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关键词： 海水海砂超高性能混凝土   石灰石   煅烧黏土   工作性能   力学性能   水化过程   抗氯离子侵蚀  

摘要： 海水海砂超高性能混凝土(Ultra-high performance seawater sea-sand concrete,简称UHPSSC)具有与传统超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,简称UHPC)相似的力学和耐久性能,且成本显著降低,近年来受到越来越多的关注。UHPSSC在海洋工程应用中具有显著的优势,特别是在建筑材料不易获取、运输成本较高的海上项目。尽管如此,由于UHPSSC低水胶比的特性,在生产过程中仍然消耗大量的水泥,导致二氧化碳的大量排放。本文根据石灰石煅烧粘土水泥(limestone calcined clay cement,简称LC3)三元体系作为粘结剂可以有效降低水泥用量的优点,研制了一种新型超高性能混凝土,即石灰石煅烧黏土海水海砂超高性能混凝土(Ultra-high-performance seawater sea-sand concrete incorporating limestone calcined clay cement,简称LC3-UHPSSC)。通过流动度试验、凝结时间试验、抗压强度测试、抗折强度测试、马沸炉煅烧试验、热重分析(Thermogravimetric analysis,TGA)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、快速氯离子迁移系数测试和自由氯离子浓度测试探讨了煅烧黏土掺量和养护方式对LC3-UHPSSC的工作性能、力学性能、水化过程以及抗氯离子侵蚀性能的影响规律。得到以下重要结论:(1)石灰石粉的加入对混合物的流动度无明显影响,但石灰石粉可以为水泥水化提供了额外的成核位点,促进了早期的水化,缩短凝结时间。随着煅烧黏土含量的增加,LC3-UHPSSC的流动性与凝结时间逐渐降低和提前,这与煅烧黏土的较小的粒度导致比表面积增大有关。(2)LC3-UHPSSC的抗压强度表现出随煅烧黏土掺量增加,抗压强度先增大后减小的趋势。最高水平为取代40%(10%石灰石粉+30%煅烧黏土)水泥情况下抗压强度不出现明显下降。煅烧黏土掺量为20%时,抗压强度最大,达到117.8MPa,且抗压强度不随龄期的增加而降低。未掺加钢纤维会导致后期抗折强度降低,添加钢纤维可以有效解决该问题。(3)海水养护对UHPC、UHPSSC和LC3-UHPSSC的抗压强度无明显影响,甚至有轻微的提升,但对抗折强度存在不利影响。热水养护对UHPC、UHPSSC和LC3-UHPSSC抗压强度和抗折强度均有不同程度的提升,80℃热水养护比40℃热水养护力学性能提升更显著。(4)随着煅烧黏土掺量的增加,主放热峰出现的时间逐渐提前,水化进程加快。海水的加入并不能促进LC3-UHPSSC的水化进程,但能在一定程度上提高其水化程度。铝酸盐峰与混合物中氯离子和硫酸根离子的含量有关,一定程度上反映石灰石煅烧黏土对海水中离子的化学结合。(5)不同龄期下的化学结合水和抗压强度有很好的相关性,采用马沸炉煅烧计算混合物中的化学结合水是可行的。通过微观水化测试在LC3-UHPSSC混合物中检测到了钙矾石、水镁石、水滑石、弗里德尔盐、斜方钙沸石、半碳型铝酸盐(Hemicarboaluminate,Hc)和单碳型铝酸盐(Monocarboaluminate,Mc)等水化产物。(6)相对于普通UHPSSC,LC3-UHPSSC具有更强的抗氯离子侵蚀性能,相同条件下其内部氯离子含量低于普通UHPSSC。一方面是由于石灰石煅烧黏土的加入优化了孔隙结构,使基体更加密实;另一方面石灰石煅烧黏土体系会与基体氯离子产生化学结合,降低内部自由氯离子含量。此外,热水养护可以提升基体外部抗氯离子侵蚀性能和内部氯离子的化学结合。

关键词： 聚丙烯纤维   玻璃混凝土   碱骨料反应   力学性能  

摘要： 随着施工技术的进步,建筑行业的兴起,从前遥不可及的高楼大厦跨海大桥如今都成为了现实。然而,从长远来看,建筑资源的消耗和建筑垃圾的产生带来了新的挑战。经研究发现,玻璃材料耐久性优良、质量轻便,按一定比例掺入混凝土中可以在某些方面起到改良的作用,但玻璃混凝土并没有得到广泛的应用,碱骨料反应以及力学性能的降低并没有得到充分的解决。因此,研究如何有效解决这一实际问题具有重要意义。 国内外学者大多对玻璃混凝土进行了力学性能的研究,并没有从根本上解决玻璃混凝土应用困难的问题。因此本文选择在玻璃混凝土中掺入聚丙烯纤维,制成纤维-玻璃混凝土（Fiber-glass concrete,简称F-GC）,改善玻璃混凝土的力学性能,并且延缓玻璃混凝土的碱骨料反应。本文以不同的纤维长度和纤维掺量作为变量,通过立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗折强度分析聚丙烯纤维对玻璃混凝土的力学性能的影响程度。并通过膨胀率、荷载-位移（挠度）曲线,衡量F-GC在非荷载作用下以及荷载作用下的变形性能和韧性,并对受弯荷载-挠度曲线上升段进行拟合,为今后F-GC的广泛应用提供理论依据。本文研究结果如下: （1）聚丙烯纤维的加入提升了F-GC的立方体抗压强度、轴心抗压强度和抗折强度。随着纤维掺量的增加,抗压强度先上升后下降,纤维掺量为1kg/m3时效果较好。F-GC的抗折强度变化与纤维分散性有较大关系,过多过长的聚丙烯纤维都会导致其性能劣化。 （2）对碱性环境下养护的F-GC试件进行抗压和抗折试验,发现有少量试件在碱性环境下养护的抗压强度高于清水养护,此时的抗压强度可能与玻璃骨料取代形式有关。清水养护下试件的抗折强度均高于碱性环境下养护,抗折强度随纤维掺量的增加而平稳增加。说明碱骨料反应在一定条件下对抗压强度有益,但对抗折强度是致命的。 （3）F-GC试件在碱性环境下养护会发生碱骨料反应,导致体积膨胀。试件膨胀率随养护龄期的增长而增加。加入聚丙烯纤维可以有效降低试件的膨胀,但不能阻断碱骨料反应的发生。应合理选择纤维掺量及尺寸,否则将产生负面影响。 （4）F-GC荷载作用下的变形能力通过受压荷载-位移曲线和受弯荷载-挠度曲线与坐标轴围成的面积来描述。加入聚丙烯纤维后曲线开口更大,下降更平稳,具有更好的韧性。试件的变形抵抗能力随着纤维掺量和纤维长度的增加而增强,表现出更好的延性。

关键词： 沙棘   力学特性   根-土复合体   抗剪特性  

摘要： 内蒙古中西部地区气候条件和地貌类型复杂多样,从而形成了敏感的环境脆弱生态区,多少年来一直致力于通过植物措施,对破损的生态环境进行修复。在对抗土壤风力侵蚀的过程中,植被地上部分枝条通过多种方式有效地减弱风速、阻止风力对地面土壤颗粒的分散和迁移,包括地面的遮盖、风力的分化以及截留沙尘等。而植物根系在土体中的交叉、纠缠且与土体相互作用,对土体形成类似“加筋”和“固锚”作用,以此来提高土体抵抗外界的各种侵蚀力,成为植物固土能力的主要表现。林木根系对土体力学特性的增强作用即为根系的固土作用,而根系对土体抗剪性能的增强则是根系固土作用的主要力学机制之一。本文以内蒙古半干旱区乡土树种沙棘(Hippophae rhamnoides Linn.)非生长季单枝和根系为研究对象,进行枝条的抗拉、抗弯和抗折力学特性的研究,分析其差异性,揭示沙棘非生长季单枝易破坏的外力类型。研究单根的极限抗拉、抗折材料力学特性,揭示其易破坏的外力类型;进行根土复合体剪切试验研究,分析根系直径、埋根数、埋根方式以及土壤水分、土壤种类和剪切速率等内外因子对沙棘根土复合体抗剪特性的影响。为揭示沙棘枝条根系防风固土的力学特性,也为内蒙古半干旱生态脆弱区及其相似地区生态修复和植被建设中优良水土保持植物种的选择提供生物力学方面的参考依据。结果如下:一、沙棘非生长季单枝在测试直径0.5-2.5mm范围内,极限抗拉强度的大小表现为长度60mm>长度100mm>长度80mm。在长度比较下极限抗拉力、极限抗拉强度无明显显著性。单枝极限抗拉力、抗折力与抗弯力均随直径的增加而增大,直径与单枝极限抗拉力、抗折力与抗弯力均呈显著的正相关,但递增函数不同。枝长对非生长季单枝的极限抗拉力与抗折力的影响不明显;抗弯力随枝长的增加而增大。沙棘非生长季单枝的极限抗拉强度、抗折强度与抗弯强度均随直径的增加而减小,直径与极限抗拉强度、抗折强度与抗弯强度均呈显著的负相关,但递减函数不同。枝长因子对非生长季单枝的极限抗拉强度与抗折强度的影响不明显;抗弯强度随非生长季单枝长度的增加而减小。二、在测试根径0.5-4.5 mm范围内,沙棘单根抗折力和极限抗拉力均随着直径的增长呈幂函数递增、且沙棘单根平均极限抗拉力(90.66 N)大于抗折力(45.98 N),其差值为44.67 N。沙棘单根极限抗拉强度、抗折强度均随着直径的增长无明显变化规律;沙棘单根平均极限抗拉强度(19.97 MPa)大于抗折强度(8.07 MPa),单根极限抗拉强度与抗折强度的差值为11.9 MPa。表明沙棘单根易破坏的外力类型为径向折力。三、根土复合体直剪试验研究中,根-土复合体抗剪强度在12.5k Pa下相对于素土的增长率为35%,明显大于25k Pa下的增长率-12%。表明,沙棘根系在其密集分布层80cm左右浅层土,提高土体抗剪强度的作用明显,即对浅层土体固土效果更好。从抗剪强度指标的增长率来看,粘聚力c的增长率为28%,内摩擦角φ的增长率为-14%,表明根土复合体抗剪强度的提高,其中粘聚力发挥重要作用。根土复合体抗剪特性的影响因素研究包括:土壤含水率、根系直径、埋根数、剪切速率、埋根方式等。具体研究结论为:(1)素土和根-土复合体粘聚力随着土壤含水率的增加呈先增加后减少的趋势。素土粘聚力均小于根-土复合体的粘聚力。同时根-土复合体在含水率为16.5%时对应粘聚力的峰值为13.79k Pa,含水率为12.5%时对应粘聚力的次大值,为9.87k Pa。(2)在潜层土压力12.5k Pa下,抗剪强度随着根系直径的增加而增加,粘聚力随根系直径的增加呈单峰曲线型,且内摩擦角的曲线变化幅度呈先减小后增大的趋势。(3)根-土复合体在浅层土(12.5k Pa)压力下布根数量为4根时,对应抗剪强度的峰值为18.95k Pa。且峰值随着垂直荷载的增加而增加,粘聚力随根系直径的增加呈单峰曲线型,其中粘聚力的峰值对应布根数量为4根时的10.65k Pa,内摩擦角的峰值对应布根数量为10根时的37.79°,且内摩擦角的曲线变化幅度呈先增大再减小的趋势,即随着埋根数量的变化内黏聚力的变化比较明显。(4)在12.5k Pa,剪切速率为快剪(0.8mm/min)时的抗剪强度大于其慢剪(0.1mm/min)时的抗剪强度。根-土复合体粘聚力大于素土,内摩擦角相反。(5)在12.5kpa,5种埋根方式下的抗剪强度都大于素土,抗剪强度增长率大小依次为垂直十字埋根方式(46.92%,18.82%)>垂直平行埋根方式(33.59%,10.69%)>垂直五边形埋根方式(28.34%,9.79%)>三平两竖埋根方式(19.67%,16.66%)>水平平行埋根方式(15.84%,8.05%);5种埋根方式下的粘聚力均大于素土,其排序为垂直十字埋根方式(174.33%)>垂直平行埋根方式(

关键词： 再生混凝土   沥青混合料   有限元   强度   断裂韧性   阻尼比  

摘要： 随着高速公路行业的迅速发展,产生了大量沥青路面铣刨料(Reclaimed Asphalt Pavement,简称RAP),即表面包裹着沥青的碎石。这些RAP材料无法完全被回收利用,造成了严重的的资源浪费和环境污染。为了增加RAP的回收量,同时实现混凝土增韧减脆,本课题将RAP材料作为一种特殊的粗骨料,按照一定比例取代普通碎石粗骨料,制成RAP再生混凝土。通过物理试验和三维仿真双线并行,研究了不同取代率的RAP再生混凝土各项性能的变化规律,并基于强度、韧性和动力特性等指标,得到合理的RAP取代率参考值。本文的主要工作与结论如下: 试验研究了取代率分别为0、10%、15%、20%和30%的五组RAP再生混凝土试件,对比分析其力学性能和阻尼性能。结果表明,随着RAP取代率的增加,混凝土的早期强度和28d强度均下降,但当取代率在20%以内时,强度可达到基准组的80%以上;失稳韧度、断裂能和延性指数则逐渐增大,三者变化规律基本一致,分别增长了176%、47%和43%;阻尼比逐渐增加,在取代率为15%～20%范围内增长最快,相对基准组提升达3倍以上。 基于Abaqus有限元软件建立了三维仿真模型,对不同RAP取代率的混凝土模型进行力学性能分析。结果表明,掺入RAP材料的各模型损伤程度随着取代率的增加而不断恶化;抗压强度降低约20%,劈拉强度降低约10%;荷载-位移曲线下降段显著缓和,包络面积逐渐增加,峰值后位移约为基准组的4倍,展现出明显的延性破坏特征。最后,对模型进行参数化分析,探究了砂浆强度、沥青老化程度和骨料矿物类型对RAP再生混凝土强度和韧性性能的影响,发现砂浆强度越高,混凝土的表现越好,但增益作用有限;沥青老化程度对混凝土性能无明显影响;玄武岩骨料构成的混凝土性能最佳,花岗岩骨料次之,石灰岩骨料最差。

关键词： 超高性能地聚合物混凝土   陶瓷球粗骨料   力学性能   弹体侵彻   数值模拟  

摘要： 超高性能地聚合物混凝土(Ultra-high performance geopolymer concrete,简称UHPGC)是一种低碳绿色环保的工程材料。本研究拟在UHPGC的基础上,加入中铝陶瓷球作为粗骨料,系统研究了陶瓷球粒径(3 mm、6 mm和10 mm)、陶瓷球掺量(0、10 vol-%、20 vol-%和30 vol-%)和钢纤维掺量(0、0.6 vol-%、1.2 vol-%和1.8 vol-%)对UHPGC流动性、变形性能、单轴抗压和抗弯性能的影响规律,并结合电镜扫描(Scanning electron microscope,简称SEM)进行微观形貌观测,讨论分析了上述参数对UHPGC力学性能的影响机理。最后,分别用了有限元(Finite-element,简称FE)和光滑粒子流(Smooth particle hydrodynamics,简称SPH)两种方法对含有陶瓷球粗骨料的UHPGC靶体在弹体侵彻作用下的动态响应进行了数值模拟,并与相关试验结果进行了比较和分析。本文研究主要内容和结论如下:(1)研究了陶瓷球和钢纤维参数对UHPGC扩展度的影响,结果表明在钢纤维掺量为0-1.8 vol-%的范围内,UHPGC的扩展度会随着钢纤维掺量的增加而下降;当钢纤维掺量为1.2 vol-%时,随着陶瓷球粒径的增大(3 mm-10 mm)或掺量的增加(0-30 vol-%),UHPGC的可加工性能总体呈现下降规律。(2)研究了陶瓷球及钢纤维参数对UHPGC单轴抗压性能的影响,结果表明在不含陶瓷球的试样中,UHPGC抗压强度随着钢纤维掺量的增加而增加;在含20 vol-%6 mm陶瓷球的试样中,掺有0.6 vol-%钢纤维的UHPGC得到最大的抗压强度为176.8 MPa,而后随着钢纤维含量继续增加,UHPGC抗压强度逐渐下降;此外,在含1.2 vol-%钢纤维的UHPGC中,陶瓷球尺寸为3 mm-6 mm和掺量在10 vol-%-20 vol-%时,其抗压强度较高,随后随着陶瓷球尺寸继续增大或掺量继续增加,抗压强度会有限下降。(3)研究了陶瓷球及钢纤维参数对UHPGC抗弯性能的影响,结果表明在不含陶瓷球的UHPGC中,基体抗折强度均随着钢纤维含量的增加而增加;在含20 vol-%6 mm陶瓷球的UHPGC中,钢纤维掺量为0.6 vol-%-1.2 vol-%时的UHPGC表现出较好的抗折性能;在钢纤维掺量为1.2 vol-%和陶瓷球掺量为20 vol-%时,随着陶瓷球粒径的增加(3mm-10 mm),UHPGC抗折强度先增加后趋于稳定。此外,通过荷载-挠度曲线研究了UHPGC的韧性,发现钢纤维能有效增强基体的韧性,而陶瓷球粒径的增大或掺量的增加则会使韧性有效下降。(4)采用K&C混凝土动态材料本构模型对含有陶瓷球粗骨料的UHPGC靶体在弹体侵彻作用下的动态响应进行了宏观层面数值模拟,通过比较FE和SPH两种数值模拟方法,发现SPH法的模拟结果更接近于试验数据。

关键词： 纳米二氧化硅   玻璃纤维   轻骨料   力学性能   响应面法  

摘要： 装配式建筑的发展受制于交通运输成本及运输与施工过程中的额外损耗,导致装配式建筑推广效率低且效果不佳。以轻骨料取代普通骨料,混凝土获得自重小、降低运输成本等优点。将玻璃纤维掺入混凝土中,玻璃纤维混凝土（Glass fiber reinforced concrete,GFRC）具备韧性高、抗裂性能优异等优点。将二者结合将是一种理想的装配式建筑材料。然而,玻璃纤维轻骨料混凝土抗压强度稍低,难以满足承重构件的承载力要求。因此,以不同的方式掺入纳米二氧化硅（Nano-SiO2,NS）,进一步改善玻璃纤维混凝土的力学性能。 为了研究轻骨料、玻璃纤维长度与玻璃纤维掺量之间交互作用对混凝土力学性能的影响（表观密度仍大于1950 kg/m3）,以这3个因素作为自变量,用不同水平掺入,采用响应面法中心表面复合设计,进行了GFRC的基本力学性能实验研究（抗压强度、劈裂抗拉强度）,总结这3个自变量对混凝土力学性能影响规律,建立了2个响应（抗压强度、劈裂抗拉强度）与3个自变量的关系,并得到了最佳配合比。其次,将最佳配比作为后续试验的对照组,以3种不同的方式将NS掺入中GFRC,进行了抗压强度与劈裂抗拉强度试验,得到了改性后的最优组;最终,分别以对照组与改性后最优组的配合比各制作一根梁,并进行了梁三分点加载试验。通过上述研究得出以下结论: 1.以响应面法分析抗压强度发现,玻璃纤维长度和玻璃纤维掺量两因素之间的交互作用最强。以响应面法分析劈裂抗拉强度发现,玻璃纤维掺量与玻璃纤维长度交互作用不明显。轻骨料与玻璃纤维长度或玻璃纤维掺量之间的交互作用对抗压强度及劈裂抗拉强度影响不显著。 2.经过NS改性后的GFRC抗压强度最高可提高4.9MPa,提升了10%;其劈裂抗拉强度最高可提高了0.7MPa,提升了25%。通过改变掺入方式可以将NS靶向作用于玻璃纤维与骨料的表面,最大程度发挥了NS的优化界面作用,还减缓玻璃纤维侵蚀。改善掺入方式将提高界面纳米二氧化硅的浓度,充分发挥其改性作用。通过试验得出轻骨料混凝土未掺入NS前的最佳配合比与掺入NS后的最优组。 3.将梁2（NS改性后）与梁1对比发现极限弯矩提高了33%,两个梁的沿梁跨中截面高的平均应变基本符合平截面假设,为GFRC梁正截面受弯承载力的理论计算提供了有力的依据。

关键词： 有机质浸染砂   抗压强度   响应面   配合比  

摘要： 海南省作为全球最大的自由贸易港,经济发展展现出巨大的潜力,大批工程建设项目落户海南。在海南海岸带地区广泛存在着富含有机质的砂土,并且有机质是通过浸染的特殊方式存在其中,这种特殊的砂土称为有机质浸染砂。有机质浸染砂对工程的建设存在不利影响,往往造成复合地基强度降低、混凝土浇筑强度低,现场浇筑难以成桩等问题,影响到工程项目的成本、预算、周期等。因此本文以有机质浸染砂为试验研究对象,进行有机质浸染砂水泥土的配比试验,来改善其性能,并对其微观机理进行阐释。论文的主要内容和结论如下: 本论文首先对有机质浸染砂进行了基本的土工试验,得到该砂土的基本力学特性;然后通过无侧限抗压试验,研究有机质浸染砂改性土抗压强度的影响因素及变化规律;接着利用响应面法开展响应面试验,从而确定有机质浸染砂改性土的最优配合比,并给出抗压强度预测公式;最后通过微观试验从定量角度探讨宏微观之间的联系。 (1)对有机质浸染砂进行基本物理试验,了解其基本物理性质,得出了有机质浸染砂的颗粒级配、有机质含量等物理特性。有机质浸染砂是一种粒径较小、分布均匀、级配不良的砂土,且有机质含量比较高,含量为5.32%。 (2)对有机质浸染砂水泥土进行无侧限抗压试验,探讨了石灰掺量、有机质含量、水灰比对抗压强度的影响规律。随着有机质含量的增大,抗压强度先减小后增大再减小;随着石灰掺量的增大,抗压强度先增大后减小;随着水灰比的增大,抗压强度先增大后减小。并且通过影响规律将最优配合比中的石灰掺量选取范围缩小在5%-10%之间,最优配合比中的水灰比选取范围缩小在0.40-0.55之间,使得响应面试验可以省略爬坡试验这一环节。 (3)通过响应面试验得到了有机质浸染砂水泥土的7天、14天、28天最优配合比,并且建立了强度预测公式。可以通过水灰比、石灰掺量和有机质含量三个影响因素对有机质浸染砂水泥土7天、14天、28天的抗压强度进行预测。并用7天的最优配合比水泥土进行验证,结果基本符合,因此该预测公式可以为相关工程项目做参考,以期减少试验的数量、周期,节省成本、时间。 (4)通对微观试验对有机质浸染砂改性土试样进行微观定量分析。通过微观颗粒粒径、孔隙直径、丰度、定向角、等微观定量指标来表征有机质浸染砂水泥土的内部结构。

ISBN: (纸本)9787576325249

关键词： 混杂纤维增强混凝土   单掺纤维增强混凝土   结构型玄武岩纤维   抗冲击性能   混杂纤维增强指数  

摘要： 混凝土是现代工程建设中应用最广泛的建筑材料之一,然而其作为脆性材料存在抗拉强度低、韧性差等缺点,难以满足对于建筑材料轻质、高性能、高耐久的要求。纤维增强混凝土作为一种新型复合材料,自发明以来受到广泛关注与重视,相较于素混凝土,其脆性特征明显改善,抗弯强度、材料韧性和耐久性能等具有不同程度的提升。纤维按直径大小可分类为非结构型纤维和结构型纤维两种形式,非结构型纤维主要限制微裂缝的发生和开展,改善混凝土的裂前性能;结构型纤维主要抑制宏观裂缝开展,有效提升混凝土裂后性能。基于混凝土材料的多相结构特征和多阶段开裂过程,掺入混杂纤维对提升混凝土材料综合性能具有重要研究意义。将非结构型纤维与结构型纤维混杂掺入混凝土中,综合发挥增强增韧作用,从微观和宏观尺度共同限制裂缝发生和开展,形成具有良好综合性能的多尺度混杂纤维增强混凝土。本文旨在对多尺度混杂纤维增强混凝土抗压性能、劈裂抗拉性能和抗冲击性能进行研究,并基于综合性能进行拟合评价。主要研究如下: (1)研究单掺纤维对混凝土抗压性能和劈裂抗拉性能的影响。通过立方体抗压试验和劈裂抗拉试验观察试件破坏模式,并记录破坏荷载,试验参数包括非结构型纤维弹性模量和结构型纤维弹性模量。试验结果表明,相较于素混凝土,纤维增强混凝土的抗压和劈裂抗拉破坏形态明显改善,非结构型纤维的掺入改善了试件表面剥落情况,结构型纤维的掺入改善了试件完整性和破坏延性。混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度均随着结构型纤维弹性模量的增加而增加,其中,聚乙烯醇纤维、玄武岩纤维和钢纤维使试件抗压强度提升了6.2%～11.0%,使试件劈裂抗拉强度提升了15.3%～18.9%。混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度在误差范围内整体随非结构型纤维弹性模量的增加而增加,其中非结构型聚乙烯醇纤维的增强作用略高于非结构型玄武岩纤维。 (2)研究多尺度混杂纤维对混凝土抗压性能和劈裂抗拉性能的影响。通过试验加载测试,分别探究非结构型纤维和结构型纤维对多尺度混杂纤维增强混凝土基本力学性能的影响,试验参数包括非结构型纤维弹性模量和体积掺量、结构型纤维弹性模量和体积掺量。结果表明,多尺度混杂纤维的掺入显著提高了混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度,相较于素混凝土,最高提升幅度分别可达32.0%和48.7%。随着结构型纤维弹性模量增加,混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度增加,且纤维总体积掺量为2.0%时性能提升作用越优。多尺度混杂纤维增强混凝土抗压及劈裂抗拉性能与非结构型纤维弹性模量间存在一定程度的递增关系。 (3)研究多尺度混杂纤维对混凝土抗冲击性能的影响。通过落锤冲击试验观察试件破坏过程并记录冲击次数,试验参数包括纤维体积掺量和弹性模量。试验发现,素混凝土试件和单掺非结构型玄武岩纤维增强混凝土试件脆性破坏,而掺有结构型纤维的混凝土试件表现出显著的延性破坏特征。结果表明,非结构型纤维显著提升混凝土冲击初裂次数,结构型纤维显著提升混凝土冲击破坏次数,提升效果随纤维体积掺量的增加而增加。两种纤维有效混杂后,表现出“1+1>2”的正混杂效应。各试验组冲击次数良好服从于两参数Weibull分布函数,线性拟合函数相关系数均大于0.9,不同失效概率下的冲击寿命预测值与试验值的变化规律相对应。 (4)探究多尺度混杂纤维增强混凝土力学性能拟合及评价。基于试验结果,通过基准函数建立混杂纤维增强指数与多尺度混杂纤维增强混凝土力学性能间的拟合模型,并采用TOPSIS综合分析法对不同多尺度混杂组合进行多目标分析评价。结果表明,二次函数的拟合相关性优于一次基准函数,混杂纤维增强指数的最佳范围为0.3-0.5;多尺度混杂纤维增强混凝土相较于素混凝土和单掺纤维增强混凝土,距离理想解的相对贴近度更高,具有更为优异的综合性能。

关键词： 水铁矿   高岭土   固结特性   力学性质   渗透性   扫描电镜试验  

摘要： 在我国南方分布有大面积的花岗岩风化土,其主要成分为高岭石和石英,以及含有少量的铁氧化物等,其中高岭石含量最高,铁氧化物有多种形式如针铁矿和赤铁矿等,虽然其含量较低(一般在5-10%不等),但由于其具有较强胶体活性,对土体的工程性质(如崩解性、力学强度、渗透性等)有重要影响。为了探究铁氧化物胶体对风化土体性质的影响,通过人工制备水铁矿并掺入高岭土中,研究水铁矿含量对高岭土性质的影响规律及其相互作用机理。通过对不同水铁矿含量高岭土进行标准固结试验、固结不排水(CU)三轴剪切试验、不固结不排水(UU)三轴剪切试验和渗透试验,探究水铁矿含量对高岭土物理力学性质的影响,并通过扫描电镜试验观测其微观结构,分析其相互作用机理。本文主要得到的结论如下:(1)通过标准固结试验研究了水铁矿含量对高岭土固结特性的影响。结果表明:0-3200k Pa固结压力下其余水铁矿含量高岭土与0%水铁矿含量高岭土相比,试样高度总变形、压缩系数、压缩指数呈下降趋势,7%水铁矿含量时这三个指标达到最小值;压缩模量和固结系数呈上升趋势,7%水铁矿含量时达到最大值;100-200k Pa固结压力下,压缩模量可以更好评价土体压缩性,5%和7%水铁矿含量的高岭土达到中等压缩性土水平。7%水铁矿含量对高岭土的固结特性影响最明显。(2)通过三轴剪切试验研究了水铁矿含量对高岭土力学强度的影响。结果表明:在不同条件不排水剪切试验下,其余含量水铁矿高岭土的偏应力峰值、黏聚力和内摩擦角与0%水铁矿含量高岭土相比均有所提升,7%水铁矿含量高岭土均出现最大值;对比不同条件不排水剪切试验结果发现7%水铁矿含量UU试验条件下黏聚力为同含量CU试验条件下的1.68倍;7%水铁矿含量CU试验下内摩擦角与同含量UU试验条件下相差2.11°,为UU试验内摩擦角的1.18倍。(3)通过扫描电镜试验研究了水铁矿与高岭土的微观结构,分析其相互作用机理。结果表明:水铁矿可以影响高岭土力学性质主要受到絮状胶体胶结作用、团状物之间桥状结构联结、颗粒之间相互嵌入和电荷之间消散这四种因素的影响。但过少的水铁矿其影响结果较小,而过多的水铁矿之间相互吸引聚集成团,使得土颗粒有效接触面积降低,表现为7%水铁矿含量时高岭土抗剪强度指标出现峰值。(4)通过柔性壁渗透试验研究了水铁矿含量对高岭土渗透特性改变规律。结果表明:其余水铁矿含量改良高岭土与0%水铁矿含量高岭土相比抗渗性有所提升,在控制渗透压、围压两种变量情况下,5%水铁矿含量高岭土抗渗性提升最为明显,对应含量下渗透系数出现最小值次数最多。