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关键词： 活性氧化镁   MICP   锌污染土   力学特性   强度预测模型  

摘要： 目前修复重金属污染场地常采用水泥基等材料进行固化/稳定化处理,但其生产过程中碳排放量较大且会造成二次污染,因此迫切需要开发环保型固化材料。近几年微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术作为一种绿色低碳、对环境扰动小且适用范围广的生物修复技术,在重金属土体修复方面得到广泛应用,但较高浓度重金属会抑制矿化反应效果。因此本文选用碱性环保材料活性氧化镁,协同MICP技术固化锌污染土,研究不同因素对固化后污染土体力学性质的变化规律并得到最优固化参数,为高浓度污染场地固化应用研究提供新思路与新方法。主要研究内容及成果如下: （1）选取巴氏生孢八叠球菌为试验菌种,通过水溶液试验探究了锌离子浓度对微生物生长曲线和诱导碳酸钙沉淀能力的影响。研究表明,微生物生长随污染浓度升高呈现抑制现象,碳酸钙生成量随锌离子浓度增大逐渐减少,掺入少量活性氧化镁可以提高反应效率。 （2）开展无侧限抗压强度试验,分析胶结液浓度、菌液浓度、活性氧化镁掺量及锌离子浓度对固化污染土力学强度的变化规律。建立不同因素影响下,固化污染土无侧限抗压强度拟合曲线及预测方程,得到矿化反应的优化条件:胶结液浓度选用1-1.2mol/L,菌液浓度选用OD600为1.2-1.3。 （3）采用固结不排水三轴剪切试验方法,研究了锌污染浓度及活性氧化镁掺量对固化污染土应力-应变关系曲线影响,得到抗剪强度变化规律。研究结果表明:锌污染显著削弱土体抗剪强度;应力-应变曲线随活性氧化镁掺量由应变硬化型转变为应变软化型且抗剪强度在M5时提升幅度最大,可为相关工程应用提供参考。

关键词： 废弃胶合木纤维   力学性能   抗冻融循环   吸声系数   细微结构  

摘要： 随着我国建筑业的高速发展,混凝土产量及用量常年保持增长态势。而混凝土组成成分中的砂、石等粗细骨料属于不可再生资源,在全球环境破坏日益严重及资源、能源日趋紧张的情况下,探索一条资源节约、环境友好的可持续发展道路,是建筑业亟需解决的问题。 本文以“固废利用、绿色环保”为主导思想,采用废弃胶合木纤维取代一定比例的天然河砂制备成废弃胶合木纤维混凝土,并对其力学性能及抗冻融循环性进行了试验研究,从宏观和微观两个角度进行了深入分析,最后还对其吸声性能进行了试验及数值模拟研究。通过一系列试验研究及深入分析,本文得到以下几点结论: (1)通过配合比设计,以0%、1%、3%、5%和7%的废弃胶合木纤维取代天然河砂制备混凝土试块,对不同龄期的立方体试块进行抗压强度和抗劈裂强度试验分析,通过对试验数据分析后结果为力学性能随废弃胶合木纤维的逐渐增多,强度方面有一定的损失,但在7%的取代率时,强度稍比5%的略高一些。并且对试验后的数据进行线性拟合,效果均较好。同时,对各配合比的试块进行单轴抗压试验,并对各配合比试块的轴心抗压应力-应变曲线进行分析,建立废弃胶合木纤维混凝土的本构模型,分析峰值应力和立方体抗压强度关系。 (2)进行废弃胶合木纤维混凝土的抗冻融循环性能试验,分别以0次、25次、50次、75次、100次、125次和150次的循环次数,对混凝土试块的冻融后的表面特征、质量损失率和相对动弹性模量进行分析,并且随冻融循环后的试块进行微观电镜扫描。结果表明,随着冻融循环次数逐渐增加,试块整体保持坚硬完好,但表面砂浆及细小骨料出现剥落。冻融次数增多,质量损失率和相对动弹性模量在1%的取代率比其他的取代率表现较好,从微观的角度上,分析了混凝土内部的裂缝和废弃胶合木纤维的分布状态。 (3)通过工业CT扫描技术,利用Avizo预重建三维模型,对混凝土试块的内部孔隙、连通孔隙和封闭孔隙的数量和孔隙结构特征进行分析,探究废弃胶合木纤维在混凝土中孔隙结构的演变规律,同时,研究了共同作用下的微观结构面貌。结果得出,随废弃胶合木纤维取代率的增加,导致混凝土的内部孔隙结构不断增多,孔隙变大,当7%取代取代率时,其孔隙数量是最多的,在连通孔隙和封闭孔隙中,孔隙的数量随着废弃胶合木纤维的不断增多而增多,因为混凝土中的孔隙结构增多的过程,对吸声效果有一定的帮助。最后对混凝土试块进行了碱集料反应试验,结果表面,废弃胶合木纤维的掺入,不会对其有任何影响,其膨胀率均小于0.1%,满足规范的试验要求。 (4)对废弃胶合木纤维混凝土的试块进行了吸声性能试验研究,通过不同的声音频率用分贝仪进行测试。结果表明,随着废弃胶合木纤维的不断增多,在频率为200到800Hz之间,吸声效果增长趋势,其中,7%的取代率达到吸声效果最好,说明混凝土内部孔隙最多,证明第五章试验内容的关联性。并且通过COMSOL模拟混凝土的吸声效果,所得出的吸声系数和吸声效果图都能反应出,废弃胶合木纤维对混凝土内部的孔隙结构具有增多的效果。废弃胶合木纤维混凝土在强度要求不是很高的应用中,但能起到一定的吸收噪音的性能。

关键词： 砒砂岩   煤矸石粉   碱激发   复合土   冻融  

摘要： 为减少砒砂岩区的水土流失,促进松散砒砂岩的有效利用,同时提高鄂尔多斯地区废弃煤矸石的利用率。本文以砒砂岩为研究对象,结合当地废弃煤矸石制备煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土和碱激发煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土,对其开展力学性能及耐久性能研究。借助X射线衍射仪、扫描电镜、热重和核磁共振等试验手段,从固化产物构成、微观形貌、孔隙结构演变等微观层面,揭示煤矸石粉煅烧温度、煤矸石粉替代率及碱激发对砒砂岩水泥复合土力学强度、抗冻性能的影响机理。结果表明: （1）煤矸石粉经煅烧后,高岭石向偏高岭石转化的同时其中所含的碳被脱去,因此煤矸石粉的火山灰活性得到提高。其中经600℃煅烧后煤矸石粉活性最高,可促进复合土内部产生更多的C-S-H、C-A-S-H凝胶,使其强度增大。与其他实验组对比,当煤矸石粉煅烧温度为600℃、掺量5%时强度表现最优。 （2）碱的加入可促使砒砂岩中蒙脱石发生溶蚀,并促使煤矸石粉中活性物质溶出,从而促进N-A-S-H和C-A-S-H凝胶的产生;随着煤矸石粉替代量的增加和水泥掺量的相对降低,Ca含量降低,C-A-S-H凝胶含量下降,且N-A-S-H凝胶逐渐向无胶结性的钙（钠）菱沸石转化,导致复合土强度逐渐下降。综合固废利用率及复合土工程性质,确定碱激发煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土的最优配比为7%的煤矸石粉替代量和4%的碱当量。 （3）随着冻融循环次数的增加,碱激发煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土的抗压强度逐渐下降,质量损失逐渐增大;与清水-冻融循环相比,盐侵-冻融循环导致复合土的破坏更严重。其原因是硫酸钠溶液中大量的SO42-与复合土内部的C-A-S-H反应,产生高硫型的水化硫铝酸钙（钙矾石）,同时Na+也会参与沸石生成,正是由于钙矾石等膨胀性物质的生成和凝胶含量的下降,从而加速了复合土的破坏。 （4）结合能量变化规律,煤矸石粉-砒砂岩水泥复合土的变形破坏过程可分为压密、弹性变形和损伤破坏3个阶段。压密阶段,由于复合土初始缺陷的存在导致此阶段的能量耗散为主,耗散应变能转化率最大;弹性阶段,耗散应变能转化率逐渐减少,弹性应变能转化率逐渐增加;损伤破坏阶段,当弹性应变能转化率达到最大后开始减少,耗散应变能转化率开始增加,此时损伤在达到峰值应力前就已经出现,复合土进入损伤积累阶段。冻融循环会导致复合土内能量下降,表明试样抵抗冻融循环的能力减弱。

关键词： 竹原纤维   混凝土   力学性能   耐久性能   微观机理研究  

摘要： 目前,基于混凝土、钢材等不可再生资源的建造模式导致了建筑业能耗、碳排放量居高不下,严重制约了我国经济的可持续发展,对生态环境造成了巨大威胁。竹材作为绿色环保的可再生资源,具有生长快、可再生、强度高、质量轻、可降解等特点。竹纤维的抗拉强度突出,由速生竹加工的竹材力学性能好,是近年力推的高性能绿色建材。 竹原纤维是纺织行业应用较为广泛的一种纤维素纤维。这种纤维高度保留了竹子中的天然成分,是真正意义上的绿色环保材料,不仅具备长径比大、柔韧性好、吸放湿性能优异的特点,也有很好的机械强度性能,是改善混凝土高能耗、韧性差等缺陷的潜力材料。当前对于竹纤维增强混凝土的研究多以竹签纤维为主,对于竹原纤维增强混凝土的研究较为少见。此外,关于竹原纤维在混凝土中的长期耐久性能的研究也有待拓展和加深。 因此,本文结合竹原纤维的高抗拉强度,将其作为增强材料加入混凝土中,通过立方体抗压、劈裂抗拉、抗折和断裂能试验,从宏观角度研究了竹原纤维掺量、长度及骨料粒径对混凝土力学性能的影响规律。试验结果表明: (1)掺入竹原纤维降低了混凝土的抗压强度和抗折强度,但能够有效改变素混凝土固有的脆性破坏模式。抗压强度总体上随着竹原纤维掺量的增加呈先增后减的趋势,随纤维长度的增加逐渐减小,采用较小的骨料粒径与竹原纤维结合,对混凝土抗压强度的负面影响最小;抗折强度随竹原纤维掺量的增加逐渐提高,随纤维长度的增加呈下降趋势,较大的骨料粒径有利于增强竹原纤维混凝土的抗折强度。纤维掺量为1.0%,长度为10mm且骨料最大粒径为10mm时,竹原纤维对混凝土的抗压强度和抗折强度的增强效果最佳。 (2)竹原纤维优异的抗拉性能阻碍了宏观裂纹的形成,进一步增加了混凝土的劈裂抗拉强度。劈裂抗拉强度随着纤维掺量和长度的增加均呈先增大后减小的趋势,采用10mm的骨料粒径与竹原纤维结合,有利于提高混凝土的劈裂抗拉强度。当竹原纤维掺量为1.0%,长度为20mm,骨料最大粒径为10mm时,竹原纤维混凝土的劈裂抗拉强度最高,可达4.29MPa,较素混凝土提升了16.8%。 (3)掺入竹原纤维可以显著提高混凝土的断裂能,断裂能随纤维掺量的增加逐渐提高,随纤维长度的增加呈先增大后减小,随骨料粒径的增加稳步增大。当竹原纤维的掺量为1.5%,长度为20mm且骨料最大粒径为10mm时,混凝土的断裂能提高最多,可达303.88N/m,较素混凝土增加了89.5%。 (4)通过非线性拟合分析,建立了竹原纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及断裂能与纤维掺量、纤维长度等变量之间的关系表达式,拟合效果良好。 接着,在力学性能试验的基础上,选取性能较优的配合比,通过干燥收缩试验和抗氯离子侵蚀试验,研究了竹原纤维的掺量对混凝土耐久性能的影响。耐久性能试验结果表明:添加竹原纤维有利于减小混凝土的干燥收缩变形,干燥收缩率随纤维掺量的增加呈先减小后增大的趋势,当掺量为1.0%时,竹原纤维对混凝土干缩的控制效果最佳,90d的干缩率较素混凝土降低了31.0%;竹原纤维的加入在一定程度上增加了混凝土的内部缺陷,扩大了氯离子的扩散通道,因此降低了混凝土的抗氯离子侵蚀性能。 最后,结合压汞试验(MIP)和扫描电子显微镜(SEM),从微观角度进一步分析了竹原纤维混凝土的孔结构特征以及竹原纤维和混凝土界面的结合性能,揭示竹原纤维对混凝土的增强机理。压汞试验结果表明:添加竹原纤维使得混凝土内部形成了多孔的薄弱区,弱化了基体的孔隙结构。当竹原纤维掺量为1.0%、长度为20mm且骨料最大粒径为10mm时,混凝土的微孔结构分布最佳,其内部的有害孔数量占比也相对较低。扫描电镜结果表明:1.0%掺量的竹原纤维混凝土的裂缝宽度小于0.5%掺量的竹原纤维混凝土。进一步增加纤维长度和骨料粒径会导致竹原纤维团聚,在微观层面增加基体的孔隙率;竹原纤维表面独特的粗糙度有利于更好地吸附水泥的水化产物,保证了纤维与基体之间的界面结合。

关键词： 风积沙   硅灰   力学性能   孔隙结构   盐冻融损伤  

摘要： 本文利用风积沙与硅灰制备风积沙硅灰混凝土,其中风积沙以30%、40%、50%的替代率等质量替代混凝土中的细集料。但风积沙混凝土在力学性能及耐久性能均存在一定的不足之处,因此将硅灰引入风积沙混凝土中等质量替代水泥,替代率为0%、5%、10%、15%。对十二组混凝土进行工作性能试验与力学性能试验,并通过NMR核磁共振试验、TG-DTA差热-热重试验、SEM电子显微镜观测试验观察其内部微观结构变化,并建立GM抗压强度预测模型。在耐久性方面对风积沙硅灰混凝土进行盐冻融循环试验,并通过Weibull理论对混凝土在西北地区最大冻融循环次数做出预测。主要结论如下所示: （1）在硅灰掺量为0%时,混凝土工作性能随着风积沙掺量的上升而下降,抗压强度与劈裂抗拉强度先上升后下降。在风积沙掺量恒定时,随着硅灰掺量的增加,风积沙硅灰混凝土的工作性能下降,抗压强度与劈裂抗拉强度先上升后下降。其中,A40G10组的力学性能最优,结合SEM试验、NMR试验、TG-DTA试验说明混凝土此掺量下密实程度最高。 （2）风积沙硅灰混凝土在28d龄期内,A40G10组孔隙度与T2谱面积最小,束缚流体饱和度占比最高,自由流体饱和度占比最少,内部结构最为优越。同时通过微观形貌图和差热-热重试验数据对混凝土内部结构与水化产物进行分析,随着龄期的增加A40G10组混凝土内部变得更加致密,A40G10组的C-S-H凝胶相对含量最高、Ca（OH）2相对含量最低,40%风积沙、10%硅灰为混凝土最佳掺量。 （3）通过灰色系统理论对抗压强度与孔隙结构参数与孔径占比进行灰关联熵分析,其中束缚流体饱和度、0-0.01μm孔径占比和0.01-0.1μm孔径占比对混凝土抗压强度影响最大;基于分析结果建立GM（1,4）抗压强度预测模型,相对误差为2.27%,可以为实际工程提供依据。 （4）模拟我国内蒙古地区自然条件,对混凝土进行盐冻融循环试验。试验结果表明风积沙硅灰混凝土具有较好的抗盐冻性,根据Weibull理论计算损伤度,并通过损伤度计算其他相关参数,得出线性回归方程并构建冻融损伤模型,通过该模型对冻融循环次数进行预测,十二组混凝土在该工况最大冻融循环次数均超过200次,其中A40G10组达到264次。

关键词： 盐渍土   石灰   偏高岭土   力学性能   路用性能   边坡稳定性  

摘要： 滨海地区分布大量盐渍土,因其具有盐胀、腐蚀、溶陷等不良工程特性,不能直接应用于地基处理、路基加固以及边坡防护等领域。针对传统材料石灰改良盐渍土中,存在干缩大、易开裂、易软化、水稳性差等问题,也为了降低石灰用量,本课题通过以偏高岭土代替部分石灰,进行抗剪强度、抗压强度、水稳定性和干湿循环性能等方面的研究,分析了不同配合比、养护龄期对力学性能的影响;分析不同浸水龄期、干湿循环次数对路用性能的影响,研究固化后的盐渍土样的性能变化的具体原因;同时通过使用带有SLOPE/W模块的Geo Studio软件建立路基边坡模型来分析改良盐渍土对路基边坡稳定性的影响。本文的主要研究内容和成果如下: (1)通过无侧限抗压强度试验与剪切强度试验,分析了偏高岭土掺量和养护龄期对石灰改良盐渍土力学性能的影响。研究发现,偏高岭土的掺入对石灰改良土的抗压和剪切强度有明显的改善作用,Na Cl含量为1.3%,偏高岭土的掺入量为3.0%时,改良土的抗压强度最高可达1.33MPa,比单纯石灰改良土的抗压强度高出0.61 MPa;改良后的盐渍土的应力-应变曲线均为应变软化型,应力峰值明显增大;剪切强度、粘聚力c和内摩擦角φ随着偏高岭土掺量增加均呈现出明显增长的趋势。 (2)通过进行不同天数的浸水试验与不同循环次数的干湿循环试验,探讨了浸水天数和干湿循环次数对固化盐渍土路用性能的影响。试验结果表明,浸水后固化盐渍土试样展现了快速吸水的特性,吸水量持续增加,在5d后趋于基本稳定状态,水稳系数随浸水天数增加呈现下降趋势,添加偏高岭土的固化盐渍土水稳系数在整个浸水试验阶段均高于未掺加偏高岭土的固化盐渍土;在干湿循环作用下,固化土的质量损失率随干湿循环次数的增长而增大,抗压强度则呈现衰减趋势。 (3)通过运用GeoStudio软件中的SLOPE/W模块建立路基边坡模型来分析改良盐渍土的填筑厚度和坡度对边坡稳定性的影响。计算结果表明,当在边坡坡顶采用5cm的改良土填筑厚度,在坡面采用10cm的改良土填筑厚度时,边坡安全系数计算结果最优。根据最优填筑方案,计算1:1.25、1:1.5和1:1.75坡度时的安全系数,发现边坡的安全系数随坡降而增加,当坡度为1:1.75时,安全系数为最大。 图52表11参90

关键词： 土力学   膨润土颗粒   持水曲线   胀缩变形   孔隙尺寸分布   本构模型  

摘要： 膨润土颗粒材料因具有制备成本低、运输方便、施工工艺简单等优点，被看作是高放废物深地质处置库一种新型的缓冲回填材料。以我国高庙子(GMZ)膨润土为对象，采用气相平衡法开展吸力控制下膨润土颗粒的吸–脱湿试验，结合MIP微观测试技术，探究吸–脱湿过程中膨润土颗粒的持水特性、体变特性及微观结构特征。试验结果表明：(1)膨润土颗粒的吸湿/脱湿持水曲线在低吸力阶段基本一致，而在高吸力阶段呈现迟滞现象；(2)吸–脱湿过程中膨润土颗粒湿化膨胀、干化收缩，并在高吸力段产生不可恢复的塑性变形；(3)吸湿过程中，膨润土颗粒集合体间孔隙体积增加，孔隙分布曲线由“单峰”型向“双峰”型发展，而在后续脱湿过程中，集合体间孔隙无法完全恢复，孔隙分布曲线呈“双峰”特征；(4) BExM模型可较好地模拟吸–脱湿过程中膨润土颗粒的胀缩变形特征，并能反映水化过程中颗粒混合物集合体内孔隙、集合体间孔隙和颗粒间孔隙的演化规律。