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关键词： 新工科   安全工程   土力学与基坑安全   课程教学改革  

摘要： 新工科背景下，课程教学改革是培养具有良好职业素养工程人才的关键环节。文章以安全工程专业职业素养类课程“土力学与基坑安全”为例，分析课程教学改革的必要性、教学中存在的问题，并从知识图谱构建、课堂教学模式、工程实践能力训练以及考核方式等方面探讨了教学改革思路，以期为同类课程教学效果的提升提供参考。

关键词： 镉污染   路基红黏土   力学性能衰减   微观结构损伤   固化治理  

摘要： 红黏土作为工程建设的常用土体原料,是华南地区典型的路基土类之一。由于重金属污染元素的侵入导致土体微观矿物结构损伤、宏观力学性能劣化,严重影响了土体的工程使用性能。基于此,为了实现路基红黏土的高效利用,对镉污染路基红黏土的力学性能衰减机理进行深入探讨。本文以桂林地区路基红黏土为研究对象,制备不同养护龄期、不同镉离子浓度的镉污染红黏土试样,通过三轴压缩试验、无侧限抗压强度试验、扫描电镜试验及干缩开裂试验研究了围压、镉离子浓度、养护龄期对镉污染红黏土应力-应变关系曲线、抗剪强度及其指标、无侧限抗压强度和微细观结构的影响规律,揭示了镉污染红黏土宏观力学性质变化下的微观影响机制,并提出了重金属污染红黏土路基的固化治理措施。主要的研究内容和结论如下:(1)基于三轴压缩试验研究了围压、镉离子浓度及养护龄期对镉污染红黏土应力-应变曲线、抗剪强度及其指标的影响。结果表明:在不同围压、不同镉离子浓度、不同养护龄期作用下镉污染红黏土的应力-应变关系曲线均呈应变硬化型。随着围压的增大,镉污染红黏土的抗剪强度呈线性函数关系增大。随着镉离子浓度的增大,低养护龄期镉污染红黏土的抗剪强度及黏聚力呈增大趋势,而中高养护龄期时呈减小趋势;不同养护龄期镉污染红黏土的内摩擦角均呈波动增大的趋势。随着养护龄期的增大,低浓度镉污染红黏土的抗剪强度及黏聚力呈增大趋势,而中高浓度时呈减小趋势;不同浓度镉污染红黏土的内摩擦角均呈增大的趋势。(2)基于无侧限抗压强度试验研究了镉离子浓度及养护龄期对镉污染红黏土无侧限抗压强度的影响。结果表明:随着镉离子浓度的增大,7d养护龄期镉污染红黏土的无侧限抗压强度呈先减小后增大的趋势,而14d、28d、56d养护龄期时呈先增大后减小的趋势。随着养护龄期的增加,不同浓度镉污染红黏土的无侧限抗压强度均呈先增加后降低的趋势。(3)基于扫描电镜试验和干缩开裂试验分析了镉污染红黏土微细观结构特征。结果表明:镉离子的侵蚀作用使得红黏土出现较多的不稳定接触点和碎屑物质。随着镉离子浓度的增大,土体中的孔隙和裂隙数量增加;随着养护龄期的增加,土体中的裂隙、孔隙不断发育,碎屑颗粒和叠片状结构单体增多,且大量碎散块状颗粒附着在单元体表面,土体的微观结构发生明显改变。在失水收缩的过程中,红黏土裂隙数量较少且呈单项扩展,未出现贯通裂隙面,土体整体性较好;镉污染红黏土裂隙数量较多且呈多项扩展,裂隙基本贯通整个土样表面,土体整体性破坏严重。

关键词： 盐渍土   冻融循环   凹凸棒土   力学特性   纳米改性  

摘要： 据统计,我国土壤盐渍化区域面积现已占到国土面积的3.8%,且分布范围极其广泛,覆盖沿海至内陆的各气候带。其中西北、东北地区是我国具有代表性的土壤盐渍化问题严重泛滥地区,同时也集中分布了大量多年冻土和季节性冻土。冻融环境下的土壤盐渍化问题极易造成地基变形、建构筑物失稳破坏等工程灾害,严重威胁工程建设的生产安全,给地区发展和生态保护造成极大的挑战。鉴于西北、东北地区之于我国的重要战略发展地位,对冻融环境下盐渍土的力学特性和改良治理开展深入探索是具有客观现实意义的。本文以硫酸钠盐渍土、碳酸钠盐渍土为研究对象,开展室内三轴压缩试验、单向冻融循环试验,研究两类盐渍土在冻融循环条件下的强度、变形等力学特性的变化规律,探讨纳米凹凸棒土改良剂对两类盐渍土力学特性的改良效果,并建立了盐渍土双硬化本构模型。主要研究结果如下: (1)对硫酸钠盐渍土、碳酸钠盐渍土开展三轴压缩试验,并以不含盐的黏土作为对照,从应力、孔压、强度等角度,研究两类盐渍土在不同围压、冻融次数、盐的类型及含量等条件下的力学特性表现。发现两类盐渍土的应力、孔压发展趋势相似,均呈应变硬化特性。黏土中盐分的掺入,对土体强度具有显著的削弱作用,削弱程度随含盐量增加而持续加剧。整体而言,硫酸钠对土体在冻融环境下力学特性表现的影响程度比碳酸钠更剧烈。 (2)考虑有效应力抗剪强度参数,发现冻融循环对黏土与硫酸钠、碳酸钠盐渍土的抗剪强度具有持续的劣化效应,冻融次数越多,劣化程度越严重。各组土样的有效黏聚力、有效内摩擦角均随冻融次数的增加而持续降低。黏土冻融后,有效内摩擦角折减幅度大于有效黏聚力;而硫酸钠、碳酸钠盐渍土冻融后,有效黏聚力折减幅度大于有效内摩擦角。5次冻融为有效黏聚力、有效内摩擦角在冻融环境下折减过程的拐点,5次冻融内折减迅速,5次以后变化不显著。 (3)在双硬化本构模型的基础上,根据不同的试验条件调整硬化参数,引入盐分、冻融、围压等因素的影响,建立了冻融环境下盐渍土双硬化本构模型。通过模型计算,对三轴试验中的主应力差、孔压变化进行验证,计算验证结果整体比较符合实际,并且可以切实反映出围压对土颗粒的压密作用以及冻融对土样强度的弱化效应。 (4)以纳米凹凸棒土作为改良剂,按照不同掺量掺入硫酸钠、碳酸钠盐渍土,比较不同掺量的纳米凹凸棒土对两类盐渍土力学特性的改良效果并分析其改性作用机理。发现纳米凹凸棒土改良两类盐渍土力学特性时存在相对最优掺量,过量掺入纳米凹凸棒土反而不利于提高改性盐渍土的抗剪强度。 (5)通过开展封闭环境下的单向冻融循环试验,从温度、变形、含水率等角度研究纳米凹凸棒土对硫酸钠、碳酸钠盐渍土的盐冻胀特性的改良效果。发现改性硫酸钠盐渍土的盐冻胀特性表现最佳时的纳米凹凸棒土掺量与三轴试验所得到的最优掺量一致。按照三轴试验建议的最优掺量掺入纳米凹凸棒土对碳酸钠盐渍土进行改性处理,亦可使其盐冻胀变形发展取得可观的改良效果。

关键词： 蒸养混凝土   力学性能   微结构特征   盐雾环境   氯离子传输  

摘要： 我国高速铁路的轨道板等关键轨道结构大量采用蒸养混凝土预制构件,在其生产实践中常出现表面开裂、内部孔隙粗化等缺陷,对轨道结构的安全性和耐久性产生不利影响。对服役于滨海地区的轨道结构,上述缺陷可为海洋环境中的氯离子等侵蚀性介质的侵入提供通道,对高速铁路的运营安全和服役寿命提出了更为严峻的挑战。鉴于此,本文以高速铁路用蒸养混凝土为主要研究对象,运用多种测试手段和表征方法,系统研究了蒸养混凝土的水化产物、微结构特征、抗压强度等基本物理力学性能及其在盐雾环境下的氯离子传输性能。修正了盐雾环境下蒸养混凝土的氯离子传输模型,并基于试验结果预测了高速铁路用蒸养混凝土预制构件的服役寿命。论文主要研究成果如下:(1)对比研究了养护制度、龄期、胶凝体系组成对混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和弹性模量的影响规律,并结合X射线衍射和热重测试讨论了蒸汽养护对胶凝材料水化的影响。结果表明:蒸汽养护提高了混凝土7d抗压强度和弹性模量,其中7d龄期时立方体抗压强度的增长幅度在8%～25%之间,弹性模量仅提高了3%左右,但蒸汽养护对混凝土长期力学性能产生了不利影响。F20S10组蒸养混凝土氢氧化钙含量最少,说明粉煤灰+矿粉的多元复合效应能够提高胶凝体系的二次水化程度,改善混凝土后期物理力学性能。(2)采用压汞、低场核磁、超景深显微镜成像、毛细吸水特征等多种表征手段对标养和蒸养混凝土的孔结构进行多尺度联合表征,并利用扫描电子显微镜对浆体-骨料界面进行科学表征。结果表明:蒸汽养护提高了混凝土中大毛细孔的占比,增大了毛细孔孔径和浆体-骨料界面的疏松程度。粉煤灰、矿粉的掺加并不会降低混凝土的孔隙率,但能优化蒸养混凝土的孔结构,降低多害孔(>200nm)的比例,减小毛细吸水系数,其中90d时多害孔的降低幅度可达4%,毛细吸水系数减小了11.5%以上。水泥-粉煤灰-矿粉三元胶凝体系的浆体-骨料界面较为密实,孔隙率较低,孔结构的分布也较为优异。(3)进行蒸养混凝土的海洋大气区实海暴露试验和室内盐雾加速试验,分析了养护条件、胶凝体系组成、温度条件和侵蚀时间对氯离子传输的影响。结果表明:蒸养混凝土和标养混凝土在实海暴露13个月时的氯离子侵蚀深度几乎相同,均在4mm左右,但蒸养混凝土的氯离子含量较高、扩散系数较大。实海暴露试验和室内盐雾试验所得结果有着相似的规律,即F20S10组混凝土有着良好的蒸养适用性,盐雾环境下迁移到基体内部的自由氯离子相对较少。蒸养混凝土的氯离子扩散系数随着温度的升高而越大,随着侵蚀时间的推移而逐渐减小。蒸养混凝土的扩散系数与干湿循环次数有着幂函数型关系,表面氯离子含量与干湿循环次数的对数型时变模型相关关系最优;扩散系数与温度大体呈线性关系。(4)根据蒸养混凝土氯离子传输试验的测试结果,基于氯离子结合、暴露时间和试验温度三方面对盐雾环境下蒸养混凝土的氯离子传输模型进行修正。结论如下:蒸养混凝土的氯离子结合符合线性结合理论,F20S10组蒸养混凝土在盐雾环境中的氯离子结合系数为0.365;时间衰减系数m可取0.646;氯离子在扩散时的活化能为2.2×10J/mol;基于上述参数对盐雾环境中的蒸养混凝土预制构件进行寿命预测,得出使用寿命为70年。

关键词： 透水混凝土   废弃玻璃粉   透水性能   力学性能   抗硫酸盐侵蚀性能  

摘要： 我国的城镇化建设正日益完善,在带来生活便利的同时也出现许多问题,比如“热岛效应”、“噪音污染”、“城市内涝”等现象。因此,我国于2012年提出“海绵城市”这一概念。透水混凝土是一种多孔轻质混凝土,有着透水储水、吸声减噪的性能,是海绵城市路面建设重要的组成部分,但透水混凝土独特的孔隙结构会降低自身力学、耐久性能,使其应用推广受到限制。我国江浙地区常年受到酸雨危害,该地区透水混凝土路面有受到硫酸盐侵蚀的风险,因此提升透水混凝土抗硫酸盐侵蚀能力对其应用发展具有重要意义。目前玻璃制品应用广泛,每年都会产生大量的玻璃废弃物,这会对环境造成严重污染。若能将以废弃玻璃为原材料的废弃玻璃粉应用于透水混凝土中,既为玻璃回收再利用提供新思路,也可提高透水混凝土的力学、耐久性能。本文主要研究内容及结论如下:(1)将粉煤灰与粒径为400目、1000目、2000目的废弃玻璃粉按水泥质量的10%、20%、30%掺入水泥胶砂试件中,进行流动度、力学性能、火山灰活性试验。掺入400目的玻璃粉可以提高流动度,2000目的玻璃粉会降低流动度;2000目玻璃粉对试件抗压、抗折强度提高的效果最好,最大提高了5.8%和9.3%。掺入2000目玻璃粉的试件,火山灰活性指数最高达到106%,优于同掺量粉煤灰,说明其作为辅助胶凝材料性能是良好的。(2)将粒径为400目、1000目、2000目的废弃玻璃粉等体积代替水泥掺入透水混凝土中,掺入比例分别为10%、15%、20%,并进行透水性能、力学性能试验。掺入400目的玻璃粉会降低透水混凝土透水性能,2000目的玻璃粉在15%掺量下对透水性能提升的效果最好;掺入400目和1000目的玻璃粉会降低透水混凝土的抗压强度。2000目玻璃粉对后期抗压强度、抗折强度提高的效果最好,在10%的掺量下,其90d抗压强度最高,达到了26.5MPa,较基准组提高了8.2%。在10%和15%的掺量下,其90d抗折强度最高,均为4.5MPa,较基准组提高了12.5%。(3)将粒径为2000目的废弃玻璃粉掺入透水混凝土,通过干湿循环和全浸泡两种侵蚀方式进行抗硫酸盐侵蚀试验,并辅以微观形貌试验。相比于全浸泡的侵蚀方式,在干湿循环条件下,试件受硫酸盐侵蚀破坏更为严重。在两种侵蚀方式下,透水混凝土的抗压强度耐蚀系数均随着侵蚀周期的增长呈现先增加、后降低的趋势。在干湿循环75次后,试件抗压强度耐蚀系数在玻璃粉掺量为15%时最高,达到了0.94,较基准组提高了4.4%。本文研究了废弃玻璃粉对透水混凝土力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能的影响规律,对扩大透水混凝土路面的应用范围,推进“海绵城市”的建设以及废弃玻璃的回收再利用具有重要意义。

关键词： 土力学   原位试验   旁压试验   标准贯入试验   黄土   相关性分析   假设检验  

摘要： 旁压试验与标准贯入试验是常见的2种原位试验方法，旁压模量、极限压力、标准贯入击数是刻画土体力学性质的参数指标。标准贯入试验操作简单且成本较低，旁压试验可获取土体多个力学参数指标，但操作复杂且造价昂贵。本文旨在揭示黄土状粉质黏土旁压模量、极限压力、标准贯入击数随土体天然含水率变化的演化特征，进而探究旁压模量、极限压力关于标准贯入击数的经验表达式。为此选取河南郑州地区某铁路黄土路基，开展47组旁压试验与标准贯入试验，回归分析得到旁压模量、极限压力、标准贯入击数、土体天然含水率的经验关系，并基于统计学分析方法开展假设检验，验证经验关系的可靠性。研究结果表明：随着天然含水率增大，郑州地区黄土状粉质黏土标准贯入击数、旁压模量、极限压力均线性减小，当含水率增大至塑限后，标准贯入击数、旁压模量、极限压力的线性减小速率均增大；旁压模量与标准贯入击数、极限压力与标准贯入击数均存在线性关系，假设检验方法 F检验验证了旁压模量、极限压力经验表达式的有效性；与已有研究相比，本文试验得出的经验表达式具有更高的相关系数，本试验采用的PMT与SPT相关性经验公式拟合分析方法在黄土状粉质黏土中适用性更佳。研究成果可为郑州黄土地区勘察设计准确高效获取黄土力学参数指标提供参考。

关键词： 地聚物再生混凝土   力学性能   本构模型   试验研究   收缩性能  

摘要： 地聚物再生混凝土（Geopolymer Recycled Concrete,GRC）是利用激发剂技术替代水泥基胶凝材料,采用再生骨料部分或全部代替天然骨料配置而成的一种绿色低碳混凝土,能够提高固体废弃物的利用率,从建材源头降低碳排放,是符合国家双碳目标和可持续化发展的绿色建材。论文系统地开展了地聚物再生混凝土力学性能和早期收缩规律研究,对于推进该类混凝土的工程应用和产业化具有重要的意义。主要内容包括:（1）地聚物再生混凝土工作性能、力学性能和微观结构试验研究。分析各因素对地聚物再生混凝土体积坍落度、凝结时间以及抗压强度等的影响,探究了微观结构与宏观性能之间的联系。结果表明:地聚物再生混凝土的坍落度在121～210mm,可以满足工程混凝土的需要;其干表观密度小于普通混凝土,且与抗压强度呈线性关系;地聚物再生混凝土的凝结时间随激发剂模数的降低、矿渣掺量的增大和碱胶比的增大而缩短,掺入钢纤维能有效改善地聚物再生混凝土的延性;地聚物砂浆与再生骨料具有良好的粘结和协同性能。地聚物再生混凝土的孔隙结构具有较高的均匀性和一致性;（2）地聚物再生混凝土的单轴受压应力-应变全曲线模型研究。完成了12组地聚物再生混凝土单轴受压本构曲线试验,分析了矿渣掺量、激发剂模数、钢纤维体积掺量、再生粗骨料体积掺量及碱胶比对峰值应力、极限应变、弹性模量、压缩韧性等全曲线特征值的影响,建立了适用于地聚物再生混凝土的弹性模量、轴心抗压强度和峰值应变的计算模型,提出了地聚物再生混凝土的单轴受压本构曲线模型;（3）地聚物再生混凝土早期干燥收缩性能研究。完成了6组地聚物再生混凝土早期干燥收缩试验,分析了矿渣掺量和再生骨料掺量对早期干燥收缩的影响,考虑Ca/Si（k1）和再生骨料体积掺量（k2）提出了地聚物再生混凝土28d干燥收缩应变计算模型和干燥收缩应变预测模型。研究表明:地聚物再生混凝土干燥收缩应变随着矿渣掺量和再生骨料掺量的增加而增加,粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土早期收缩速率较大。试验结果和预测模型吻合度较好,能很好地反映地聚物再生混凝土早期干燥收缩趋势。论文完成了地聚物再生混凝土力学性能试验研究、单轴受压应力-应变曲线试验研究、早期干燥收缩试验研究,弥补现有研究的不足,进一步了解地聚物再生混凝土的材料性能,在工程设计和工程应用中有非常重要的理论意义和实际价值。

关键词： 再生混凝土   水饱和度   应变率   断裂力学   SEM   核磁共振  

摘要： 本文探究将再生混凝土应用于水工建筑物中的可行性,研究了不同的水饱和度(0%、50%、100%)对不同再生骨料取代率(0%、30%、50%、70%)混凝土的力学性能的影响。并对试验对象进行了的静动态力学性能的试验探究,得出水饱和度对再生混凝土的静动态力学性能的影响结果并对其作用机理进行定性分析,最后在细观的层次对水饱和度对再生混凝土的作用机理进行定量分析。本文的研究内容如下:(1)通过坍落度试验对拌合物的工作性能进行测试与评价,发现随着再生骨料替代率的增加,混凝土的坍落度逐渐降低。通过真空饱水设备进行了不同水饱和度再生混凝土试件的制备,并得出了随着饱水时间再生混凝土水饱和度变化的经验曲线,经过对其拟合得到了水饱和度随时间变化的预测模型,经验证预测模型可以准确的指导不同水饱和度再生混凝土的制备,为制备不同水饱和度的试件提供了科学依据。(2)开展了不同水饱和度再生混凝土的静态力学试验研究,通过试验发现:在准静态加载速率下进行单轴抗压试验,试件会随着水饱和度的增加,受压损伤越发明显,且剥落下的碎块较为酥碎,这种情况随着再生骨料替代率的增加尤为显著;试件的抗压强度和峰值应变会随着水饱和度的增加而降低,而弹性模量会增大;当在静态加载速率下对试件进行劈裂抗拉试验时发现,随着水饱和度的增加,试件的劈裂抗拉强度会下降,再生骨料替代率越大下降的就越大。从能量角度对孔隙及裂缝中的自由水的作用机理进行了分析,认为自由水降低了混凝土颗粒间的表面能,减小了分子间的范德华力,在静力荷载作用下起到了“楔子”的作用,加速了试件的破坏,弱化了混凝土的强度。(3)对不同水饱和度的再生混凝土试件进行了动态单轴受压和动态劈裂抗拉试验,经过试验得出:在高应变率下,试件会产生明显的应变率效应,随着应变率的增加,试件的抗压强度和劈裂抗拉强度会增大,而再生混凝土的率敏感性是强于普通混凝土的。试件内的自由水在应变率较大时会产生粘性效应和Stefan效应,能够在一定程度上遏制裂缝的发展,增强试件的强度,而随着再生骨料替代率的增加,由于其内部自由水含量相较其它的试件含量高,故而在高应变率下强度的增幅也较大。基于断裂力学、牛顿粘滞定律以及Stefan效应对动态荷载作用下混凝土内自由水的作用机理进行了分析。(4)利用核磁以及扫描电镜对不同再生骨料取代率的混凝土进行细观分析。通过核磁共振仪对试件内部的孔隙进行定量分析,探究了不同骨料取代率试件的孔隙率、孔径的大小,发现随着再生骨料替代率的增加,混凝土内部的孔隙率也随着增加,小孔径(0～0.1um)孔隙数量占比最大;通过扫描电镜对不同再生骨料替代率的试件进行细观扫描,观察不同再生骨料替代率混凝土的界面过渡层和基质的变化,发现随着再生骨料替代率的增加,新老砂浆界面过渡层的粘结并不好,会存在缝隙,当试件饱水时,这些裂缝会被自由水浸润填满,在承受静态荷载时很容易产生应力集中,从而加速试件的破坏;还发现了随着再生骨料替代率的增加,混凝土的基质密实度会下降,并没有普通混凝土那么致密,会出现更多的孔隙,容易被自由水渗透,进而对混凝土的性能产生影响。本文通过探究水饱和度对再生混凝土力学性能的影响,得出的研究结果对将再生混凝土应用到水工建筑物中或者潮湿环境中具备一定的指导意义。