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关键词： “1+X+N”人才培养模式   教学改革   土力学课程   综合素质  

摘要： 本文以培养国家倡导的综合应用型人才为理论导向，结合“1+X+N”人才培养模式，从土力学课程的教学目标和教学实施两部分进行教学改革。通过改进传统教学模式中的低效教学方法，整合多元化的教学资源，从理论教学、实验操作、案例应用、跨专业联合教学以及企业实训等环节来完善土力学课程的教学体系。土力学课程教学改革旨在激发学生的学习积极性，提高学生的综合素质，最终达到培养综合型应用人才的教学目标。

关键词： 风积沙混凝土   聚丙烯纤维   碳酸钙晶须   冻融循环   Weibull函数  

摘要： 随着西部大开发战略的提出,本着因地制宜的发展理念,利用西部沙区丰富的风积沙资源制备工程所需的混凝土材料就变得很有意义。为最大程度利用风积沙资源,本研究以风积沙等质量替换80%的天然河砂,外掺0.1%体积掺量的聚丙烯纤维制备纤维风积沙混凝土(PF),随后将掺量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的碳酸钙晶须加入PF中制备混杂纤维风积沙混凝土(HF),运用灰熵关联分析法结合孔结构参数建立混凝土的抗压和劈裂抗拉强度模型。以普通风积沙混凝土(ASC)作为基准组,以力学性能最优的混杂纤维风积沙混凝土(HF4)作为试验组,探究混凝土在不同盐冻条件下的冻融损伤变化规律,并利用Weibull函数建立混凝土冻融损伤下的寿命预测模型,为碳酸钙晶须和聚丙烯纤维在ASC中的应用提供有效的理论支撑。主要研究内容如下: (1)制备强度等级为C30的普通混凝土(OC),在此基础上以风积沙等质量替换80%的天然河砂制备风积沙混凝土(ASC)作为基准组,制备单一纤维风积沙混凝土(体积掺量为0.1%的聚丙烯纤维风积沙混凝土),随后将掺量为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的碳酸钙晶须加入PF中制备混杂纤维风积沙混凝土(HF)。通过抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,可以发现当风积沙替换率为80%、聚丙烯纤维掺量为0.1%时,随着碳酸钙晶须掺量的增加,HF的抗压和劈裂抗拉强度均呈先增高后降低的趋势,在晶须掺量为0.4%时,其力学性能最好,与相同龄期的OC强度相当。结合核磁共振试验和扫描电子显微镜试验可以发现,适量晶须和纤维的掺入呈互补作用,优化了风积沙混凝土内部微观结构,宏观表现为强度的提高。运用灰熵关联分析法结合孔结构参数建立了混凝土的抗压和劈裂抗拉强度模型,模型精度较高。 (2)选取力学性能最佳的试验组HF4与基准组ASC进行不同浓度、不同种类的盐溶液冻融试验。利用快冻法模拟野外服役环境,借助扫描电子显微镜(SEM)对冻融后试件的微观形貌进行观测,运用核磁共振(NMR)探究孔隙结构变化。试验结果表明:随着盐溶液浓度和冻融循环次数的增加,混凝土表面浆体逐渐剥落,质量和动弹性模量损失严重。ASC和HF4在冻融200次后,多害孔占比最大分别增大到22.4%、19%;孔隙度最大分别增大到1.943%、1.556%,加快混凝土的冻胀破坏。混掺纤维有助于改善风积沙混凝土(ASC)内部微观结构,显著提高ASC的抗冻性。 (3)利用Weibull函数对两组风积沙混凝土在不同盐溶液冻融循环后的服役寿命进行预测,发现HF4的服役年限始终高于ASC,计算得出HF4在同种服役环境下安全服役期较ASC最大可提高18.09年。

关键词： 土力学   离散元模拟   柔性边界   应变局部化   三轴压缩   宏微观特性  

摘要： 探究土体变形和剪切带空间演化特征对于评估岩土结构的稳定性具有重要意义。使用离散元法模拟砂土在柔性边界下三轴剪切试验，分析剪切带内外的宏微观特性演化规律，探究砂土应变局部化的宏微观跨尺度联系。首先，在离散元模拟中使用考虑颗粒形状影响的三维完整接触模型；随后，在三轴模拟中使用柔性边界代替刚性边界以保证剪切带的充分发展；最后，与已有试验进行对比验证模拟有效性，并从宏微观关联角度对其结果进行分析。结果表明：使用考虑颗粒形状影响的三维完整接触模型及柔性边界的三轴离散元模拟可以较好的再现净砂试样的应力–应变和体积响应及剪切带的发展过程；剪切带内外部的平均纯转动率(APR)值、孔隙率、力学配位数、各向异性系数等宏微观特征差异明显；随着轴向位移的增加，带内APR值、孔隙率均大于带外而力学配位数带外大于带内；剪切带内局部孔隙率及各项异性对试样整体孔隙演化和各向异性有重要影响。

关键词： 再生岩粉   低热水泥   力学性能   抗冻性能  

摘要： 低热硅酸盐水泥有“生态水泥”之称,符合国际水泥行业对节能环保以及高性能和可持续发展的要求,并且更适用于高原复杂环境地区混凝土的制备,将施工过程中产生的岩粉作为补充胶凝材料用于部分替代低热水泥制备混凝土,不仅可以缓解高原复杂环境地区混凝土原材料短缺的问题,同时可以减少大量岩粉堆积引发的环境污染。本文主要开展了以下几方面的研究工作: （1）将低热硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥以相同配合比制备的混凝土展开试验测试后进行性能对比分析。试验结果表明,低热水泥混凝土相比普通水泥混凝土表现出较好的流动性,由于低热水泥中C2S含量较多,从而降低了混凝土的早期抗压性能,前期平稳的水化速率降低了水化放热量更有利于形成致密的微观结构,从而显著提高了低热水泥混凝土的远龄期强度降低水分的渗透性,使得低热水泥混凝土具有更好的抗冻性能。 （2）选用花岗岩粉或石灰岩粉作为补充胶凝材料部分替代低热水泥,并与未掺加岩粉时的低热水泥混凝土的坍落度与抗压性能展开试验研究,并结合扫描电镜与X射线衍射对混凝土内部微观形貌与水化产物组分进行测试分析。试验结果表明,掺加花岗岩粉会降低低热水泥混凝土的流动度和抗压强度,而少量的石灰岩粉会提升混凝土的流动性和抗压强度。 （3）将掺加岩粉前后的低热水泥混凝土开展快速冻融循环试验。结合冻融循环过程中混凝土表面劣化特征进行对比分析,将混凝土抗冻等级、质量损失率与相对动弹性模量这两个抗冻性能评价指标数据进行统计分析。试验结果表明,当花岗岩粉掺量为5%时,混凝土表面劣化、质量损失略强于未掺加岩粉时的对照组,相对动弹性模量衰减趋势基本相当,而石灰岩粉掺量为5%或10%时,低热水泥混凝土的综合性能较对照组的表现优异。 （4）参照抗冻性能评价指标衰变规律,在试验结果及数理统计方法的基础上,建立了不同花岗岩粉或石灰岩粉掺量下的低热水泥混凝土冻融损伤模型,包括质量损失衰减模型和动弹性模量损伤衰减模型,并预测了花岗岩粉或石灰岩粉在一定范围掺量下损伤衰减模型损伤系数值的变化规律。

关键词： 再生骨料混凝土   六相复合材料   三维模型   细观数值模拟   力学性能  

摘要： 目前,对于再生混凝土的细观层次的研究主要采用二维模型,这难以真实的模拟再生混凝土受力破坏过程中裂缝的发展规律。因此,本文将再生混凝土看作由骨料、新硬化砂浆、骨料和新硬化砂浆界面(ITZ1)、老硬化砂浆、骨料与老硬化砂浆界面(ITZ2)、新老硬化砂浆界面(ITZ3)构成的六相非均质材料,采用有限元软件建立三维再生混凝土细观随机骨料模型,对再生混凝土细观力学性能进行分析。本文的主要研究内容及结论包括: (1)根据蒙特卡罗理论、富勒级配和瓦拉文公式,采用Python语言编写了球型、椭球型、凸多面体三种不同骨料的细观数值模型的生成算法。采用ABAQUS建立了由骨料、老硬化砂浆、新硬化砂浆、ITZ1、ITZ2和ITZ3六相材料组成的再生混凝土三维细观数值模型。 (2)利用ABAQUS的塑性损伤本构模型对建立的球型、椭球型、凸多面体三种形状的骨料模型进行单轴拉压数值模拟,分析了再生混凝土裂缝的萌生、扩展、贯通及破坏的过程。与试验数据进行对比分析,误差均在10%以内,能够较真实地反映再生混凝土的受力状态。 (3)再生骨料取代率为30%、50%、70%和100%,建立三维随机凸多面体骨料模型,对其进行单轴拉压数值模拟,分析其应力—应变关系。结果表明:再生混凝土的峰值应力与再生骨料取代率呈负相关,峰值应变与再生骨料取代率呈正相关。再生骨料上由于老硬化砂浆和界面过渡层的存在,使得其受力情况更加复杂,并且这些部位的力学性能较差。 (4)采用凸多面体骨料模型对再生混凝土的各相参数的强度、厚度和弹性模量进行变参数分析。结果表明:再生混凝土细观各相组分强度、厚度和弹性模量发生改变对再生混凝土的力学性能有一定影响,且再生混凝土力学性能随着各相组分强度的提高而提高,再生混凝土力学性能随着各相组分厚度的提高而降低。界面过渡区ITZ1、ITZ2和ITZ3是各相材料中薄弱部分,但由于其含量低,因此对再生混凝土力学性能影响较小。

关键词： 橡胶混凝土   随机骨料模型   数值模拟   抗压强度   可视化界面  

摘要： 随着人们对环保和低碳理念的重视,橡胶混凝土因其绿色环保特性而受到广泛关注。国内外众多专家通过试验和模拟对橡胶混凝土的抗压强度进行了广泛研究,但这些研究主要集中在宏观层面,从细观角度对橡胶混凝土强度形成的内在机理及破坏演化过程中组成部分之间的相互作用研究较少。 本研究使用PYTHON语言和ABAQUS软件构建一个细观模拟真实结构的橡胶混凝土多相复合材料数值模型,该模型由砂浆基体、粗骨料和橡胶及其砂浆-橡胶界面、砂浆-骨料界面五相复合材料组成,将橡胶混凝土骨料从二维角度简化为圆形、凸多边形,从三维角度简化为球体、凸多面体进行模拟。通过与橡胶混凝土立方体的抗压试验结果比较,验证了模型的准确性和可靠性,并从细观角度分析其立方体抗压强度、应力应变关系和破坏机理特征。主要研究内容包括: (1)通过将橡胶颗粒等体积取代细骨料,研究了不同粒径(2.36～4mm、0.43～0.6mm、0.18～0.25mm)和不同掺量(0%、5%、10%、15%、20%)的橡胶对橡胶混凝土抗压强度的影响,进行了13组(含1组普通混凝土试块)立方体抗压强度的系统性试验。试验为模拟参数的选择提供参考依据,并与模拟结果对比误差分析。 (2)运用Fuller级配和Walaraven公式计算出不同掺量和不同粒径下的骨料数量,根据基体延伸的方法对骨料进行生成,通过粒径距离和面积法对骨料进行干涉判断,实现了二维圆形和凸多边形、三维球体和凸多面体随机骨料的生成和投放功能。利用PYTHON编程软件的GUI模块对骨料生成过程可视化,根据用户需求生成任意形状、粒径和掺量的骨料。 (3)通过ABAQUS模拟橡胶混凝土的立方体抗压强度,对比发现三维模型的模拟结果优于二维模型,但三维模型较为复杂,利用二维多边形模型和三维多面体模型之间的线性关系,表达式为:y=0.85x+7.00,可以简化模型复杂性。 (4)从细观角度研究橡胶混凝土的抗压破坏过程,橡胶混凝土在受压时,破坏起始于橡胶-砂浆界面,并扩展到橡胶集中区和砂浆-骨料界面,裂纹主要方向为45°～60°,最后形成贯穿性裂缝。橡胶粒径越大,在一定程度上越减慢抗压强度的降低速率,随着橡胶掺量的增加,橡胶混凝土的强度呈现下降趋势,当橡胶掺量为5%、橡胶粒径为2.36～4mm时产生的裂缝较少,抗压能力较强。

关键词： 地聚物透水混凝土   钢纤维   透水系数   抗压强度   冻融循环  

摘要： 随着“双碳战略”概念的提出,如何助力建材行业实现“双碳”目标成为研究的热点,常规的透水混凝土以水泥作为胶凝材料,但水泥生产过程中会伴随着大量能源和资源的消耗,并加重温室效应。同时,受季冻性气候的影响,需要考虑透水混凝土的抗冻性。基于此,本文采用偏高岭土为基体的高分子地聚合物材料代替水泥作为胶凝材料制备透水混凝土,并添加钢纤维为增强材料,提升地聚物透水混凝土力学性能和其抗冻性能,为其在严寒地区的工程应用提供理论基础,对节能减排和环境保护具有重要意义。 本文依托吉林省科技厅重点研发项目“加筋地聚物透水混凝土用于季冻区老旧小区道路改造的关键技术研究”(20220203063SF),针对我国季冻区道路建设需求,开展钢纤维地聚物透水混凝土的配合比设计、基本性能及抗冻性能试验研究,以期研制出一种具有较高力学性能、透水性能好、满足季冻区道路使用需求的新型复合式地聚物透水混凝土。本文的主要研究内容如下: (1)基于四因素四水平正交试验,以目标孔隙率、激固比、骨料粒径、水玻璃模数为正交试验因素,以地聚物透水混凝土的透水系数、抗压强度为评价指标,确定地聚物透水混凝土的最佳配合比,为后续试验研究提供基础。 (2)基于正交试验所得的最优配合比,设置单因素影响试验,研究振动时间、激固比、水玻璃模数、骨料粒径、目标孔隙、养护温度对地聚物透水混凝土力学性能、渗透性能、表观状态的影响。 (3)通过钢纤维地聚物透水混凝土抗冻性能试验、抗压强度试验,研究了钢纤维地聚物透水混凝土的透水性能、力学性能和抗冻性能,得到了钢纤维地聚物透水混凝土的透水系数、抗压强度、抗弯折强度、动弹性模量随钢纤维掺量变化情况。研究结果表明钢纤维可提高地聚物透水混凝土抗压强度、抗弯折强度以及抗冻性能。 (4)利用X-CT扫描技术、扫描电镜仪及X射线衍射试验,建立连通孔的孔结构模型,分析了地聚物透水混凝土的微观形态及孔隙特征,获得了二维下的平面孔隙率与三维下总孔隙率、有效孔隙率的相关性,观察了纤维在地聚物透水混凝土种的锚固状态,分析了胶凝材料结构特点。研究结果表明地聚物胶凝材料制成的透水混凝土内部孔隙均匀,地聚物形成的胶凝材料化学性质稳定、结构致密,钢纤维在胶凝材料的锚固良好。