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关键词： 膨胀土   地聚合物   无侧限抗压强度   胀缩性   微观结构  

摘要： 膨胀土是一种分布广泛的特殊土,因其干缩湿胀、反复胀缩的特性使修筑在膨胀土覆盖区的建（构）筑物容易发生破坏,给工程建设造成困难。针对传统石灰、水泥固化方法存在能耗高、污染大的缺点,并基于绿色发展理念、响应国家“双碳战略”计划,本文主要采用碱（Na OH）激发工业固废高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA）对冀北地区膨胀土进行固化。通过无侧限抗压强度试验、胀缩性试验、扫描电镜试验等室内试验和理论分析,对冀北地区固化膨胀土的力学性能、胀缩特性以及微观结构进行研究,主要研究内容及结论如下: （1）通过无侧限抗压强度试验研究了碱掺比、纳米SiO2掺比以及固化剂掺比对固化土无侧限抗压强度和水稳定性的影响,并从微观角度分析其固化机理。结果表明:在固化剂掺比为20%,硅铝原材料之比为3∶1（即高炉矿渣:粉煤灰=3∶1）,碱激发剂掺量为12.5%（与固化剂的质量比）的情况下,地聚合物固化土的无侧限抗压强度最大,水稳定性最佳;掺入纳米SiO2可进一步提升固化土的强度和水稳定性,纳米SiO2掺量为3%时,无侧限抗压强度提升了15%,达到2.30MPa;随着掺纳米SiO2激发地聚合物（GFNS）掺量的增加,固化土的无侧限抗压强度和水稳定性均呈先增大后减小的趋势,在掺量为20%时达到峰值。 （2）通过自由膨胀率试验、无荷膨胀率试验、有荷膨胀率试验以及收缩率试验研究固化土的胀缩性随GFNS固化材料的掺量、含水率及养护龄期的变化规律。结果表明:固化后的膨胀土已经成为非膨胀土;掺量为20%时固化土的胀缩性最小;相同GFNS固化材料掺量下,随固化土含水率的增加,固化土的胀缩性存在一个谷值,对应的含水率为18%;随着养护龄期的增加,GFNS固化材料固化土的胀缩性逐渐减小,最后逐渐趋于稳定。 （3）通过扫描电镜（SEM）试验,得到素土、地聚合物固化土以及GFNS固化土的微观结构特征。随着GFNS掺比的增加,水化作用生成的胶凝体将土颗粒包裹,颗粒间由叠聚形式转变为互相嵌入的板块状形式,但是过多的掺量使GFNS凝胶与蒙脱石和伊利石矿物颗粒的混合层间的空隙变大导致土体抗压强度下降。含水率逐渐增大的过程中,原先固化土中的颗粒之间呈层状结构或面-面结构逐渐减少。膨胀土的颗粒排列和结构相对稳定,土颗粒表面更加致密。当含水率过高时,固化剂会被水稀释,导致其与膨胀土的结合作用减弱。

关键词： 共聚甲醛纤维   正交试验   力学性能   弯曲韧性   数值模拟  

摘要： 实际工程应用中普通混凝土因抗拉强度、弯曲韧性低等原因,限制了在桥梁或特种建筑中的应用,在复杂环境的桥梁工程一直面临耐久性不足、渗透及大变形导致的裂缝等问题,而纤维作为韧性材料具有吸水率低、强度高等优点,在混凝土中具有广泛应用。共聚甲醛纤维混凝土(Copolymer formaldehyde fiber reinforced concrete,POM-C FRC)是指在普通混凝土中掺加一定量共聚甲醛纤维制成的多相复合水泥基材料,具有高抗拉强度及抗弯强度,增韧阻裂、抗冲击及抗疲劳性能优异。通过掺入钢纤维或合成纤维可提高其抗拉强度、抗裂和抗冲击能力。本文以C50混凝土为基础,研究了POM-C FRC的工作性能、力学性能及弯曲韧性,具体研究工作和主要结论如下: (1)设计21组配合比,通过平行试验和正交试验分别研究了不同水胶比、硅灰和粉煤灰掺量对混凝土力学性能、坍落度的影响,以此甄选出最佳配合比。结果表明:对于单一因素条件下,水胶比为0.37、硅灰掺量为6%或粉煤灰掺量为20%时,在经济合理条件下,混凝土的抗压强度达到最佳值。 (2)采用三种长度的共聚甲醛纤维和钢纤维,分别设计0.6%、0.8%、1.0%和1.2%掺量的12组试件。结果表明:未掺入纤维的立方体试块呈脆性破坏,掺入纤维的试件呈延性破坏;共聚甲醛纤维掺量低于1.0%时,混凝土抗压强度及抗折强度随掺量增加逐渐增大,当掺量达到1.0%时,其强度达到最大值;钢纤维和共聚甲醛纤维1:1混掺时,12 mm共聚甲醛纤维和钢纤维混杂的抗折强度要比8 mm和20 mm混杂纤维抗折强度高。 (3)基于试验所得最佳配合比,通过四点弯曲试验开展POM-C FRC的弯曲韧性研究,并与钢纤维FRC作对比。结果表明:未掺入纤维的FRC试件发生脆性破坏,加入共聚甲醛纤维的FRC试件发生延性破坏,掺量为12 mm的共聚甲醛纤维混凝土时,POM-C FRC的极限荷载、等效抗弯强度及弯曲韧性达到最大值。 (4)建立考虑纤维特性的混凝土塑性损伤本构模型,利用有限元软件ABAQUS对纤维混凝土四点弯曲梁进行数值模拟,获得荷载-挠度曲线,并与试验获得的曲线进行对比,验证模型有效性。

关键词： 橡胶混凝土   力学性能   抗冲击性能   抗震性能  

摘要： 橡胶混凝土有质量轻、韧性好、耐冲击、抗震性能好等优点,广泛应用于建筑、交通环保等领域。本文以橡胶颗粒等体积替换细骨料的方法来研究橡胶混凝土的力学性能、韧性参数、抗冲击寿命、以及模拟框架节点抗震性能等,并与普通混凝土进行比较分析,主要内容及结果包括: (1)用等体积替换细骨料的方法制备橡胶混凝土。橡胶掺量确定为5%、10%、15%、20%,普通混凝土水灰比确定为0.35、0.40、0.45。试验前完成橡胶颗粒改性处理,确保Na OH溶液充分溶解掉橡胶表面的酸性物质,增加其与水泥基的结合能力。 (2)对橡胶混凝土进行抗压、抗拉、抗折强度力学性能试验测试并记录试件破坏时的现象。在轴心抗压试验过程中记录应力-应变关系,后续根据数据计算所需试件的弹性模量,同时计算出折压比和拉压比。结果发现,在韧性和延性提高的同时,橡胶混凝土的强度有所下降。 (3)经过多次落锤冲击试验,记录冲击次数和冲击功,来分析橡胶混凝土的抗冲击性能。通过统计分析和回归拟合冲击次数数据的威布尔分布,预测橡胶混凝土在不同失效概率条件下的抗冲击寿命。得到混凝土中橡胶最佳掺量为15%时,以达到最佳的抗冲击效果。 (4)结合前期试验数据,在过镇海本构关系的基础上,计算拟合橡胶混凝土本构关系的上升、下降段参数,并通过标准棱柱体轴压试验来验证模型本构的准确性。将ABAQUS软件模拟得到的橡胶混凝土应力-应变曲线与试验拟合结果进行对比,可以观察到在达到最大应力和相应应变的关键点上,模拟结果与试验拟合结果之间展现出了良好的吻合度。结果验证了ABAQUS在预测橡胶混凝土材料本构的准确性和可靠性。 (5)将橡胶混凝土构成的梁柱节点结构进行ABAQUS抗震模拟分析,建立模型、设定边界条件、加载、划分网格。通过对滞回曲线、骨架曲线、延性系数、耗能能力等进行模拟计算,并与普通混凝土进行对比。结果表明,15%的橡胶掺量对结构抗震性能有一定加强作用。

关键词： 土力学   含盐量   应力–应变   劣化模型   Duncan-Chang模型  

摘要： 为研究冻融循环次数、围压和含盐量等因素对伊犁盐渍化黄土力学特性的影响，开展室内冻融循环作用下含盐黄土的三轴试验，分析盐渍化黄土在冻融和盐蚀作用后的劣化机制，提出盐渍化黄土的强度劣化公式和本构模型。结果表明：在冻融循环作用下，盐分的增多使应力–应变曲线由软化型转向硬化型；当含盐量较高时，黄土的抗剪强度随着冻融循环次数的增多迅速衰减。黏聚力与冻融循环次数呈指数关系；内摩擦角随冻融循环次数的增加先增大后减小、随含盐量的增大而减小。建立冻融作用下黏聚力的劣化模型，该模型能预测不同含盐量试件的黏聚力劣化特性；冻融作用对黏聚力衰减的权重大于盐蚀作用。提出考虑多因素作用下修正的Duncan-Chang模型，该模型能更准确地反映冻融和盐蚀作用后盐渍化黄土的强度和变形特性。

关键词： “超星”平台   土力学   混合式教学   教学设计  

摘要： 本文以“超星”平台为基础，探讨土力学混合式教学的设计与实践。首先分析传统教学模式的现状与遇到的问题，然后基于“超星”平台的混合教学模式设计全新的教学框架，详细阐述课程内容、教学资源、教学组织以及教学评价的具体设计方案，并以此为基础展开教学实践，总结土力学混合式教学设计实践的创新特色与实践效果。实践结果也表明：在实行混合教学模式的改革以后，调动学生的学习积极性，提升学生对知识的掌握和实践能力，收到了较为显著的效果。

关键词： 人工结构性黄土   动静荷载   力学性质   结构特征   微观结构  

摘要： 黄土在受到动静荷载的影响后,其力学特性会产生变化,这种变化的根本原因在于微观结构特征的改变,故本文旨在探寻宏观力学特性与微观结构特征之间的关联性。特别是关注黄土在动态荷载作用下的动力特性,以及这些特性与微观结构的关系。鉴于原生黄土所固有的不均匀性、方向依赖性以及样品制备的挑战性,使用人工结构性黄土来模拟原状黄土的力学特性,通过向重塑黄土中掺入微量水泥、冰晶和盐粒,借助静三轴试验找出与原状黄土力学特性相近的人工结构性土样。故先选用关中地区黄土做为试验土样,运用动态和静态的三轴力学试验以及微观结构分析,探讨了其宏观力学行为与微观结构属性之间的内在联系。通过这种方法,我们成功制备出在力学特性上与该地区原状黄土相似的人工结构性土,并确立了宏观力学特性与微观结构特征之间的相关函数性模型。最终通过3D模型、多元回归分析和灰色关联度方法构建宏观力学特性与微观结构特征的关系函数模型,主要研究成果如下: (1)通过一系列室内试验,包括静三轴试验和动三轴试验,成功的模拟出与原状黄土力学特性相似的人工结构性土样,系统地分析了长安地区人工结构性黄土在不同荷载条件下的应力-应变关系、强度性能以及变形破坏模式。研究发现,黄土的峰值强度与围压呈线性关系,且随水泥掺量的增加而提升,而含水量的增加则导致强度下降。此外,黄土的变形破坏模式被归纳为剪切破坏、均匀压密和侧胀破坏,其具体表现取决于围压的大小。 (2)分析动态三轴试验所得数据,本研究揭示了黄土在动应力与动应变间的非线性关系,以及其滞后效应和变形的累积特性。研究结果表明,Hardin-Drnevich双曲线模型能够有效表征黄土的动应力-动应变行为。此外,研究还表明动弹性模量和动阻尼比的变化受围压、水分含量及固结比等因素的影响。在此基础上,本研究利用微观测试手段,包括扫描电子显微镜(SEM)和压汞测试(MIP),深入探讨了黄土的微观结构特性。发现孔隙大小分布、孔隙连通性和颗粒排列方式的变化与黄土的宏观力学性能紧密相关。 (3)人工结构性黄土的宏观力学特性受固结比的影响。随着固结比的增加,粒度分维值、大中孔隙占比及胶结力微重比均呈现增长趋势,进而影响土的力学性能。最大动弹性模量和平均阻尼比与孔隙势和连接势相关,其中连接势的影响更为显著。通过多元函数拟合,本研究建立了最大动弹性模量、平均阻尼比与孔隙势、粒级势及连接势之间的函数关系。灰色关联度分析显示,胶结力微重比(?)的影响最大,其次是大中孔隙占比(n)和粒度分维值(D)。土颗粒外形轮廓的复杂程度会影响其微观结构的形态与强度,进而在宏观上影响土体的力学特性。土颗粒的形状越复杂,它们之间的相互作用就越有利于形成紧密的咬合和胶结,这进而有助于构建更为紧密的微观结构。

关键词： 废旧橡胶   煤矸石   力学性能   压汞试验   冻融循环   孔隙特征   分形维数  

摘要： 为研究矿区护坡骨架材料的力学性能及耐久性能,达到真正的“以矿治矿”,以矿区伴生产物煤矸石及粉煤灰结合废旧橡胶制备环境适应性混凝土护坡骨架材料。为提高护坡骨架材料耐久性,遵循细集料等模特征优化其力学特征、减少强度损失,胶粉通过与砂子等级配方式等体积替代细骨料制备胶粉矸石混凝土。通过对混凝土立方体进行抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验及抗折强度试验,研究其宏观力学特性;采用扫描电子显微镜(SEM)、NMR核磁共振、压汞试验(MIP)、孔分形模型、最可及孔径、孔隙分布分析其微观特征,采用灰色关联模型分析其孔隙特征与孔隙尺寸占比对抗压强度的影响规律;通过清水冻融循环试验研究其抗冻性能,通过NMR核磁共振分析清水冻融循环下混凝土表面损伤形貌及孔隙特征冻融破坏规律。 本研究内容及结果如下: (1)随着胶粉掺量的增加,胶粉混凝土抗压强度呈梯度递减,10%胶粉掺量组(RCG-10%)相比于普通混凝土(CG)抗压强度下降了9.3%;20%胶粉掺量组(RCG-20%)相比与普通混凝土下降了32.2%;但该混凝土的折压比及拉压比有明显增幅,说明混凝土韧性有明显提升。且通过SEM试验可观察,粉煤灰的玻璃微珠效应及火山灰效应可改善混凝土和易性及填充部分孔隙,减少强度损失,提高耐久性。等模数胶粉替代细集料更符合混凝土内部骨料分配规律,减少为裂缝扩展,避免局部应力集中,起到削弱、平缓应力效果。 (2)等模数胶粉矸石混凝土试件通过冻融循环试验可得出结论,随着胶粉取代率的增加,质量损失率呈现先上升后逐步下降的趋势,相对动弹性模量有所下降,冻融循环次数明显提升;CG混凝土内部煤矸石为多层孔隙结构,导致混凝土内部受冻胀应力影响易发生脆性断裂,导致冻融性能下降;随着冻融循环次数的增加,孔隙率增加、孔尺寸增大,导致孔隙尺寸由小向大转化,使混凝土内部产生破坏直至失稳,但由于胶粉的弹性性能,可避免混凝土内部冻胀应力导致的应力集中,将应力分散到基体,延缓裂纹生长,提高材料耐久性。 (3)通过weibull理论对等模数胶粉矸石混凝土进行清水冻融循环寿命预测,可以准确预测轻骨料混凝土在西北地区的服役寿命。