教学课程资源库 更多>>

关键词： 蒸养制度   混凝土   水化产物   微观结构   响应面模型   参数优化  

摘要： 在山岭地区的交通基础设施建设中,桥梁占比高,工程建设过程中需要短期内集中制备大量的预制梁。预制梁生产过程中,由于山岭地区预制梁场常受到昼夜温差大、梁场场地受限、劳动力紧张等因素影响,如何在有限的梁场区域内提升预制梁的生产效率及质量成为工程建设的关键。装配式的预制混凝土构件可在工厂养护,能够避免环境和场地等不利因素的影响而实现全天候生产预制构件。在生产过程中采用蒸汽养护能够在短时间内提高混凝土的强度,加快模具周转速度,满足混凝土拆模吊装的要求,提高生产效率。但是蒸养制度会对混凝土的力学性能、体积稳定性能和耐久性能会产生一定的影响,蒸养制度对混凝土力学性能影响及蒸养制度优化研究亟待深入。 本文围绕蒸养制度各参数(静养时间、升温速度、恒温温度及恒温时间)对混凝土的性能影响及优化进行了研究。分析了不同蒸养制度下混凝土的强度演变特征,揭示了蒸养参数对水泥水化特性、微观结构的作用及其影响机理。提出了混凝土蒸养制度优化方法,形成了应用关键技术。研究成果将为分析蒸养制度对混凝土性能影响及提高蒸养混凝土构件高效节能生产,为优化蒸养制度提供理论依据和技术支撑。本文主要创新工作和成果如下: (1)研究了蒸养制度对蒸养混凝土力学性能的影响。试验结果表明,在蒸汽养护恒温过程中,混凝土的抗压强度随恒温时间的增长而逐渐增大,且恒温温度越高,对应的抗压强度越高。适当延长预养时间、降低升温速度、降低恒温温度可明显改善蒸养混凝土的水化及力学性能,降低高温养护对后期强度增长所造成的不利影响。建立了基于恒温时间和成熟度的蒸养混凝土强度回归模型,且能较好的反映混凝土抗压强度与蒸汽养护时间的关系,对蒸养混凝土强度预测及养护工艺设计等具有指导意义。 (2)采用XRD和SEM等测试手段,研究了养护制度及参数对蒸养水泥石水化产物的组成和微观形貌的影响,结果表明:蒸养不会改变混凝土水化产物的主要物相组成,只是加速了水化反应速率,水泥石水化产物的形成主要集中于蒸养阶段。同时,预养时间和升温速度对水化产物的主要物相组成没有影响,但对水化产物的微观结构存在较大影响。恒温时间和恒温温度的不同,水化产物的组成和微观结构都有明显的差异。 (3)采用Plackett-Burman试验对蒸养参数影响的显著性进行分析,结果表明:恒温时间、恒温温度对蒸养混凝土力学性能影响显著,静养时间和升温速度次之,而降温速度影响很小。通过响应面Box-Behnken试验设计对数据处理并进行回归分析,得出了影响蒸养混凝土强度的主要因素为静养时间、升温速度、恒温时间和恒温温度。在此基础上以混凝土的抗压强度为响应值建立响应面模型,并对模型进行方差分析,验证了模型的可靠性;分析了各工艺参数及其交互作用对蒸养混凝土的影响程度,优化了蒸养制度各工艺参数,建立了基于响应面法的蒸汽养护制度优化方法。基于现场工程,分析得出蒸汽养护最佳工艺参数。

关键词： 膨胀土   聚丙烯纤维   冻融循环   无侧限抗压强度   数值模拟  

摘要： 膨胀土因其具有极强胀缩性的特点,极易使所在地区的边坡造成坍塌或者形成路基下陷等病害,素有“工程癌症”之称,这就需要将膨胀土运用适当方法进行改良后才能被运用到工程实践当中去。随着生产力的发展,纤维加筋技术是近些年来发展起来的一种新型复合材料,各种纤维逐渐被运用到土体改良研究中,并且取得了很好的效果。尝试运用土体加筋技术对膨胀土进行改良以改善其工程性质,本文研究使用三种纤维对膨胀土进行改良。考虑到在北方的冬季,作为路基填料的膨胀土会受到冻融循环以及荷载的作用,膨胀土强度变化受冻融循环影响显著,对纤维改良膨胀土在冻融循环作用下的强度变化规律及增强效果进行研究是很有必要的。本文将不同种类、不同掺量以及不同长度的纤维掺入膨胀土中,通过测定各个配合比下纤维改良膨胀土的有荷载膨胀率、无荷载膨胀率以及膨胀力,确定纤维的最佳配合比。再通过素膨胀土冻融循环试验、抗剪强度试验、无侧限抗压强度试验进行研究,与最佳配合比下的聚丙烯纤维改良膨胀土冻融循环试验、无侧限抗压强度试验进行对比,并利用有限元数值模拟技术分析纤维改良膨胀土的力学强度增强效果,并得出如下结论:（1）掺加聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维均可以有效改善膨胀土胀缩性能,并且聚丙烯纤维改良效果更好,确定聚丙烯纤维的最佳掺量为0.3%,最佳长度为12mm。最佳配合比下聚丙烯纤维改良膨胀土比素膨胀土的无荷载膨胀率、400k Pa有荷载膨胀率、膨胀力分别降低了38.8%、118.2%、17.2%。（2）聚丙烯纤维的掺入对膨胀土的无侧限抗压强度改良效果显著,由153.5k Pa提升到212.7k Pa,增幅达到38.6%,其应力应变关系曲线呈软化型;冻融循环会使素膨胀土和改良膨胀土产生冻融损伤作用并导致其力学性能劣化,对土体的影响显著,纤维膨胀土具有抵抗冻融作用的能力,当聚丙烯纤维长度为12mm,掺量为0.3%时,其冻融损伤度最小,抵抗冻融的作用效果最好。（3）运用有限元数值模拟方法对聚丙烯纤维改良膨胀土在冻融循环后的力学性能进行数值模拟,结合纤维增韧理论分析纤维和土体的应力应变变化情况,发现长度为12mm,掺量为0.3%的聚丙烯纤维改良膨胀土强度比素改良土的强度提高33.95%,对土体增强效果最佳,其余长度或掺量均以增韧为主。模拟不同纤维参数下改良膨胀土冻融后的强度劣化规律,建立聚丙烯纤维加筋膨胀土的强度预测函数,结果表明素膨胀土和纤维改良膨胀土均符合冻融强度劣化函数Y=a-bcx。

关键词： 玻璃纤维   橡胶混凝土   力学性能   纤维增强   微观结构  

摘要： 近年来我国汽车制造业、交通运输业、物流快递业发展迅速,为人们的生活带来便利的同时也囤积了许多的废旧轮胎需要处理,同时“十四五”发展规划中明确提出了玻璃纤维是作为战略型新型材料的重要组成部分,承担着我国建材绿色低碳发展转型的任务。我国的玻璃纤维近年正处于高速发展的状态,在这一大背景下,利用废旧轮胎打造出的橡胶颗粒掺入混凝土中制成橡胶混凝土（RC）,不仅保护了环境,还符合了绿色发展的大趋势。然而橡胶混凝土在提升素混凝土（NC）韧性的同时降低了强度,限制了其应用范围。因此许多学者研究了纤维掺入橡胶混凝土中来提升其性能,而玻璃纤维拥有机械性能好、断裂强度高、抗拉强度大等优点,将玻璃纤维掺入橡胶混凝土中,改善RC强度不足的缺陷。 本文设计混凝土目标强度等级为C30,以5%粒径为1～3mm的废旧橡胶颗粒等体积替代砂,在此基础上加入掺量为3kg/m3、5kg/m3、7kg/m3、9kg/m3、11kg/m3的两种玻璃纤维制为普通玻璃纤维橡胶混凝土（GFRC）与耐碱玻璃纤维橡胶混凝土（ARRC）。根据设计配合比,制作立方体试块、棱柱体试块、圆柱体试块总计180块,分别进行了基本力学试验、微观结构分析和增韧机理研究,主要研究内容如下: （1）对玻璃纤维橡胶混凝土立方体试件进行抗压、劈裂抗拉试验;对棱柱体试件进行轴心抗压、四点抗折试验,记录观察破坏形态,探究玻璃纤维对混凝土强度的影响。试验表明,玻璃纤维对混凝土性能产生了正向作用,大幅提高了抗拉与抗折性能,相较于橡胶混凝土最大分别提升43%、25%,但对抗压强度提升较小,仅提升了16%,其中ARRC效果最为明显;通过计算拉压比、折压比,证明玻璃纤维可以改善混凝土脆性;通过棱柱体轴心抗压试验,绘制玻璃纤维橡胶混凝土全过程应力-应变曲线,建立立方体抗压强度与轴心抗压关系式;对试件进行韧性评价,证明其韧性的提升;通过本构数学模型的建立,对轴压全曲线进行拟合分析对比,得出玻璃纤维橡胶混凝土的本构模型表达式。 （2）通过落锤冲击试验研究了玻璃纤维对橡胶混凝土的抗冲击性能影响,结果显示玻璃纤维提升了橡胶混凝土的抗冲击韧性,其中试件AR9.0RC的增韧效果最为显著,初裂、终裂次数达到了素混凝土的2.62、4.33倍;通过破坏形态对比分析了玻璃纤维橡胶混凝土、橡胶混凝土、素混凝土的差异,可以看出玻璃纤维橡胶混凝土展现出良好的延性破坏特征;引入韧性指数,发现玻璃纤维对于混凝土起到了明显的增韧效果,掺入9kg/m3的耐碱玻璃纤维增韧效果最佳,较素混凝土提高了333%,证明了玻璃纤维对混凝土存在增韧作用。 （3）引入复合材料力学理论,阐述了玻璃纤维的增粘、抗裂、加筋作用,从理论角度分析了纤维增强的可能性;通过宏观试验对玻璃纤维的增韧、阻裂机制进行分析;根据电镜扫描微观试验对玻璃纤维橡胶混凝土、橡胶混凝土、素混凝土进行分析,观察其微裂缝的发展和界面过渡区,对于掺入橡胶颗粒导致强度降低以及玻璃纤维的增强原理进行解释,通过理论分析、宏观试验、微观观察三种手段,阐释了橡胶颗粒与玻璃纤维的协同增强机理。 综上研究表明,玻璃纤维可以弥补橡胶混凝土强度不足的缺陷,极大地改善了混凝土的脆性,玻璃纤维橡胶混凝土作为一种新型混凝土材料,减轻了废旧橡胶给环境造成的污染,为混凝土材料绿色可持续发展提供了思路。

关键词： 煤矸石   再生骨料   正交试验   力学性能   微观分析  

摘要： 煤炭生产和加工过程中产生的固体废物—煤矸石,与新建筑施工、老旧建筑拆除过程中产生的建筑固废,均属于我国七类大宗固废。围绕绿色、高质量、可持续的发展目标,我国必将加快大宗固废综合治理进程。基于大宗固废综合治理理念,根据煤矸石与建筑固废的各自特点,提出将煤矸石破碎研磨作为掺合料,建筑固废作为粗骨料制备煤矸石-再生骨料混凝土,将大宗固废重新作为生产原料循环使用。为了使得煤矸石-再生骨料混凝土满足一定工程适用性,本文通过宏细观试验研究,结合理论分析,对煤矸石-再生骨料混凝土配合比设计、煤矸石-再生骨料混凝土力学性能影响因素、煤矸石-再生骨料混凝土导热性能、煤矸石对再生骨料混凝土的微观影响机理进行了研究与探讨,主要工作及结论如下:（1）通过单因素试验,分别讨论了单掺煤矸石微粉、再生骨料对混凝土强度的影响。结果表明:混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度随煤矸石微粉取代率增加而下降,煤矸石微粉取代率在20%以内。混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度随再生骨料取代率增加呈先下降后上升再下降的变化,再生骨料取代率应在60%左右。再生骨料混凝土抗压强度随水胶比增大而降低。（2）通过正交试验对复掺煤矸石微粉、再生骨料混凝土进行配合比优化设计,讨论正交试验各因素对煤矸石-再生骨料混凝土强度的影响。结果表明:正交试验最优因素组合为:水胶比为0.5,煤矸石微粉取代率为10%,再生骨料取代率为60%,配合比为水泥:砂:水:再生骨料:天然骨料:煤矸石微粉=1:1.59:0.55:1.64:1.09:0.11。所制备煤矸石-再生骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度可达25.42 MPa、2.43 MPa。各因素对煤矸石-再生骨料混凝土早期强度影响规律并不明显。煤矸石-再生骨料混凝土中、后期抗压强度、劈裂抗拉强度随水胶比的增加而降低,随煤矸石微粉取代率增加而降低。再生骨料取代率对煤矸石-再生混凝土强度没有显著影响。（3）对优化配比后的煤矸石-再生混凝土,进行早龄期强度分析、导热性能测试。结果表明:煤矸石-再生骨料混凝土强度随龄期发展的速率较为缓慢。煤矸石-再生骨料混凝土导热系数比普通混凝土降低18%,采用煤矸石微粉取代一部分水泥,可提升混凝土保温隔热性能。（4）通过SEM、EDS、XRD微观检测手段对煤矸石-再生骨料混凝土微观形貌、元素组成、水化产物、水化机理进行了进一步分析,揭示煤矸石微粉对再生骨料混凝土强度影响机理。研究发现,煤矸石-再生骨料混凝土是由粗骨料、旧界面过渡区、旧砂浆、新界面过渡区、新砂浆组成的五相体,具有和再生骨料混凝土同样的界面特征。导致煤矸石-再生骨料混凝土强度下降的原因为:1.煤矸石微粉取代率增加,水泥浆体内部钙硅比Ca/Si增加,高钙硅比的水泥浆体结构较不稳定。2.煤矸石微粉与水泥内部组成成分不同,采用煤矸石微粉取代水泥,使得原本的水化反应严重受阻,水化产物发育不良,混凝土强度降低。虽然煤矸石微粉具有火山灰活性,在浆体内发生二次水化反应,生成少量有一定强度贡献的水化产物,但不足以弥补一次水化反应受阻带来的强度缺失。3.随水胶比增大,水化产物Ca（OH）受水溶蚀破坏,水泥浆体结构变得疏松。4.煤矸石-再生骨料混凝土内部孔隙率大,空气中的CO会渗透到孔隙中导致发生一定程度的碳化现象。

关键词： 泡沫混凝土   耐碱玻璃纤维   力学性能   热工性能   数值模拟  

摘要： 渠道抗冻胀方面经常使用的是铺设挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）然后在保温板上铺设混凝土,其施工复杂,保温板耐久性差,工程造价高。本文以纤维泡沫混凝土为保温隔热层,与C20普通混凝土相结合,组成纤维泡沫混凝土—C20混凝土,来代替由挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）和普通混凝土组成的渠道保温层,降低施工难度,提高工程经济性,延长渠道使用寿命。本研究制备了干密度为800kg/m3、纤维掺量分别为0、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的泡沫混凝土试样,养护28d后通过对其力学性能以及热工性能进行试验,得出热—力性能综合最佳的纤维掺量。然后将最佳纤维掺量下的泡沫混凝土与C20普通混凝土相结合,组成纤维泡沫混凝土—C20混凝土,通过试验对纤维泡沫混凝土—C20混凝土力学性能与热工性能进行测定,探究纤维泡沫混凝土—C20混凝土与普通混凝土、泡沫混凝土之间的性能差异,利用ABAQUS软件对纤维泡沫混凝土—C20混凝土以及渠道保温板进行数值模拟对比分析。主要得出以下结论:（1）不同纤维掺量的试验结果表明,随着纤维掺量的增加,泡沫混凝土的抗压强度与抗折强度呈现出先增大后减小的趋势,并在纤维掺量为0.4%时,纤维泡沫混凝土的抗压强度、抗折强度达到最大值;导热系数呈现不断增加的趋势;吸水率呈现出不断减小的趋势,根据试验结果选择纤维掺量为0.4%的纤维泡沫混凝土作为纤维泡沫混凝土—C20混凝土结构的保温材料。（2）随着龄期的不断增加,纤维泡沫混凝土—C20混凝土、泡沫混凝土以及C20普通混凝土的抗压强度都呈现出不断增大的趋势;纤维泡沫混凝土—C20混凝土和泡沫混凝土的导热系数呈现出减小后增加的趋势,C20普通混凝土的导热系数呈现不断增大的趋势;纤维泡沫混凝土—C20混凝土、泡沫混凝土以及C20普通混凝土的吸水率呈现不断增大的趋势。在抗压强度方面,C20普通混凝土的抗压强度最大,纤维泡沫混凝土—C20混凝土的抗压强度次之,泡沫混凝土的抗压强度最小。在导热系数方面,C20普通混凝土的导热系数最大,纤维泡沫混凝土—C20混凝土的导热系数次之,泡沫混凝土的导热系数最小。在吸水率方面,泡沫混凝土的吸水率最高,C20普通混凝土的吸水率最低,纤维泡沫混凝土—C20混凝土的吸水率介于泡沫混凝土与普通混凝土之间。根据试验结果纤维泡沫混凝土—C20混凝土可以代替由挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）和普通混凝土组成的渠道结构。（3）利用ABAQUS软件对比分析了纤维泡沫混凝土—C20混凝土和由挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）和普通混凝土组成的渠道衬砌结构,模拟结果表明,温度场方面,纤维泡沫混凝土—C20混凝土衬砌保温层与保温板衬砌保温层传热效果相差不大,纤维泡沫混凝土—C20混凝土衬砌底坡冻深线为0.789m、阳坡冻深线为1.44m、阴坡冻深线为1.41m,保温板衬砌底坡冻深线为0.756m、阳坡冻深线为1.35m、阴坡冻深线为1.29m,纤维泡沫混凝土—C20混凝土衬砌冻深线比温板衬砌冻深线略深,位移场方面,由于纤维泡沫混凝土—C20混凝土衬砌的重量比保温板衬砌大,导致其冻胀量略大于保温板衬砌的冻胀量,纤维泡沫混凝土—C20混凝土衬砌冻胀量最大为0.1129m,保温板衬砌冻胀量最大为0.0916m。因此,用纤维泡沫混凝土—C20混凝土来代替由挤塑聚苯乙烯保温板（XPS）和普通混凝土组成的渠道衬砌保温层具备一定的可行性。

关键词： 超高性能混凝土   细观力学分析   细观数值模型   有限元分析   内聚力模型  

摘要： 本文从细观层面出发,将超高性能混凝土视为由水泥砂浆、钢纤维以及两者之间的界面过渡区构成的三相复合材料,基于PYTHON脚本程序,编写了针对不同类型钢纤维的碰撞检测算法,随后建立了超高性能混凝土细观数值模型。通过对超高性能混凝土单轴压缩进行模拟,研究了钢纤维体积率、钢纤维长度和钢纤维类型对超高性能混凝土轴压性能和损伤破坏流程的影响,揭示了超高性能混凝土的损伤破坏机理。论文主要工作如下:(1)运用PYTHON脚本语言,简化了常规圆形截面钢纤维的碰撞检测算法,提高了钢纤维的投放效率,此外,通过二次优化进一步提出了端钩型钢纤维型钢纤维的碰撞检测算法。在采用包围盒算法和分离轴理论的条件下,提出了铣削型钢纤维的碰撞检测算法,并且该算法还适用于其他任意几何形状钢纤维的碰撞检测。随后在随机纤维模型的基础上,建立了不同钢纤维类型的细观数值模型。(2)进行了多种类型钢纤维的单丝拔出试验,根据试验结果计算得到了圆直型钢纤维(端钩型钢纤维)、镀铜微丝型钢纤维和铣削型钢纤维与超高性能混凝土之间的粘结强度,并通过试验的破坏形态、现象和拔出应力-归一化滑移曲线等结果,总结提出了适用于不同类型钢纤维的拔出模型;在试验研究的基础上,采用ABAQUS软件,建立了钢纤维拔出试验的细观数值模型,在通过内聚力-摩擦模型描述了钢纤维粘结滑移的条件下,进行了钢纤维拔出试验的数值模拟。结果表明,数值模拟与试验结果吻合良好,验证了本文粘结滑移参数的准确性。(3)在钢纤维与超高性能混凝土基体之间粘结滑移属性参数合理的基础上,对超高性能混凝土细观数值模型进行了单轴受压模拟,以钢纤维体积率、钢纤维长度和钢纤维类型为控制变量,探究了参数对超高性能混凝土轴压性能和损伤破坏过程的影响,并揭示了其在轴压荷载下的损伤破坏机理。

关键词： 再生混凝土   改性   力学性能   微观结构   数值模拟  

摘要： 随着我国可持续发展战略的实施,废弃混凝土的再生利用成为当前研究的热点之一。然而,由于再生粗骨料内部存在缺陷,导致配制出的混凝土力学性能下降。本文采用水玻璃溶液改性再生骨料,通过物理性能指标测试、力学试验、电镜扫描和EDS线扫分析等方法,从宏观和微观角度对水玻璃改性再生混凝土进行研究。并通过数值模拟,从细观角度分析损伤裂缝和各相材料对再生混凝土力学性能的影响。具体研究内容如下:(1)研究了在不同浸泡条件下,水玻璃溶液对再生粗骨料表观密度、吸水率和压碎指标的影响。结果表明:当浸泡溶液浓度为5%时,浸泡一小时后对再生粗骨料改性效果最佳。(2)分析了不同取代率和不同粒径对再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度的影响。结果表明:再生混凝土的力学性能随着取代率的提高而降低,随着粒径的减小而提高。在此基础上,进一步分析了改性再生骨料对混凝土力学性能的影响。(3)采用SEM电镜扫描和EDS线扫分析对再生混凝土及其骨料的微观形貌和界面宽度进行了研究。结果表明:水玻璃溶液改性过程中产生的硅酸凝胶填充了再生骨料表面的孔隙,由其制备的混凝土表面裂缝也有所减少。改性后再生混凝土及其骨料的界面宽度分别减少了2.7μm和9.0μm。(4)通过有限元软件ABAQUS构建再生混凝土细观模型,直观的演示了在荷载作用下损伤裂缝的发展过程,并分析了不同参数下各相材料对再生混凝土力学性能的影响。结果表明:损伤裂缝首先从旧界面区产生,而新砂浆的强度和旧砂浆的厚度是影响构件力学性能的关键因素。

关键词： 地质聚合物   砂土固化   无侧限抗压强度   微观结构   剪切波速  

摘要： 地质聚合物被视为未来可取代水泥的新型材料。本研究设计不同的原材料、配合比、激发剂、水灰比、养护条件等多组试验方案,分析地质聚合物在加固砂土中的特性,寻找最优的加固配比。研究采用工业固废的高炉矿渣、粉煤灰作为原料,采用氢氧化钠、硅酸钠作为激发剂,制成一种新型的矿渣-粉煤灰基聚合物,研究了其凝结时间、干缩性、抗压强度等特性。并用矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化砂土,通过无侧限抗压强度测试(UCS)、电子计算机断层扫描(CT)分析、扫描电子显微镜(SEM)观察、弯曲元(Bender-Elements)剪切波速测试等手段对试样进行了深入研究。主要研究结果如下: (1)基于高炉矿渣-粉煤灰的地质聚合物可有效地提高砂土的力学性能。 (2)提高碱激发剂的用量会使得凝结时间缩短,干缩率增大。提高水灰比会延长凝结时间,增加干缩率;增加粉煤灰的取代率,可以起到延长凝结时间,降低干缩率的效果;通过改变矿渣、粉煤灰的比例可以改变地质聚合物反应过程中的硅铝比,影响试样的强度。 (3)通常情况下,地质聚合物固化砂土的抗压强度随养护龄期的延长呈指数增长;低温对地质聚合物固化砂土强度增长表现为一种延迟效应,而负温会破坏地质聚合物固化砂土的结构;复合激发剂的加固效果优于单组分激发剂,更能提高固化砂土的抗压强度。 (4)碱性环境有利于地质聚合物砂土的强度发展和强度保持;养护应力可减小体系中的大孔隙比例,可加快体系中水分的传输,促进水化反应的进行。 (5)剪切波在固化砂土中的传播速度与多因素相关,通过剪切波速可以很好地预测固化砂土的抗压强度。

关键词： 煤气化渣-煤矸石混凝土   替代比例   力学性能   井下地坪   ABAQUS  

摘要： 矿山生产过程中会产生大量煤矸石,煤气化过程中会产生大量煤气化渣,这些固体废弃物会造成土地资源浪费和环境污染。井下巷道地坪施工需要大量的混凝土,以煤矸石、煤气化渣替代混凝土中的粗细骨料制备新型混凝土并应用于矿井建设,消耗了大量的固体废弃物,减少了对环境的污染,节省了矿建成本。本文依托煤矿实际工程背景,选用宁夏煤业羊场湾矿煤矸石和煤气化粗渣进行研究,同时选用羊场湾矿提供的碎石和砂子,研究了煤矸石、煤气化渣混凝土的力学性能与井下地坪的应用性。本文主要研究如下:(1)对煤矸石及煤气化渣和天然骨料的基本物理力学性能进行了对比分析;同时采用XRD、XRF、扫描电镜研究了骨料的化学成分、矿物组成、微观结构,得出了煤矸石和煤气化渣用作混凝土骨料的可行性。(2)利用煤矸石、煤气化渣分别单独替代混凝土中的天然骨料来制备相应的煤矸石、煤气化渣单替混凝土,设计了合理配比,开展了混凝土立方体抗压强度和抗折强度试验,研究了不同替代比例下煤矸石、煤气化渣混凝土破坏形态、抗压强度、抗折强度、抗折强度与立方体抗压强度的关系,同时设置普通混凝土作为标准对照组进行对比,研究发现,煤矸石对混凝土力学性能产生不利影响,而煤气化渣可提升混凝土力学性能。(3)基于前期试验结果,在煤矸石、煤气化渣二者同时替代试验中煤气化渣取较大的替代比例,分别为50%、70%、100%,同时煤矸石的替代比例分别为20%、30%、50%,并设置不同水灰比下煤矸石和煤气化渣100%替代比例的双替混凝土。开展了坍落度试验、立方体抗压强度试验、抗折强度试验,研究表明,替代比例为煤矸石低于30%,同时煤气化渣高于50%的双替混凝土各项性能指标较优;煤矸石和煤气化渣100%替代比例的双替混凝土最优水灰比为0.6。(4)利用ABAQUS有限元软件建立路面结构和井下地坪三维有限元模型,对比分析了路面结构和井下地坪在行车荷载作用下的最大拉应力、竖向位移,确定了井下地坪的临界荷位和煤矸石、煤气化渣双替混凝土的适用性,依据矿山实际情况,分析了静载作用下轴载大小、基层厚度、面层厚度对井下地坪力学响应的影响。(5)在石槽村煤矿开展了工业性试验。结果表明,地坪混凝土现场实测强度达到要求,地坪浇筑效果较好;同时对试验段巷道进行了经济成本分析,综合考虑骨料替换费用节约和固废处置费用节约情况,经济节省效果明显。

关键词： 干湿循环   含水率   初始剪切   抗剪强度指标   边坡稳定性  

摘要： 红黏土是一种特殊土,在我国露出面积达108万平方公里。在这些区域,红黏土难以避免作为工程地基、路基或边坡的主要土层,其特殊性质也日益成为工程和研究所关注的重点。红黏土水敏性较强,既有研究已证实在反复干湿循环下红黏土的力学性质将发生显著改变。工程实际中如边坡开挖,坡体的应力场发生变化,土体实际处于初始剪切状态,而后由于气候变化再经历干湿循环。这种先剪切后干湿循环过程所导致红黏土力学性质的变化应与不考虑初始剪切时有所不同,但目前国内外学者针对红黏土干湿循环特性的研究几乎还都未考虑土体初始剪切状态的影响,其影响强弱当前还不甚明了,这种不确定性对于工程而言是具有风险的。因此,为获得更符合工程实际的指标参数,在初始剪切应力状态下开展红黏土的干湿循环力学特性变化研究就很有必要,这将有助于在新的工程背景和特点下澄清对此类共性问题的认识,也可为红黏土地区的工程建设和灾害防治提供依据。 本文选用湖南省永州市冷东城际快线沿路某场地红黏土作为试验用土,首先对其开展基本土工试验和微观测试;而后开展红黏土干湿循环和不同初始剪切水平下干湿循环后的直剪试验,通过控制压实度、干湿循环次数、干湿循环幅度和初始剪应力水平等指标对比分析红黏土强度特性的变化;最后采用OPTUM G2有限元极限分析软件建立边坡数值模型,变化坡高、干湿循环影响深度、干湿循环次数、初始剪切水平等因素进一步探究干湿循环与初始剪切对红黏土边坡稳定性的影响。获得主要结论如下: (1)红黏土抗剪强度随干湿循环次数的增加呈非线性减小,衰减作用主要集中在前3次循环,衰减幅度最大可达50%,之后则表现不明显,另外土体强度与土样干湿循环幅度呈正比,随干湿循环幅度的减小表现出先慢后快的衰减规律; (2)初始剪切水平越高土样越接近破坏状态,初始剪切对红黏土强度的影响路径与程度跟干湿循环次数有关,相较于干湿循环、压实度对土样黏聚力的影响改变,初始剪切对土样内摩擦角的影响改变更为明显; (3)边坡稳定性随着干湿循环次数的增加逐渐降低,干湿循环影响深度对边坡稳定性的影响较弱,但两者具有耦合效应; (4)先开挖再干湿循环边坡随干湿循环次数的增加稳定性下降程度远大于先干湿循环再开挖边坡,初始剪切对边坡稳定性影响很大。 (5)随着坡高的增加,边坡安全系数不断降低,当坡高增加到15 m后,稳定性系数受干湿循环次数的影响不再显著,坡高成为控制边坡稳定的主导因素。