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关键词： 钢渣粉   抗压强度   碱当量   砒砂岩   清水-冻融循环   冻融-盐侵(氯化镁)耦合循环  

摘要： 砒砂岩是一种成岩程度低的弱胶结岩,集中分布于黄土高原北部晋陕蒙接壤的鄂尔多斯区。随着土木工程行业的发展,砒砂岩多用于基础回填,由于回填裸露于表面的砒砂岩土体遇风成沙,遇水溃散,造成水土流失,给当地的经济发展带来巨大的影响。因此,因地制宜利用砒砂岩制成水泥土,以期减少水土流失。本文以内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩为研究对象,采用废弃钢渣粉部分替代水泥,并用碱激发的方法制备钢渣粉砒砂岩水泥复合土,利用WDW-50型万能试验机、X射线衍射仪、扫描电镜、三维超景深显微镜、压汞仪等设备对钢渣粉砒砂岩水泥复合土力学性能、耐久性和微观结构进行分析,得到以下结论:1.从钢渣粉利用率和复合土强度两方面综合考虑,11%钢渣粉掺量废料利用率最大,为最经济钢渣粉掺量,2%的碱激发剂为最优碱当量。2.碱当量的增加,可促进钢渣粉水化生成产物增多,更好起到胶结土颗粒和填充内部的孔隙作用。使表面结构均匀程度得到改善,内部结构最可几孔径向微小孔径方向移动,裂纹孔径峰向大孔径方向移动,进而使抗压强度提高,且碱激发剂掺量2%时,效果最佳。3.随清水-冻融循环、冻融-盐侵（氯化镁）耦合循环次数的增加,各碱当量下的钢渣粉砒砂岩水泥复合土强度、质量、总能量U、峰值点总能量Up、峰值点可释放弹性应变能Ue和峰值点耗散应变能Ud均呈下降趋势,即试件抵抗破坏的能力减弱。4.随冻融-盐侵耦合循环次数的增加,胶凝性极差的络合物Mg-S-H和腐蚀的结晶体Friedel’盐含量增多,强度高的十字沸石晶体减少,导致钢渣粉砒砂岩水泥复合土微观结构劣化,密实度降低,使钢渣粉砒砂岩水泥复合土抗压强度呈减小趋势。在冻融-盐侵耦合循环次数相同时,加入2%的碱当量的11%钢渣粉掺量的试块的抗压强度要高于其它3组,这表明其抵抗冻融-盐侵耦合的能力最强,抗冻性和耐盐性最优。

关键词： 胶结土   力学特性   状态相关性   本构模型   计算预测  

摘要： 随着我国城市化的发展,地区之间、地区内部的基础设施建设项目得以迅速发展。沿海地区土层中淤积着大量的软黏土,与此同时,施工过程中往往会带出了大量的淤泥质土。进行原状土的改良与资源化利用就显得具有较强的实用价值,综合经济及适用范围等多方面的考虑,针对淤泥质土、软土的加固(胶结)使其具有一定结构性成为相关工程的首选方案。 在土中掺入一定量的胶结物形成具有显著结构性的人工胶结土,这被广泛应用于天然岩土体的改良。既有研究发现采用人工胶结的方式可以显著提高土体强度、变形特性,然而,结构性的存在往往会诱发胶结土相较重塑土呈现出更为复杂的力学特性,实现其力学行为的定量化分析及合理预测十分必要。此处针对胶结土力学行为的共性问题,首先开展了不同初始状态(孔隙比、围压、胶结性)水泥胶结土的三轴压缩与剪切试验,系统分析了其力学特性的状态相关性,其次将表示抗拉性能的状态变量引入到上、下加载面模型中,对其屈服面进行了拓展并采用拓展的本构模型对应的程序开展了不同初始状态下胶结土和既有结构性土的力学行为的本构计算,最后,将本构程序接入到应力—渗流耦合的有限元程序中结合相关实际工程进行了计算预测。研究结果表明: (1)胶结土的峰值剪切应力比受初始状态量的影响显著,而残余剪切应力比受初始状态量的影响较小,表明残余强度可作为胶结土的一个状态无关的力学特性参数,特别的,相对大孔隙比的胶结土在剪切过程中出现了“剪缩软化”现象,这点有别于超固结土和密实砂土中出现的“剪胀软化”,表明胶结结构性的损伤是岩土体“软化”力学行为的一个重要机制。 (2)胶结土的等向压缩曲线、临界状态曲线受初始状态量(胶结性、孔隙比)的影响显著。由于结构性损伤使得压缩曲线会逐渐向重塑胶结土压缩曲线趋近,初始孔隙比越大,压缩曲线中结构性损伤诱发的“压缩弯折”现象出现得越早且越明显。此外,胶结土的应变局部化破坏现象会引起试样孔隙状态无法全局趋向于固有临界状态,使得胶结土临界状态线往往位于重塑胶结土临界状态线的上方。 (3)将表示胶结土的抗拉性能状态变量引入到上、下加载面模型中,对其屈服面进行了拓展并建立相应的有限元程序,其单元试验的本构计算结果能够较好地再现上述不同初始状态胶结土及高、低结构性土的等向压缩与三轴剪切试验结果,表明所采用的状态相关本构模型能够合理地描述结构性土的复杂力学行为,在此基础上,将本构程序接入应力—渗流耦合的有限元程序中,在边值问题的计算预测中表明所采用的胶结土能够有效减少淤泥质土的竖向的沉降量,但在循环荷载作用下胶结力的衰减和结构性的损伤是持续的。

摘要： 《岩土力学》是中国科学院武汉岩土力学研究所主办的综合性岩土力学与工程学术期刊。为全国中文核心期刊，中国科学引文数据库、中国学术期刊综合评价数据库、中国科技论文统计源期刊，《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》全文收录，也是国际三大检索系统之一的美国《工程索引》（EI compendex）文摘收录期刊（光盘版）。

关键词： 碱激发   复合胶凝材料   再生混凝土   力学性能   微观结构  

摘要： 随着我国经济的快速发展和城镇化建设进程的加快,每年都会产生大量的建筑垃圾和工业废弃物,不仅对环境造成污染而且浪费资源,另一方面大规模的工程建设导致水泥的用量逐年增长,然而水泥的生产不仅会消耗大量的燃煤和电能还会排放大量CO2。为解决环境污染以及实现废弃混凝土资源化的高效循环利用,本文以碱激发粉煤灰-矿渣复合材料替代传统硅酸盐水泥、再生粗骨料替代天然粗骨料,制备出一种新型绿色的混凝土。研究主要围绕碱激发粉煤灰-矿渣净浆、砂浆及再生混凝土这三个层面依次开展了相关试验研究,分别讨论了不同影响因素对材料工作性能和力学性能的影响规律,并采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、压汞(MIP)、扫描电子显微镜(SEM)等技术手段对其微观结构进行分析,从微观层次揭示了对其力学性能的内在影响机理。本文的主要研究内容和结论如下: (1)以不同矿渣掺量和激发剂浓度为试验变量,探究了其对碱激发胶凝材料(碱激发净浆)流动度和抗压强度的影响规律,并通过水化热、XRD、FTIR、MIP以及SEM等技术手段对碱激发胶凝材料的水化反应机理、物相组成、孔结构特征和微观形貌进行了分析。结果表明:碱激发胶凝材料流动度随矿渣掺量和激发剂浓度的增加均呈不断减小的趋势;抗压强度随矿渣掺量的增大呈不断增大的趋势,且随矿渣掺量的不断增大,增幅不断减小,随激发剂浓度的增大抗压强度呈先增大后减小的趋势;矿渣掺量的增加可以有效提高原材料的水化反应速率,促进生成了更多的水化产物,细化了结构的孔径分布,降低了孔隙率,从而提高了材料的抗压强度;激发剂浓度的增大提高了溶液的碱性环境,优化了水化反应水平,促进了更多的水化产物生成,但过高的激发剂浓度会阻碍水化反应的进行,影响胶凝材料的强度发展。从工作性能和力学性能这两个方面综合考虑,碱激发胶凝材料的最优配合比为矿渣掺量70%、激发剂浓度0.30。 (2)在上述研究的基础上,进一步探究了胶砂比和激发剂浓度对碱激发砂浆流动度和抗压强度的影响规律,并采用MIP和SEM等技术手段对碱激发砂浆的孔结构特征和微观形貌进行了分析。结果表明:碱激发砂浆流动度随胶砂比的减小而减小,随激发剂浓度的增大而减小;碱激发砂浆抗压强度随胶砂比和激发剂浓度增加均呈先增大后减小的趋势;适当增大胶砂比可以有效降低孔隙率,增强了结构的密实性,提高了 砂浆的抗压强度;适当增大激发剂浓度,可以提高水化反应速率,促进水化产物的生成,细化结构的孔径分布,从而强度得到了提高。碱激发砂浆的最优配合比为胶砂比0.5、激发剂浓度0.35。 (3)在最佳碱激发砂浆配合比的基础上继续开展了碱激发再生混凝土试验研究,探究了水胶比和再生粗骨料取代率对其工作性能和力学性能的影响规律,建立了抗压强度和劈裂抗拉强度关系式,采用SEM分析了不同配合比对其界面过渡区粘结性能的影响。结果表明:与普通再生混凝土相比,碱激发再生混凝土表现出优异的工作性能和力学性能。随水胶比的增大碱激发再生混凝土坍落度呈不断增大的趋势,随再生粗骨料取代率的增大呈不断减小的趋势;碱激发再生混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量均随水胶比和再生粗骨料的增大呈不断减小的趋势;与普通再生混凝土相比,碱激发再生混凝土界面过渡区强度远高于普通再生混凝土,随水胶比和再生粗骨料取代率的增大,骨料与砂浆界面过渡区出现裂纹及孔隙,粘结性能变差,导致强度不断降低。

关键词： 乡村振兴   工程地质   土力学   实践教学  

摘要： 作为高职院校土木工程专业的基础课程，传统的“工程地质与土力学”课程教学过程中存在课程内容繁多、实践教学与工程实际脱节等问题。某职业技术学院为解决以上问题，提出了基于乡村振兴战略背景的“工程地质与土力学”课程教学改革方案，从农村道路边坡防护处理、农村房屋沉降调查、参与地质文化村建设三个方面完善实践教学活动，以体现该校的农业特色，通过向学生发放问卷的形式调查教学改革的成效。本文以某职业技术学院的改革实践为例，对基于乡村振兴战略背景的“工程地质与土力学”课程教学改革展开研究，以期为高职院校创新人才培养模式提供思路。

关键词： 钻井固废   配合比   正交实验   混凝土   微观结构  

摘要： 钻井固废物是石油天然气开采和加工过程中产生的固体废物,本文从资源化利用的角度考虑,将钻井固废物作为原材料制备路面混凝土。本文利用试验方法进行钻井固废路用混凝土的配合比及力学性能研究,通过正交试验分析各因素配合比取值范围和影响规律并基于试验结果确定最佳配合比;结合SEM微观结构和EDX能谱测定对钻井固废混凝土力学性能开展研究,主要工作如下:通过三因素五水平正交试验设计对钻井固废混凝土进行配合比初步设计。通过调整不同水灰比、砂率、钻井固废掺量,确定满足四级公路建设要求的配合比范围。对正交实验结果进行极差和方差分析,探究各因素对钻井固废混凝土力学性能的影响变化规律。在此基础上,继续优化混凝土设计,以实验方法确定钻井固废混凝土的最佳配合比。同时对钻井固废混凝土进行冻融循环分析,从混凝土抗冻性方面开展试验研究。采用SEM扫描电镜和EDX能谱测定方法对钻井固废混凝土微观结构进行分析,探究钻井固废掺入对混凝土水化反应机理的影响。本文主要工作如下:1.根据正交结果采用混凝土水灰比取值范围为0.5～0.6,砂率取值范围为45%～55%,钻井固废掺量取值范围为2.5%～7.5%时,能够达到四级公路建设要求。各因素对钻井固废路用混凝土28d抗压强度影响大小顺序为:钻井固废掺量(C)>水灰比(A)>砂率(B)。2.混凝土水灰比在0.50～0.55范围、混凝土砂率为50%、钻井固废掺量为5.0%时钻井固废混凝土28d抗压强度达到最大,最大值为37.81MPa。确定钻井固废混凝土的最佳配合比。3.钻井固废的吸水性会使水泥等材料无法与水结合以形成胶凝物质,进而影响水泥砂浆的固结能力和混凝土强度。钻井固废混凝土硅钙比Si/Ca远大于普通混凝土,在碱性环境的水化反应中,会形成C-A-S-H凝胶,对混凝土力学性能有利好作用。对不同掺量的混凝土进行水化产物分析并推断其力学强度变化规律,当Si/Ca为0.85～1.2时,钻井固废取值范围约为4.31%～7.76%之间,这时钻井固废混凝土水化产物较理想,混凝土力学性能较好。

关键词： 循环模式   膨胀土   胀缩特性   裂隙规律   力学特性   微观机理   修正剑桥模型  

摘要： 北疆供水一期工程是我国在寒旱区建成的最大跨流域调水工程,寒冷、干旱等特殊自然环境条件以及季节性的输水模式导致渠基膨胀土力学性质发生劣化,是诱发膨胀土渠坡发生滑动破坏现象的根本原因。目前国内外学者关于膨胀土基本特性已有诸多研究成果,但所研究的试验条件较为单一,对不同循环模式作用下膨胀土力学特性的影响研究较少。因此,本文在已有研究成果的基础上,为深入探究北疆供水一期工程膨胀土渠坡的滑动破坏机理,通过对膨胀土进行干湿循环、冻融循环及干湿-冻融循环三种不同条件下的无荷膨胀率试验、有荷膨胀率试验、收缩试验、微观扫描试验、裂隙性试验、直剪试验、侧限压缩试验和渗透试验等,从宏观层面分析其力学特性的变化规律,从微观层面阐释其变化的物理机制。基于对干湿-冻融循环条件下膨胀土三轴试验结果分析,建立模型参数与循环次数的函数关系,对修正剑桥模型进行改进。相关研究结论如下:(1)不同循环模式条件下膨胀土的胀缩特性试验:(1)无荷膨胀率试验:膨胀土的膨胀变形随时间的增加可分为快速膨胀、匀速膨胀及稳定三个阶段,膨胀变化主要集中在快速膨胀阶段;无荷膨胀率随循环次数增加均呈逐渐减小的趋势,第五次循环后逐渐趋于稳定。(2)有荷膨胀率试验:膨胀土的膨胀变形随时间的增加而增加,膨胀速率随时间的增加逐渐变缓,上覆荷载越大,有荷膨胀率越低,说明上覆荷载抑制了膨胀土吸水膨胀作用;随着循环次数的增加,有荷膨胀率逐渐减小,第五次循环后逐渐趋向于稳定值。(3)收缩试验:随着循环次数的增加,不同循环模式条件下膨胀土试样的线缩率在循环初期变化显著,随后逐渐减小,在第五次循环后逐渐趋向于稳定值;在相同循环模式条件下,荷载越大,其线缩率越小。(4)扫描电镜试验:试样经过循环后,土体孔隙和颗粒总数呈逐渐增大趋势,颗粒总面积、颗粒平均尺寸、颗粒面积占比及颗粒平均周长逐渐减小。土颗粒大小及含量是影响胀缩性的主要因素,循环作用会影响黏土颗粒的大小、含量及排列等因素的变化,导致胀缩特性的减弱,其中干湿-冻融循环颗粒总面积变化程度最大,膨胀土试样胀缩变化程度最大,冻融循环对微观结构影响最小,膨胀土试样胀缩变化程度最小。(2)不同循环模式条件下膨胀土的力学特性试验:(1)裂隙性试验:随循环次数的增加,裂隙率等裂隙参数均呈先快速增加,随后速度变缓,最终趋于稳定。在已有裂隙性指标的基础上提出新的裂隙性指标Q,Q的取值范围为0≤Q<1,Q值越大说明裂隙网络的连通性越好,Q可更好描述膨胀土裂隙的连通性,Q随着循环次数的增加而增加。(2)直剪试验:膨胀土经历三种循环后,黏聚力均随循环次数的增加而降低。其中干湿-冻融循环变化幅度最大,冻融循环最小;内摩擦角整体变化不大;宏观-细观:膨胀土试样经过干湿-冻融循环后,裂隙不断增加,其抗剪强度随着裂隙参数Q的增加而降低,拟合得到裂隙参数Q与黏聚力的关系曲线,随着裂隙参数Q的增加黏聚力减小;细观-微观:经过干湿-冻融循环后,颗粒总数逐渐增多,颗粒总面积及颗粒平均尺寸逐渐减小,故裂隙产生逐渐增多,裂隙参数Q与各微观参数的灰色关联度均大于0.67,其中颗粒总数及颗粒总面积为主要影响因素;宏观-微观:微观结构的破坏导致土颗粒之间的相互吸引力逐渐减小,黏聚力逐渐变小。(3)压缩试验:膨胀土经过三种循环模式作用后,孔隙比有不同程度的下降,随着循环次数的增加,变化幅度放缓逐渐趋于稳定值,其中干湿-冻融循环变化幅度最大,冻融循环最小。基于微观试验分析,压缩前后平均丰度均无明显变化;极角频率增加;颗粒数量、孔隙数量及微观孔隙率均与循环次数呈线性正相关。干湿循环作用下,土颗粒骨架发生较大变化,冻融循环作用下,土颗粒被冰晶挤压形成新的骨架结构,导致孔隙比的降低。压缩系数随微观孔隙率的增大呈逐渐增大的趋势。(4)渗透试验:渗透系数在循环过程中变化分为缓慢、迅速、稳定三个阶段。其中,干湿-冻融循环变化幅度最大,冻融循环最小。基于微观试验分析,颗粒丰度整体处于平衡状态;土体的颗粒定向频率有各向均匀化发展的趋势;微观孔隙率整体波动范围变化较大,一定程度上反映出膨胀土在循环过程中渗透系数的变化。在干湿循环过程中,水分在土骨架之间不断迁徙,形成新的渗流通道,冻融循环条件下的冻胀作用,为渗流提供了通道。渗透系数随微观孔隙率增大呈逐渐增大的趋势。(3)干湿-冻融循环条件下膨胀土的三轴试验及修正剑桥模型的改进:(1)三轴试验:干湿-冻融循环作用下,膨胀土的破坏强度及黏聚力随循环次数的增加而逐渐减小,第一次循环后变化最明显,而后趋于稳定,内摩擦角受干湿-冻融循环的影响不大。未进行过干湿-冻融循环的试样微观结构相对牢固。随着干湿-冻融循环的进行,部分较大土粒聚集体经过干湿-冻融循环逐渐分离变小,黏结力逐渐减小,微观结构破坏进而影响土体宏观力学特性。(2)修正剑桥模型的改进:基于已有修正剑桥模型,引入有效粘结应力

关键词： 再生砖混骨料   砖骨料掺量   砖骨料粒径   力学性能   双K断裂参数  

摘要： 随着我国基础设施及城镇化建设的快速推进,大量构筑物被更新或拆除,产生大量砖混混合废弃物,严重影响城市生态环境和可持续发展。由于砖混废弃物组成复杂,固废精细分选成本高,工程中通常是将砖混废弃物直接加工成含一定砖骨料的再生骨料后进行资源化再利用。然而再生砖混骨料组分复杂、骨料自身强度差异大,严重影响混凝土力学及断裂特性,再生骨料掺量及粒径组成对再生混凝土性能影响亟待深入研究。 本文以再生砖骨料的粒径(5-10mm、10-20mm)和掺量(10%、20%、30%、40%、50%)作为参数,等粒径替代5-20mm连续级配再生混凝土骨料制备再生砖混骨料混凝土试块,开展不同砖骨料粒径和掺量影响下的再生混凝土力学和断裂性能研究。通过对各组再生混凝土破坏状态、抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂性能的分析,探究了掺入不同粒径和比例的砖骨料对再生砖混骨料混凝土力学和断裂性能的影响,揭示了砖骨料粒径和掺量对再生混凝土力学及断裂性能影响机制,为砖混建筑固废的资源化利用提供试验及理论依据。主要工作如下: (1)设计了不同粒径的砖骨料(5-10 mm和10-20 mm)和不同掺量的砖骨料(0%,10%,20%,30%,40%,50%)等粒径替代5-20 mm连续级配再生混凝土骨料,制备成再生砖混骨料混凝土,进行骨料特性测试试验,如压碎值、表观密度、堆积密度以及压碎指标。结果发现,随着砖骨料掺量的增加再生混凝土的表观密度和堆积密度均下降、吸水率增大;两种粒径对这些材料特征影响不大,5-10mm骨料具有较好的堆积密度,10-20mm具备较好表观密度。 (2)对再生砖混骨料混凝土开展了抗压强度、劈裂抗拉强度试验研究。结果表明,当砖骨料掺量相同时,掺入5-10mm粒径砖骨料的再生混凝土比掺入10-20mm粒径砖骨料的再生混凝土强度更高,其抗压强度与劈裂抗拉强度最大提升9%与5%;当掺入砖骨料粒径相同时,再生混凝土的抗压强度随着砖骨料掺量的增加呈现阶梯式下降,抗压强度最大下降22.42%;劈裂抗拉强度随着砖骨料掺量的增加总体呈现降低的趋势,虽然在10%-30%掺量下,劈裂抗拉强度略有增强,但掺量大于30%后仍大幅下降。 (3)制备了不同砖骨料掺量及粒径的再生砖混骨料混凝土单边切口梁,对再生砖混骨料混凝土单边切口梁进行三点弯曲断裂试验。试验结果表明,砖骨料的加入会降低再生混凝土的断裂性能,其起裂韧度、失稳韧度均随着砖骨料的掺入逐渐降低。砖骨料粒径也会影响再生砖混骨料混凝土的断裂性能,10-20mm砖骨料的掺入对其断裂性能的劣化大于5-10mm。 (4)建立了再生砖混骨料混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和双K断裂韧度的关系式。利用Matlab软件建立基于黏聚应力分布的_阻力曲线模型,发现掺入砖骨料严重影响了再生砖混骨料混凝土的黏聚力,5-10mm砖骨料更有利于再生砖混骨料混凝土的黏聚力,在10%掺量时,再生砖混骨料混凝土的黏聚力略有提升。 图42幅,表18个,参考文献72篇。

关键词： 废玻璃混凝土   硫酸盐侵蚀   冻融循环   正交试验   损伤演化   动态力学特性   蠕变特性  

摘要： 随着国家“西部大开发”和“一带一路”等宏观战略不断实施,大型混凝土结构工程建设迅速开展,结合我国地理特点,复杂服役环境给越来越多的大型混凝土结构工程带来严峻的挑战。本文基于节能减排,将废玻璃破碎至合适粒径再利用于混凝土中,设计正交试验,研发出基础力学性能优于基准混凝土的废玻璃混凝土。本文以硫酸盐冻融耦合环境下废玻璃混凝土在工程建设和服役期间安全性为研究背景,针对硫酸盐侵蚀、冻融破坏、长期荷载、冲击荷载等多种复杂环境下废玻璃混凝土的劣化损伤特性、动态力学性能和蠕变性能演化规律进行研究。主要研究内容和成果如下:(1)基于三因素三水平正交试验,以水灰比、废玻璃颗粒掺量和废玻璃粉掺量为试验因素,以混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度为基础力学性能评价指标,结合混凝土受压过程中应力-应变关系和能量耗散规律的分析水灰比、废玻璃颗粒和废玻璃粉对混凝土受压特性的影响,并以此确定综合性能最佳的废玻璃混凝土配合比,为后续废玻璃混凝土耐久性能研究提供依据。(2)将普通混凝土和废玻璃混凝土分别置于清水和硫酸盐溶液中进行混凝土冻融循环长期室内试验,研究不同溶液中、不同冻融循环次数下混凝土的质量、纵波波速、抗压强度的演化规律,结合扫描电镜(SEM)从微观尺度进行分析。结果表明:清水冻融主要以清水在混凝土内部相变引起内部应力不断加卸载逐步引起裂纹损伤的过程,硫酸盐环境冻融不仅存在水相变等引起内部应力,同时冻融和硫酸盐侵蚀二者也存在复杂交互作用,冻融前期硫酸盐对冻融损伤起缓解作用,在冻融后期加剧混凝土的损坏。废玻璃混凝土GC较普通混凝土OC在清水或硫酸盐环境中均表现出更优异的抗冻融能力。(3)利用直径为74mm的SHPB试验装置对硫酸盐冻融耦合环境下的普通混凝土和废玻璃混凝土进行动态压缩试验,研究不同应变率、不同冻融循环次数下混凝土动态抗压强度、峰值应变、弹性模量及能量演化规律。结果表明:废玻璃有效延缓了动态抗压强度的降低幅度,增强了混凝土的抗硫酸盐冻融能力。在相同硫酸盐冻融循环次数时,混凝土GC的损伤程度明显小于OC且DIF值均大于OC,废玻璃对混凝土有着增强效应且对应变率效应更加明显。在相同条件下,混凝土GC的吸收能密度均大于OC,废玻璃有效提升了混凝土的能量耗散能力,从而增强混凝土的强度和抗冲击性能。(4)混凝土在承受高应变率作用时,ZWT模型的低频Maxwell体来不及响应,失去作用且不再影响混凝土的动态力学性能,基于改进的ZWT模型可以较好的描述混凝土的动态力学行为,结合建立的硫酸盐冻融损伤因子,该模型可以有效表征硫酸盐冻融和冲击荷载耦合作用下普通混凝土和废玻璃混凝土的动态力学性能。(5)利用岩石压缩流变仪试验装置对硫酸盐冻融耦合环境中普通混凝土和废玻璃混凝土进行单轴蠕变试验,分析不同冻融循环次数后,混凝土瞬时应变、蠕变应变、蠕变变形模量、稳态蠕变速率和长期强度等蠕变参数演化规律,结果表明:OC和GC两种混凝土在蠕变试验中蠕变破坏强度均低于静态单轴抗压强度。蠕变参数对恒载应力的敏感度随冻融次数的增加显著增加,混凝土GC的蠕变模量整体大于混凝土OC。两种混凝土在硫酸盐环境中经不同次数冻融循环后各级应力水平下的蠕变比的突变点随冻融循环次数的增加逐渐前移,试件OC的临界应力始终低于试件GC。(6)通过引入一个分数阶Abel黏壶与Kelvin模型串联建立非线性黏弹性模型,引入损伤变量构建硫酸盐-冻融-损伤黏性元件,共同建立可以描述混凝土试件在硫酸盐冻融环境下的非线性黏-弹-塑性损伤蠕变力学模型。

关键词： 磷石膏地聚物混凝土   制备工艺   力学性能   耐久性能  

摘要： 磷石膏是湿法制取磷酸的工业副产物，往往含有大量的杂质（重金属离子、放射性元素）。传统堆放处理方式占用大量的土地资源，污染物流入水体，土壤带来了严重的环境污染问题，亟需寻找一种绿色环保的磷石膏再利用方式。此外，传统胶凝材料水泥在生产过程中环境污染严重，加剧了全球温室效应，亟需寻找绿色替代品。作为新型无机胶凝材料，地聚物具有优异的力学性能和耐久性能，而且对环境压力小，使用固废基地聚物代替水泥有明显的环境效益。磷石膏富含钙，具有为地聚物体系提供钙源的潜力，使用磷石膏制备地聚物是提高磷石膏利用率、降低水泥需求量的有效途径。然而，现有研究中关于磷石膏地聚物及其混凝土的较少，更缺乏有关磷石膏地聚物混凝土耐久性能的研究。　　为此，本研究以磷石膏为原料，制备地聚物净浆及其混凝土，以磷石膏替代率、碱模量、水胶比以及Si/Al比为变量，研究磷石膏地聚物净浆的工作性能和力学性能;以磷石膏替代率和碱模量为变量，研究磷石膏地聚物混凝土的静力学性能和耐久性能。结合宏观力学试验结果与微观分析，揭示磷石膏在地聚物体系的固化机理，初步探明磷石膏地聚物混凝土在静态轴向荷载作用下的破坏机制。最后，通过环境分析（放射性分析、离子浸出试验和碳排放分析）和成本分析，结合性能提升效果，分析了磷石膏地聚物的应用前景。本研究的主要内容和结论如下：　　（1）开展了磷石膏地聚物净浆流动度、凝结时间和抗压强度的试验研究。以磷石膏替代率（0%、10%、20%、50%）、碱模量（0.8、0.95、1.1、1.25）和水胶比（0.45、0.5、0.55）为变量，分析各变量对磷石膏地聚物净浆的各项性能的影响规律。试验结果表明，磷石膏的适量掺入会使得地聚物综合性能更好。具体表现为，10%的磷石膏替代率制备地聚物时，其工作性能虽会带来不利影响，但其抗压强度却得到较大的提升，综合性能起到积极的影响。而碱模量的增加对地聚物的凝结时间有一定的积极作用，但对其流动性几乎没有影响。对于力学性能而言，碱模量的影响却与磷石膏含量息息相关。水胶比的增加对浆体的流动性和凝结时间均有所改善，但对于其抗压强度则会有较大的负面影响。总体而言，当磷石膏替代率为10%，碱模量为0.95，水胶比为0.5时的地聚物同时具备较好的工作性能和力学性能。　　（2）探索磷石膏地聚物的反应机理。从微观角度分析，磷石膏可参与体系中的水化反应生成AFt。而AFt在粉煤灰中形成纤维状晶体，使得Ca2+扩散到粉煤灰内部，并与二氧化硅和氧化铝发生反应，生成C-(A)-S-H凝胶。水化产物AFt、C-(A)-S-H凝胶与部分未反应的粉煤灰相互重叠，形成三维网络结构，因此能有效地提高磷石膏地聚物的强度。然而，过量的磷石膏与活性物质反应会生成过多的AFt，虽此时仍有较多的C-(A)-S-H凝胶穿插填充基体孔隙，但基体开始变得疏松甚至出现较大的裂缝，强度降低;适当的碱模量能使得基体的聚合反应程度更深，出现更多的C-(A)-S-H凝胶，强度更高。这是因为在适宜的碱性条件下，前驱体中的CaO、SiO2、Al2O3等活性物质将继续溶解，并反应生成C-(A)-S-H凝胶，使得基体更为密实，强度有所提高。　　（3）开展了磷石膏地聚物混凝土的轴压试验及其破坏模式。以磷石膏地聚物混凝土静态轴压试验研究，分析了各变量对磷石膏地聚物混凝土的轴心抗压强度、应力应变曲线、泊松比、韧性、弹性模量的影响规律。磷石膏的适量掺入对地聚物混凝土的强度有明显的有利影响，最佳的磷石膏替代率为10%。对于普通的粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土以及适量加入磷石膏的地聚物混凝土，最佳碱模量均为0.95。若想加大磷石膏的利用率，可以1.1作为碱模量保证混凝土的强度满足要求。普通的地聚物混凝土弹性模量比掺入磷石膏的地聚物混凝土的弹性模量和韧性大，但其横向应变较小，不容易发生脆性断裂。另外，碱模量为0.95下的混凝土韧性最好，吸收能量的能力最好，不容易发生脆性断裂。随着碱模量的增加，粉煤灰-矿渣基地聚物混凝土裂缝的贯穿深度和宽度也在逐渐变大。磷石膏地聚物混凝土在压缩过程中，磷石膏替代率在适当范围内提高，会使得磷石膏地聚物混凝土的刚度提高，破坏时的变形与裂缝减少;综上，本试验建议可通过掺入10%的磷石膏来提升地聚物混凝土的强度，也可通过调节碱模量来达到改善其他混凝土性能的效果;（4）开展了磷石膏地聚物混凝土的耐久性试验。以磷石膏替代率（0%、10%、20%）和碱模量（0.8、0.95、1.1、1.25）为变量，开展了磷石膏地聚物混凝土的碱骨料反应、抗氯离子渗透、碳化试验等耐久性试验研究，分析了各变量对磷石膏地聚物混凝土各项耐久性指标的影响规律。试验结果表明，磷石膏地聚物砂浆可判定为无潜在碱－硅酸反应危害，且适当加入磷石膏能使得膨胀率下降。碱模量为0.95时，磷石膏地聚物混凝土的抗氯离子渗透性能最佳。10%的