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摘要： 武汉大学土力学奠基人、我国著名岩土工程专家冯国栋先生,于2023年1月2日13时46分在武汉逝世,享年106岁。冯国栋先生出生于1917年11月22日,广东省鹤山县人。1941年毕业于中山大学土木工程系。1943年考入武汉大学水利系攻读研究生,1948年赴美国匹兹堡大学攻读硕士学位,主攻土力学及基础工程。1950年获硕士学位后,转入美国哥伦比亚大学攻读博士学位。1951年10月提前回国,受聘于武汉大学水利系担任副教授,1954年转入武汉水利学院(后更名为武汉水利电力大学)担任副教授、教授,一直工作到1989年退休。

关键词： 海水海砂   钢纤维体积掺量   动态力学性能   断裂力学性能   应力-应变全曲线  

摘要： 海水海砂混凝土(Seawater Sea-sand Concrete,简称SSC)是一种以海水和海砂为原材料的混凝土。然而,海水海砂混凝土中的氯离子会导致钢筋锈蚀,从而缩短结构的使用寿命。为解决这一问题,可以使用海水和海砂制备超高性能海水海砂混凝土(Ultra-High Performance Seawater Sea-sand Concrete,简称UHPSSC),UHPSSC高密实性的内部结构可以限制钢筋锈蚀;也可以与耐腐蚀性的FRP(Fiber Reinforced Polymer)筋材组合使用,氯离子不会对FRP筋造成侵蚀。为了更好地了解UHPSSC的材料属性,基于现有的UHPSSC配比和力学性能研究,本文进一步研究了UHPSSC的动态抗冲击性能、断裂特性和轴压应力-应变全曲线,并对普通强度的海水海砂混凝土进行了应力-应变全曲线测试。本研究旨在完善海水海砂混凝土的材料属性,并为其在结构设计和工程实践中的推广和应用提供参考。主要工作及研究成果如下: (1)对不同钢纤维掺量的UHPSSC的静态、动态、断裂力学性能开展了试验分析,利用DIC(Digital Image Correlation)监测UHPSSC在冲击和断裂荷载下的应力-应变关系、位移、裂纹形态和裂缝扩展情况,研究了不同钢纤维体积掺量对UHPSSC静态、动态、断裂力学性能的影响。试验结果表明钢纤维提高了UHPSSC的静态、动态和断裂力学性能;钢纤维掺量达到1.5vol%时,对UHPSSC抗冲击性能才有较大的提升。钢纤维掺量达到1.0vol%,UHPSSC断裂作用下的荷载和耗能增强效果更为显著。 (2)研究了海水海砂混凝土和超高性能海水海砂混凝土的轴压应力-应变关系,现有混凝土应力-应变全曲线模型对普通海水海砂混凝土的拟合效果较好,不必进行修正;但是现有的应力-应变全曲线模型对UHPSSC的上升段拟合结果比较准确,但是对下降段尤其是下降段后期差距较大,无法表征超高性能海水海砂混凝土的残余应力;通过修正下降段形状参数,建立了适用于超高性能海水海砂混凝土应力-应变关系的修正方程,修正UHPSSC模型对水胶比在0.14-0.16的普通超高性能混凝土也具有较好的拟合效果。研究了普通海水海砂混凝土和超高性能海水海砂混凝土的轴压应力-应变关系,揭示了海水和海砂的引入对混凝土应力-应变关系的影响规律。

关键词： 土力学   非饱和土   电渗–真空预压   多场耦合   数值模拟  

摘要： 以富水黄土隧道开挖前围岩的快速排水为目的，提出电渗联合真空的方法，并对其排水固结过程进行了理论分析和试验研究。基于多孔介质理论和非饱和土力学原理，建立非饱和土体在电渗–真空作用下电场–孔压场–位移场相互耦合的数学模型，利用有限单元法数值分析土体在电渗–真空作用下的排水固结规律，并结合室内模型试验进一步验证该方法在富水黄土快速排水中的应用效果。研究结果表明：电渗–真空联合作用可以有效的提高土体的排水效率，但当初始渗透率较大时，联合排水后期会出现“孔压反转”现象，这种现象会导致联合排水后期排水效率低下，揭示联合排水后期增大电压并不能有效提高排水效率的机制；电极间距主要对电渗–真空联合排水后期孔隙水压力的变化有较大影响，且阳极电势一定时，孔隙水压力不随电极间距成单调变化。

关键词： 碱激发陶粒混凝土   配合比   骨料粒径   力学性能   尺寸效应  

摘要： 工业生产过程中产生的废弃物种类多、数量大，若对其处理不当，不仅造成资源浪费，还会污染土地和大气环境。为了提高再生资源的利用率，减少环境污染，本文制备了一种新型绿色混凝土材料——碱激发陶粒混凝土(Alkali Activated Ceramic Concrete,简称AACC)。AACC是以碱激发胶凝材料取代水泥，同时使用陶粒代替天然石子配制而成的一种新型混凝土，具有轻质高强、保温效果好、绿色节能等优点，符合现代建筑结构对材料性能的要求。但目前关于AACC的研究成果较少，因此本文对AACC的力学性能及其影响因素进行试验研究。首先，研究水胶比和碱含量对AACC基本力学性能的影响规律，进而优选出性能良好的AACC的配合比设计;然后，研究骨料粒径对AACC的力学强度及其尺寸效应的影响。从而对工程建筑材料的发展提供试验数据参考价值。主要工作如下:　　(1)研究水胶比和碱含量对AACC抗压强度和劈裂抗拉强度的变化规律。结果表明:AACC属于早强混凝土，7天龄期的抗压强度达到28天龄期抗压强度的80％以上;随着水胶比的增大，抗压强度和劈裂抗拉强度降低;随着碱含量的增大，抗压强度和劈裂抗拉强度呈现先上升后下降的变化趋势。水胶比为0.40、碱含量为6％时，100mm×100mm×100mm立方体试件的抗压强度高达35.24MPa。　　(2)将骨料粒径划分为5mm～10mm、5mm～15mm和5mm～20mm,通过抗压、抗折、劈裂抗拉、轴心抗压试验研究骨料粒径对AACC强度的影响变化。试验数据表明:当骨料最大粒径由10mm增加至15mm,28天龄期时的立方体抗压强度和轴心抗压强度分别升高了 4.83MPa和2.07MPa,抗折强度和劈裂抗拉抗强度分别降低了 0.70MPa和0.54MPa。当骨料最大粒径由15mm增加至20mm,28天龄期时的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度分别降低了7.46MPa、4.31MPa、0.88MPa和0.51MPa。　　(3)为探讨骨料粒径对AACC抗压强度和劈裂抗拉强度尺寸效应的影响。结果表明:随着骨料粒径的增大，AACC抗压强度和劈裂抗拉强度尺寸效应减小。基于Weibull统计理论和Ba(z)ant能量释放理论对AACC抗压强度和劈裂抗拉强度数据结果进行统计分析，拟合出不同骨料粒径范围时AACC抗压强度和劈裂抗拉强度尺寸效应的表达式。提出的抗压强度尺寸效应拟合公式更适用于骨料粒径较小的情况，提出的劈裂抗拉强度尺寸效应拟合公式更适用于骨料粒径较大的情况。

关键词： 城市污泥   尾矿   陶粒制备   陶粒性能   陶粒混凝土  

摘要： 随着我国经济的发展和城市化水平的提高,城市居民对环境的要求标准也逐渐提高,各界人士对城市污水处理厂污泥、尾矿等固体废弃物的处理处置问题关注有加。我国城市污水处理厂数量逐年增加,污水处理量也随之增加,城市生活污水中存在大量固体物,污水处理过程中不可避免地产生大量的污泥。目前各地普遍在污水处理和污泥处置方面存在“重水轻泥”现象,对污泥的无害化处置技术还不规范。与此同时,我国丰富的矿产资源为国家的发展奠定了一定的物质基础,随着矿业的蓬勃发展和矿产的大量开采,伴随有大量的尾矿产生,尾矿虽然无法作为矿产再生产利用,但其中仍含有较多有用成分,任意堆存的尾矿就是放错位置的资源。城市污泥和尾矿作为典型的大产量固体废弃物,若处理不当任意排放,会对生态环境和人类健康造成较大的危害。本文以上饶市某污水处理厂污泥和江西省某尾矿库尾矿为主要原材料制备陶粒,研究陶粒的性能和陶粒不同掺量时陶粒混凝土的力学性能。主要研究内容如下:(1)对污泥、尾矿、黏土三种原材料进行成分分析(XRF)、物相分析(XRD)和热重分析(TG-DSC-DTG),从原材料的成分分析结果看出,污泥和尾矿中的化学成分和陶粒原材料的化学成分相似,为制备污泥尾矿陶粒提供可行性,同时为原材料配比的确定提供理论基础;从原材料的物相分析和热重分析了解污泥、尾矿和黏土三种原材料在高温下变化情况,为陶粒烧制工艺参数的确定提供理论基础。(2)为确定污泥尾矿陶粒的原材料及其配比,首先在满足适合烧制陶粒的化学成分范围内,以污泥和尾矿为原材料设计不同配比展开试验,结果表明仅用污泥和尾矿烧制的陶粒难以成形,因此考虑加入黏土作为黏结剂;基于三种原材料的成分分析,在已有研究基础上设计不同配合比试验,观察陶粒胚体在烧制各阶段的形态特征,在保证陶粒质量的前提下尽可能地提高污泥和尾矿的占比,本文确定的陶粒原材料的最佳配比为:污泥:尾矿:黏土=2:3:1。(3)为确定陶粒的烧制工艺参数,首先针对干燥时间、预热时间、预热温度、烧结时间、烧结温度展开单因素试验,了解各因素对陶粒性能的影响,然后在单因素试验的基础上设计正交试验,以陶粒堆积密度、表观密度、1h吸水率和空隙率为评定指标,通过极差分析和平衡分析确定陶粒的烧制工艺。研究结果表明,烧结温度对陶粒的性能影响最大,本文确定的陶粒烧制工艺为:在105±5℃温度下干燥3h,在400℃温度下预热15min,在1000℃温度下烧结12min,该条件下烧制的陶粒堆积密度为528kg/m3,表观密度为1004kg/m3,1h吸水率为7.64%,空隙率为47.37%。(4)通过浸出试验分析不同烧结温度陶粒的浸出毒性,研究不同烧结温度陶粒对溶液中铅离子的吸附情况,通过SEM图像分析不同烧结温度陶粒的内部孔隙结构。研究结果表明,陶粒浸出液中各危害成分浓度均低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中规定的危害成分浓度限值;烧结温度对陶粒吸附铅离子的影响较大,在本试验中,烧结温度为960℃的陶粒在30℃恒温水浴锅加热条件下对溶液中铅离子的吸附率最高,可达到93.57%;陶粒的微观形貌表现为随着烧结温度的升高,陶粒内部孔隙变大,数量相对增多,逐渐出现连通孔隙。(5)将污泥尾矿陶粒不同比例的替代普通混凝土中的碎石粗骨料,研究污泥尾矿陶粒体积密度、立方体抗压强度、劈裂抗拉强度随陶粒替代率的变化情况,并与普通混凝土进行对比。试验结果表明:在掺入陶粒后,随着陶粒替代率的提高,陶粒混凝土的体积密度逐渐减小,立方体抗压强度和劈裂抗压强度表现为先增后减的变化趋势,陶粒混凝土受压应力-应变曲线上升段与普通混凝土类似。

关键词： 纤维混凝土   舟形钢纤维   力学特性   冻融   腐蚀  

摘要： 钢纤维能经济有效提升混凝土性能,钢纤维材质与截面形状影响混凝土性能。本文结合已有的钢纤维混凝土研究成果,探究了舟形钢纤维混凝土与剪切型钢纤维混凝土的基本力学性能、抗冲磨性能及耐久性等问题。主要研究内容与结果如下:(1)舟形钢纤维混凝土的塌落度随纤维掺量的增加而增加,而剪切型钢纤维混凝土出现先增后减的趋势,两种纤维的含气量与纤维体积掺量呈正比关系,舟形钢纤维的混凝土的工作性能数值都大于剪切型钢纤维混凝土。(2)掺入钢纤维可以改善混凝土的基本力学性能,2种钢纤维混凝土的抗压强度都随着纤维体积掺量的增加表现出先增后减的趋势,而劈裂抗拉强度、抗折强度和断裂韧性均随着纤维体积掺量的增加而增加,舟形钢纤维混凝土的弹性模量随着钢纤维掺量的增加而增加,最佳钢纤维体积掺量为2.0%,舟形钢纤维混凝土的基本力学性能总体上优于剪切型钢纤维混凝土。(3)舟形钢纤维混凝土的抗冲磨性能整体优于剪切型钢纤维混凝土,两种钢纤维混凝土的磨损率都随着纤维体积掺量的增加而降低,抗冲磨强度随体积掺量的增加而增加,2.0%的舟形钢纤维混凝土的磨损率最低;舟形、剪切型钢纤维混凝土在体积掺量为2.0%时抗冲磨强度最佳。(4)混凝土质量损失率随着冻融次数的增加而增加,钢纤维混凝土的超声波波速较素混凝土的波动更为平缓;冻融后的强度损失率随着体积掺量的增加不断减少,且剪切型钢纤维混凝土的抗冻性较舟形钢纤维混凝土好,体积掺量为2.0%的剪切型钢纤维混凝土抗冻性最佳;基于抗折强度与冻融循环次数拟合Weibull分布的冻融损伤经验模型预测效果较为准确,拟合度都超过99.9%。(5)钢纤维混凝土侵蚀后抗折强度与钢纤维体积掺量及浸泡周期都成正比关系,舟形钢纤维混凝土的耐腐蚀程度高于剪切型钢纤维混凝土,体积掺量为2.0%的舟形钢纤维混凝土抗侵蚀能力最强。

关键词： 掺钢渣粉超高性能混凝土   流变性能   力学性能   收缩性能   水化微结构  

摘要： 我国是世界钢铁生产大国,钢铁生产伴随的大量钢渣废料,不仅占用大量堆场土地,而且对环境造成极大危害。超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,简称UHPC）具有超高强度、高韧性和高耐久性的“三高”特点,符合现代工程材料的需求,有良好的应用前景。然而,UHPC较高的胶凝材料和钢纤维用量使其成本居高不下,严重制约其工程推广应用。本文拟将钢渣粉作为掺合料部分替代水泥,基于最紧密堆积理论制备UHPC,研究不同影响因素对掺钢渣粉UHPC流变性能、力学性能、收缩性能和水化微结构的影响。本文设计的掺钢渣粉UHPC具有低收缩、绿色低碳和成本低廉等特点,有望为钢渣的高质化利用和环境保护提供一条可行的途径。论文主要工作如下: （1）通过UHPC流变性能测试,发现掺入钢渣粉能显著降低UHPC屈服应力和塑性粘度,增加流动度,但会一定程度降低其触变性;UHPC屈服应力随膨胀剂掺量增加而增加,导致其流动度随之降低,触变性随之增加。 （2）研究了钢渣粉细度、钢渣粉掺量、膨胀剂掺量、钢纤维掺量和养护制度等对UHPC力学性能的影响,发现所有掺钢渣粉UHPC的抗拉强度均优于基准组;随着钢渣粉掺量增加,UHPC的抗压强度、抗拉强度和静力弹性模量逐渐降低;随着膨胀剂掺量增加,UHPC的抗压强度和抗拉强度呈先上升后下降趋势,且膨胀剂掺量为6%时最优;掺钢渣粉UHPC的抗折强度和抗拉强度则随钢纤维掺量的增加而增加,抗压强度随钢纤维掺量的增加呈先增加后降低趋势;蒸汽养护时,掺钢渣粉UHPC的抗压强度、抗拉强度和静力弹性模量最优,标准养护次之,自然养护最低。 （3）研究了钢渣粉细度、钢渣粉掺量、膨胀剂掺量和钢纤维掺量等对UHPC收缩性能的影响,发现当钢渣粉细度最低时UHPC的72 h自收缩率最小;随着钢渣粉掺量的增加,UHPC的72 h自收缩率随之降低;钢渣粉掺量最低时,UHPC的60 d干燥环境下的收缩率最小;随着膨胀剂掺量增加,UHPC收缩性能逐渐变优;随着钢纤维掺量的增加,掺钢渣粉UHPC在60 d干燥环境下的收缩率逐渐降低。 （4）研究了钢渣粉细度、钢渣粉掺量和膨胀剂掺量等对UHPC水化微结构的影响,发现随着钢渣粉细度的提升,UHPC早期水化速率也随之提升,但钢渣粉细度对UHPC水化产物的生成影响不大;随着钢渣粉掺量的增加,UHPC早期水化速率逐渐降低,生成的水化产物也逐渐减少,导致UHPC微结构致密性降低;随着膨胀剂掺量的增加,UHPC生成的水化产物逐渐增多,但当膨胀剂掺量为9%时,通过SEM试验发现UHPC内部出现明显的微裂缝。 （5）优选比表面积为400 m2/kg的钢渣粉替代20%的水泥掺入UHPC中,该试验组流动性、力学和收缩性能等比基准组更优,抗压强度、抗拉强度分别比基准组高3.35%、20.73%,60 d干燥收缩率、72 h自收缩率分别比基准组低1.8%、22.05%;且该钢渣粉细度较低,制备能耗相对较低,有利于实现钢渣低碳环保的高质化利用。

关键词： PFC2D   大骨料混凝土   湿筛混凝土   湿筛效应   动态效应  

摘要： 水工大体积混凝土结构多采用三级配,甚至四级配混凝土,其骨料粒径最大可达150mm,因而在进行力学试验时常用湿筛混凝土标准试件代替。但是由于两种混凝土的力学性能差异较大,因此湿筛混凝土力学指标不能真实反映水工大骨料混凝土的力学性能。基于此,本文以水工大骨料混凝土湿筛效应为研究对象,从细观角度出发,采用单轴压缩、单轴拉伸和动态单轴压缩三种加载方式,探究水工混凝土材料静态、动态力学性能变化规律,分析应力应变关系、破坏形态、裂缝数目及内部接触力与湿筛效应和动态效应的关系。主要内容包括:（1）为了研究水工及湿筛混凝土单轴压缩下的力学性能的差异,运用PFC 2D颗粒流离散元软件建立三级配混凝土数值试件,通过将单轴压缩数值模拟得到的应力-应变关系与已有文献中试验数据进行对比,标定出水工大骨料混凝土砂浆、粗骨料及界面间的细观参数,并将其赋值到湿筛混凝土中进行单轴压缩数值模拟试验研究。结果表明:在采用相同细观参数情况下,湿筛混凝土单轴压缩峰值应力为大骨料混凝土的1.20～1.25倍,峰值处应变为1.35～1.73倍;（2）为了研究水工大骨料混凝土湿筛效应对其单轴拉伸力学性能的影响,运用PFC2D颗粒流离散元软件建立三级配混凝土数值试件,根据已有文献数据标定出水工混凝土模拟试件中砂浆颗粒、粗骨料颗粒及砂浆与粗骨料界面间的细观参数,进而开展单轴拉伸数值模拟湿筛效应研究。结果表明:单轴拉伸下水工和湿筛混凝土宏观力学指标与物理试验宏观基本参数误差较小,水工混凝土宏观力学性能的湿筛效应与混凝土内部微裂缝相对数量及接触力分布状况直接相关。（3）为了研究加载速率对湿筛混凝土力学性能及破坏形态的影响,运用颗粒流离散元软件建立三级配和湿筛二级配混凝土细观数值试件,根据拟静态单轴压缩(应变速率10-5s-1)试验数据确定数值试件砂浆颗粒间、粗骨料颗粒间及二者接触面的细观参数,进而开展应变速率为10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1的动态加载,进行动态力学性能及其机理分析。结果表明:三级配混凝土抗压强度较静态下的抗压强度增加约为21%～38%,湿筛二级配增长率为7.3%～37.9%,峰值应力处应变增大幅度不大;裂缝数量增长率为峰值应力的6～8倍。

关键词： 电石渣   红粘土   力学特性   路用性能   微观结构  

摘要： 在我国十四五规划中,对电石渣、磷石膏和赤泥等大宗固废提出资源化利用新要求。目前已经有诸多学者对电石渣代替石灰应用在建筑材料进行试验研究,但是对于电石渣改性红粘土的研究较少,将电石渣掺入土体既能实现固废资源化利用,也能实现红粘土的就地利用。本文以贵阳红粘土为研究对象,将电石渣掺入红粘土进行宏观和微观试验,通过界限含水率试验、击实试验、无侧限抗压强度试验、直接剪切试验、CBR试验、水稳试验和动三轴试验,探究其对红粘土特性的影响,并借助XRD和SEM探究电石渣改良红粘土的微观机理。主要研究结论如下:(1)掺入电石渣后,电石渣稳定红粘土击实特性指标最佳含水率和最大干密度较红粘土没有明显提升。电石渣稳定红粘土的液限、塑限和塑性指数都随着掺量的增加呈现下降的趋势,但混合料的液限仍大于50%,不满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)第3.3.3条规定,不能直接用作路堤填料。(2)电石渣稳定红粘土的无侧限抗压强度随着掺量的增加而先增加后减小,在掺量达到9%,无侧限抗压强度达到最大值;随着压实度的增加混合料的无侧限抗压强度增大;随着养护龄期的发展混合料的无侧限抗压强度先上升后趋于稳定。电石渣稳定红粘土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角同样也随着掺量、龄期和压实度的增加而不断增大。(3)红粘土本身的CBR值较低,随着电石渣掺量和养护龄期的增加,混合料的CBR值不断增大,在养护龄期14d后趋于稳定,混合料的CBR值最小为4.14%,可以满足各级公路的路堤填料最小承载比要求。红粘土浸水发生崩解,水稳系数为0,掺入电石渣后混合料的水稳定性增强,水稳系数最大为0.49,加入固化剂后水稳定性进一步增强。(4)红粘土和电石渣稳定红粘土动应力随围压和固结比增加而增加,动剪切模量随围压和固结比增加而增加,阻尼比随围压和固结比频率增加而降低。电石渣稳定红粘土动剪切模量、阻尼比与动剪切应变的关系均符合H-D模型。(5)红粘土土质松散,电石渣的掺入会填充土颗粒间孔隙同时会与红粘土发生化学反应生成水化硅酸钙、铝酸钙絮状凝胶体,与土颗粒胶结形成团聚体使土体形成新的空间结构,原松散的结构体变的更加紧密,结构强度和稳定性更好。