NaOH摩尔浓度和养护龄期对偏高岭土基地聚物混凝土的力学性能、抗氯离子渗透性能、抗冻性能的影响研究,以期为偏高岭土基地聚物混凝土的实际应用提供一定的理论与试验基础。

关键词： BOPPPS   课程思政   案例教学   信息化平台  

摘要： “土力学”是土木工程专业的专业必修课，该门课程存在教学内容多而课时少、理论教学单一、缺乏实践教学及过程性考核机制不完善等问题，学生的学习兴趣普遍不高。为提高学生学习积极性，培养学生的综合能力，本次改革基于BOPPPS教学模式，尝试在教学过程中深入挖掘课程思政元素，对课程内容进行整合。同时开展案例教学，从实际案例的学习中提高学生学习兴趣；此外，根据不同的教学内容采取不同的教学方法，建立信息化在线教学平台，加大技能型、综合性与探索性实验；最后，进一步加强教学与科研实践的联系，提高学生的学习热情及创新实践能力。

关键词： 加筋土   废弃口罩加筋   无侧限抗压强度   三轴试验   力学行为   变形特征  

摘要： 受新冠等强传染性病毒的冲击,近几年来一次性防护口罩在全球范围内被大规模使用。大量的废弃口罩流入自然界,不仅给生态环境带来了很大压力,也会造成一定的资源浪费。在此背景下,有学者提出将废弃口罩应用于土木工程领域,为解决其环境污染问题提供了新的思路。但是其可行性和实用性尚未完全清晰。鉴于此,本研究将采用室内试验的研究方法,首先通过土料的基本物性试验和口罩的拉伸特性试验明确其基本物性指标。随后开展了一系列口罩碎片加筋土无侧限抗压强度试验、口罩碎片加筋土三轴试验,系统研究了口罩碎片掺量、尺寸、试样的含水率和干密度等因素对加筋土试样强度与变形特性的影响规律,深入分析了口罩碎片加筋粉质黏土混合料的加筋机理。此外,将口罩碎片的加固效果与聚丙烯纤维作了对比。主要研究内容及结果包括: (1)口罩的主体结构是由许多纤维胶结在一起组成的三层无纺土工布。口罩具有一定的拉伸强度,本研究中废弃口罩相较于新口罩抗拉强度降低了约15%,通过口罩的扫描电子显微镜(SEM)试验发现废弃口罩的纤维数量较新口罩有所减少。口罩外层无纺土工布对口罩抗拉强度的贡献最大,内层次之,中间层最小。 (2)通过口罩碎片加筋粉质黏土试样的无侧限抗压强度试验可以发现:口罩碎片加筋可在一定程度上提升粉质黏土的抗压强度。试样的峰值应力随口罩碎片掺量的增多而增大,最大可以提升40%左右。试样峰值应力的增量并非随口罩碎片掺量的增加而线性增加,随着口罩碎片掺量的增多,试样峰值应力的提升速度逐渐减缓。口罩碎片能有效增强土体的塑性和延性,延缓土体的破坏。当口罩碎片掺量一定时,15 mm*1 mm大小的口罩碎片能发挥更好的加筋效果。 (3)素土和口罩碎片加筋土试样峰值应力均随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大。当含水率较低时,口罩碎片呈现更好的加固效果。随着含水率的增大,试样的刚度逐渐减小,延展性逐渐增强,应力-应变关系曲线的硬化趋势逐渐明显。口罩碎片对不同干密度试样存在不同的加筋效果,且随着口罩碎片掺量的变化呈现不同的规律。当掺量一定时,聚丙烯纤维的加固效果优于口罩碎片。通过扫描电镜照片能看出,聚丙烯纤维加筋土试样中,纤维分布较为均匀,并充分发挥其抗拉强度及其与土的摩擦作用,这是其加固效果优于口罩碎片的主要原因。 (4)基于无侧限抗压强度试验的结果,采取15 mm*1 mm大小的口罩碎片加筋粉质黏土开展三轴剪切试验,试验结果表明存在最优掺量0.1%使得试样的黏聚力达到最大,而内摩擦角的变化不明显。当口罩碎片掺量为0.1%时,粉质黏土的峰值偏应力随着含水率的升高而降低。当含水率较低时,应力-应变关系曲线在达到峰值偏应力后变得软化,试样出现裂缝,呈一定的脆性破坏特征。随着含水率的增大,应力-应变关系曲线呈应变硬化趋势,试样的剪胀变形现象不明显。土体的黏聚力随着含水率的升高先增大后减小,内摩擦角则一直呈减小趋势。干密度对试样的抗剪强度有显著影响,当口罩碎片掺量一定时,加筋土试样的抗剪强度随着干密度的增大而增大,表明压实作用能有效提高粉质黏土的抗剪强度。此外,聚丙烯纤维对于三轴试样抗剪强度的提升效果也优于口罩碎片。

关键词： 冻融循环   纳米SiO2   聚乙烯醇纤维   双K断裂韧度   数值模拟  

摘要： 混凝土材料被广泛的应用于道路、桥梁以及水工等工程领域,当冬季气温降至0℃以下时,交通基础设施经过冻融循环以及盐溶液侵蚀后的耐久性问题一直是学者们研究的热点。随着科学技术的不断发展,纳米材料在工程中的应用逐渐广泛,其中纳米SiO2由于能够有效促进水泥水化反应如今被广泛应用于混凝土材料中。为了使混凝土在冻融循环后仍能保持较好的力学性能,考虑将纤维加入混凝土中用以提高其增韧阻裂效能。随着聚乙烯醇纤维（PVA）等有机纤维的广泛应用,研究将纳米材料与有机纤维混掺进混凝土中以提高其耐久性及断裂性能具有十分重要的应用价值与理论意义。 本文将纳米SiO2与PVA纤维掺进混凝土材料中以提高混凝土力学性能以及耐久性,通过混凝土快速冻融循环试验、抗压强度试验、混凝土三点弯曲梁断裂试验,系统探究不同掺量的纳米SiO2和PVA纤维对混凝土耐久性及其在0、25、50、75、100次冻融循环作用下的力学性能变化规律,并利用ABAQUS有限元软件进行相应冻融循环模拟。主要研究内容及结论如下: （1）通过快速冻融试验,研究不同盐冻循环次数后单掺纤维以及复掺纳米SiO2与PVA纤维混凝土的表观形态、质量损失率以及相对动弹性模量的变化规律。结果表明,在50次冻融循环前后,混凝土冻融损伤可分为缓慢损伤阶段与快速损伤阶段。试件发生冻融损伤程度由表面中心向棱角处减弱。总结单掺纤维以及复掺SiO2和PVA纤维混凝土质量损失率与相对动弹性模量随盐冻循环次数的变化规律。得出在复掺SiO2和PVA纤维试件组中两种材料掺量的临界值。两种材料对混凝土抗冻性能共同产生影响,但纳米SiO2对混凝土抗冻性能的提升优于PVA纤维。 （2）对复掺纳米SiO2与PVA纤维混凝土试件组进行0、25、50、75、100次冻融循环后的抗压强度试验。结果表明,在冻融循环前,当纤维掺量一定时,纳米SiO2掺量对混凝土抗压强度影响较小,随着冻融循环次数的增多,不同纳米SiO2掺量对混凝土抗冻性能的差异性提升逐渐展现,但PVA纤维对混凝土抗压强度的提升大于纳米SiO2。当纳米SiO2掺量超过2%时,对试件抗压强度产生负效应。 （3）混凝土双K断裂韧度随PVA纤维与纳米SiO2增加的变化规律与抗压强度相似。研究不同SiO2和PVA纤维混凝土试件P-COMD曲线特征以及发展规律。断裂韧度试验结果表明,当纤维掺量一定时,在冻融循环前纳米SiO2掺量对试件断裂韧度影响较小,混凝土的断裂韧度主要取决于自身强度。而在冻融循环后期,纳米SiO2能有效促进水化作用,其中纳米SiO2掺量为1.0%,纤维掺量为0.5%试件组在100次冻融循环后的起裂韧度、失稳韧度以及断裂能分别是基准组的1.26倍、1.61倍以及5.51倍。在冻融循环前,纤维掺量能明显影响试件的断裂韧度,随着冻融循环次数的增多,纳米SiO2的作用逐渐增大,但高纤维掺量试件的断裂韧度仍大于低纤维掺量试件。 （4）结合试验数据,基于ABAQUS建立混凝土冻融损伤模型,进行混凝土冻融循环数值模拟。结果表明,数值模拟的温度应力作用区域与实际发生冻融损伤破坏区域相符。利用重启动分析对冻融后试件进行三点弯曲梁试验,模拟得到荷载-裂缝张开口位移曲线,结果吻合度良好,验证试验数据的准确性。