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关键词： 膨胀土   煤矸石   聚丙烯纤维   冻融循环   力学性能   数值分析  

摘要： 膨胀土因其超强的胀缩性,素有“工程癌症”之称,给所在地区造成了许多灾害,对此,就必须将膨胀土改良,以减少因其引起的各种灾害。煤矸石是煤矿区产量最大的固体废弃物,大量堆放不仅对环境造成巨大危害,并且严重危害人们的身体健康。纤维加筋土是近年来发展起来的一种新型加强复合材料,随着生产力的发展,各种人工合成纤维逐渐被运用到土体改良中而且取得了很好的效果。为了解决膨胀土在实际工程中产生的问题,以及综合处理煤矸石的污染堆放问题,并尝试运用土体加筋技术,本文研究使用聚丙烯纤维和煤矸石共同来改良膨胀土。并且考虑到在北方的冬季,作为路基填料的膨胀土,会受到冻胀融缩的作用。因此研究纤维煤矸石改良膨胀土在冻融循环作用下的力学性能是很有必要的。本文通过将煤矸石与聚丙烯纤维掺入到膨胀土中,利用自由膨胀率试验和无荷载膨胀率试验确定最佳掺量。进而对素膨胀土与聚丙烯纤维、煤矸石改良膨胀土进行冻融循环下的直剪试验与无侧限抗压强度试验;最后利用COMSOL Multiphysics对素膨胀土和纤维煤矸石改良膨胀土进行水-热-力三场数值仿真模拟,进一步来证实纤维与煤矸石对膨胀土的改良效果。得出结论如下:(1)掺加聚丙烯纤维和煤矸石粉复合材料可以有效改善膨胀土胀缩性能,最终得出煤矸石的最佳掺量为20%,聚丙烯纤维最佳长度是9mm,最佳掺量为0.3%。相较于素膨胀土,复合改良土无荷载膨胀率降低了约49.5%。(2)经过12次的冻融循环,素膨胀土黏聚力下降幅度为87.7%,掺入纤维煤矸石复合材料后黏聚力下降幅度仅为46.9%,黏聚力得到了大幅度的改善。改良膨胀土的内摩擦角在12次冻融结束后为10.44°,仍比素膨胀土未冻融时的内摩擦角10.29°大,煤矸石的掺加极大的增加了土体之间的摩擦,对土体冻胀破坏起到了良好的抑制效果。(3)冻融前素膨胀土和纤维煤矸石改良膨胀土无侧限抗压强度值分别为277k Pa、581k Pa,经过12次冻融循环后,强度值分别降至160k Pa、385k Pa,说明掺加聚丙烯纤维和煤矸石大大增加了膨胀土的无侧限抗压强度,改良了膨胀土的胀缩特性。(4)通过COMSOL Multiphysics软件建立冻土冻胀融沉数学模型,利用薄膜水迁移理论解释了水分在土体内部的迁移过程,并对冻融下土柱的位移、体积应变与应力进行了定性定量分析,其中素膨胀土应力范围在556k Pa到1366.6k Pa;而加入纤维煤矸石的膨胀土应力范围在1159.7k Pa到2118.6k Pa。应力值分别提高了752k Pa、603.7k Pa。证实了掺入纤维煤矸石对膨胀土的改良效果明显。

关键词： 极区月壤   力学特性   剖面钻探   参数反演  

摘要： 我国嫦娥七号探月任务拟采用剖面钻进方案开展极区月壤水冰资源的探测和采样,而钻采过程对月壤层序结构的扰动将不可避免地造成样品原位信息部分丧失,因此在不影响采样功能的前提下,利用钻进负载反演原位月壤物性参数,填补极区剖面月壤力学参数的空白至关重要。本文提出月球冻土全剖面钻探反演方案,针对干壤和月壤水冰两种冻土形态分别采用钻进贯入和钻进切削的工作模式,建立月球冻土力学特性参数钻探反演方法,并开展全剖面钻进实验,验证方法可行性。 首先,分析极区月壤组构特性、力学特性和水冰赋存形态,对比轮壤、铲壤、贯入触探和冲击锚固四种反演方案,考虑极区低温环境和含水率增加对月壤强度硬度的增强,提出干壤钻进贯入和月壤水冰钻进切削的月球冻土全剖面钻探反演方案,实现等效刚度模量、沉陷指数、内摩擦角、粘聚力和含水率等参数的反演。 其次,基于平板沉陷模型和修正后的阿基米德定律,构建钻进贯入力学模型,建立干壤力学特性参数钻进贯入反演方法。利用贯入实验系统,开展钻进贯入力学实验,分析贯入规程、钻具构型和样本相对密实度对力载的影响,明确规程参数及构型修正系数,反演干壤样本的等效刚度模量、沉陷指数和内摩擦角,验证反演方法的可行性。 再次,基于单齿切削作用机理,构建钻进切削力学模型,建立月壤水冰力学特性参数钻进切削反演方法。利用钻进实验系统,开展钻进切削力学实验,分析钻进力载和比能耗,反演月壤水冰样本的内摩擦角、粘聚力和含水率,验证反演方法的可行性。 最后,设计月球冻土全剖面钻探反演方案,开展钻探反演验证实验,利用钻探力载数据预估样本层序结构特征,并分层反演月球冻土样本的力学特性参数和含水率,评估反演方法的适用范围及反演精度。

关键词： 滨海水泥土   石墨烯衍生物   力学性能   加固机理  

摘要： 沿海地区基础工程及岩土工程建设对社会经济的发展具有重要的影响作用。近年来,大量工程建设项目的开展导致土地资源不断匮乏,因此滨海软土的加固应用开始得到广泛关注。但滨海软土自身性能的缺陷导致其应用受到了极大的局限性,软土加固技术也成为了当前的研究热点。水泥作为基础的胶凝材料已被广泛应用于实际工程,但水泥土高脆性和多裂缝等缺点使其面临重大的挑战。石墨烯衍生物作为新型纳米材料开始突破性的应用在水泥基材料中,并展现出良好的性能优势。本研究将大尺寸氧化石墨烯(简称“LG”)、小尺寸氧化石墨烯(简称“SG”)和增强型氧化石墨烯(简称“EG”)三种石墨烯衍生物掺入至滨海水泥土(简称“CS”)中,得到三种石墨烯衍生物加固滨海水泥土试样(简称“LGCS”、“SGCS”和“EGCS”)。通过无侧限抗压强度试验、三轴剪切试验、干湿循环试验和一系列微观测试,探究石墨烯衍生物对滨海水泥土力学性能的增强效应及加固机理。本研究的主要成果如下:(1)掺入石墨烯衍生物可以提高滨海水泥土的无侧限抗压强度特性。在相同养护龄期下,LGCS、SGCS和EGCS试样的抗压强度、破坏应变和弹性模量均随着LG、SG和EG掺量的增加呈现逐渐增加的趋势,且均在掺量为0.05%时达到最大值。同时LG、SG和EG对LGCS、SGCS和EGCS试样的残余强度和脆性指数也具有一定的改善效果。并且EG对滨海水泥土的无侧限抗压强度特性提升效果最好,SG次之,LG的提升效果最差。(2)掺入石墨烯衍生物可以提高滨海水泥土的三轴剪切强度特性。LG、SG和EG可以有效提高滨海水泥土的抗剪强度和残余偏应力。在相同围压和龄期下,LGCS、SGCS和EGCS试样的抗剪强度和残余偏应力均随着LG、SG和EG掺量的增加而不断增大,且两者均在LG、SG和EG掺量为0.05%时达到最大值。同时LG、SG和EG还可以增大滨海水泥土的内摩擦角和粘聚力。并且EG对滨海水泥土的三轴剪切强度特性的提升效果最好,SG次之,LG的提升效果最差。(3)掺入石墨烯衍生物可以提高滨海水泥土的抗干湿循环性能。随着干湿循环次数的增加,CS、LGCS、SGCS和EGCS试样的质量增加和孔隙率均呈现先减小后增大的变化规律,轴向与径向尺寸增加均呈现先减小后增大再趋于稳定的变化规律,而无侧限抗压强度均呈现先增大后减小的变化规律。随着LG、SG和EG掺量的增加,LGCS、SGCS和EGCS试样的质量、轴向与径向尺寸增加均呈现逐渐减小的趋势,无侧限抗压强度则呈现逐渐增大的趋势。并且EG能够最有效提高滨海水泥土的抗干湿循环性能,SG次之,LG的提升效果最差。(4)石墨烯衍生物对滨海水泥土试样的物相组成与含量、取向指数、元素成分与含量和微观结构会产生重要影响,但对分子结构与基团的影响相对较小。石墨烯衍生物并不会对水泥的水化产物种类和元素成分产生影响,但可以有效降低滨海水泥土试样的取向指数和Ca/Si,同时提高Si重量比。石墨烯衍生物在一定程度上可以明显减少滨海水泥土的孔隙数量,缩小孔隙尺寸,还可以诱导水泥水化产物的形态,促使产生片层状、花状、膜状以及多面体晶体。石墨烯衍生物还会对水泥水化产物产生强相互界面力、成核效应和模板调节等作用,使滨海水泥土最终形成更稳定、更致密和更均匀的微观结构。并且三种石墨烯衍生物中EG对水泥水化作用的促进效果最好,其次为SG,LG的促进效果最差。

关键词： 蒸压陶粒   内养护   抗压强度   弹性模量   徐变  

摘要： 蒸压陶粒是一种以工业固废和水泥为原料,通过水热合成蒸压养护工艺制备的新型人造轻骨料,其质量轻,而且强度高,还具有内养护功能。这种新型蒸压陶粒可以在保证强度的前提下有效减轻混凝土的自重,非常适合在桥梁工程中进行应用。本文用不同掺量的蒸压陶粒制备了大量混凝土试块,研究蒸压陶粒的内养护作用对混凝土抗压强度的影响,寻找蒸压陶粒和蒸压陶砂在混凝土的最佳掺量,探究蒸压陶粒混凝土抵抗变形的能力,探索蒸压陶粒在建筑行业应用的可行性。 对蒸压陶粒的内养护机制进行探究,发现当陶粒代替碎石的体积掺量为20%时,试块的28d强度最高,可达87.4MPa,比碎石混凝土高9%;陶粒的内养护作用可以补充空气中养护的混凝土散失的水分,其强度可达同期泡水养护混凝土的90%以上;蒸压陶粒对粉煤灰的水化具有促进作用,以陶粒为骨料的混凝土中,粉煤灰在28d之内就大幅度参与水化,50%掺量粉煤灰混凝土的7d和28d强度达到普通水泥混凝土的83%,28d火山灰效应强度贡献率可达39.8%,远超碎石混凝土。 探究蒸压陶粒和蒸压陶砂在混凝土中的最佳掺量,发现以20%的1.18～2.36mm蒸压陶砂等体积代替天然河沙时,细骨料的细度模数为2.71,混凝土的28d强度可达86.7MPa,比普通混凝土提高了7%,蒸压陶砂在调整细骨料的级配与细度模数方面具有巨大技术优势;使用100%的蒸压陶粒作为粗骨料,粗骨料占混凝土总体积的42%时,混凝土的28d强度最高可达93.2MPa,比碎石混凝土上升了13%;碳化电石泥陶粒混凝土的28d强度为59.3MPa,早强性高于碎石混凝土。 混凝土的弹性模量随蒸压陶粒掺量的增加而降低,陶粒掺量为100%时弹性模量为32.0GPa,符合现行规范的要求;通过现行规范对蒸压陶粒混凝土的弹性模量进行计算,计算结果与实验结果的误差不高于2%。 目前,有关蒸压陶粒混凝土的徐变的研究尚处于起步阶段,本文研究发现,蒸压陶粒混凝土的16d徐变系数为0.269,杨小兵模型的计算值与实测值之间的误差仅有3.2%,可以较为准确地推算蒸压陶粒混凝土的徐变系数。

关键词： 橡胶混凝土   纤维   力学性能   微观结构   抗冻性能  

摘要： 随着绿色建筑理念逐渐深入人心,如何实现节约资源、保护环境、减少污染更成为新时代的新任务。作为固体废弃物建材化利用的一个典型代表,如何实现橡胶混凝土在实际工程中的广泛应用具有十分重要的意义。本文通过一系列的试验,对纤维橡胶混凝土的力学性能、抗冻性能以及微观形貌、孔隙结构、孔径分布等方面展开了研究。主要成果有:(1)通过抗压试验和抗折试验等力学性能试验,研究了纤维种类和纤维掺量对于橡胶混凝土力学性能的影响,结果表明:①单掺钢纤维对于橡胶混凝土的抗压强度和抗折强度均能起到一定的改善作用;单掺聚丙烯纤维也可以在一定程度上改善橡胶混凝土的抗折强度,但对抗压强度的改善作用不大。②混掺纤维对于橡胶混凝土抗压强度的改善效果优于单掺聚丙烯纤维;当混掺纤维总量较少时,混掺纤维橡胶混凝土抗压强度也优于钢纤维橡胶混凝土,但当混掺纤维总量较多时,混合纤维的掺入反而会阻碍抗压性能的发展,改善效果不及单掺钢纤维。③混掺纤维对于橡胶混凝土抗折强度的改善效果不及单掺钢纤维或者单掺聚丙烯纤维效果好。当钢纤维和聚丙烯纤维两种纤维混合掺入橡胶混凝土中时,若S=0.5%或P=0.05%时,抗折强度会随着另一种纤维掺量的增加而有所增长;若钢纤维掺量较多(1%≤S≤1.5%)或者聚丙烯纤维掺量过多(0.1%≤P≤0.15%)时,抗折强度反而会随着另一种纤维掺量的增加而降低。(2)通过冻融循环试验,研究了纤维掺量和纤维种类对于橡胶混凝土质量损失率、剩余抗压强度以及强度损失率等方面的影响,结果表明:①随着冻融循环试验次数的增加,混掺纤维橡胶混凝土和单掺钢纤维橡胶混凝土的质量损失率均逐渐增大,而聚丙烯纤维橡胶混凝土会在冻融初期短暂的质量反弹现象,随后其质量损失率由负转正并逐渐增大。②钢纤维或者聚丙烯纤维的单独掺入均可提高其剩余抗压强度,而混掺纤维对于剩余抗压强度的改善效果取决于纤维的掺量。当混掺纤维中钢纤维掺量较少(S=0.5%～1%)或者聚丙烯纤维掺量较少(P=0.05%～0.1%)时,混掺纤维橡胶混凝土的剩余抗压强度优于单掺纤维橡胶混凝土,当钢纤维掺量过大或者聚丙烯纤维掺量过大时,改善效果反而不及单掺纤维。(3)通过电子扫描电镜试验和压汞试验,研究了纤维的不同种类和不同掺量对于橡胶混凝土微观结构特征和孔隙结构等方面的影响,结果表明:①橡胶混凝土结构的密实性较差,内部存在较大的裂隙和较多的孔洞。纤维的掺入可以有效减少内部缺陷以及裂隙和孔洞的数量,但当混掺纤维掺量较多时,内部孔洞和裂隙均有所增大,结构密实性降低。②随着纤维的掺入,中值孔径、平均孔径以及比孔容均会有明显下降,而最可几孔变化幅度较小。③当单掺钢纤维或者聚丙烯纤维时,总孔隙率均会有所下降,且孔径分布得到改善,无害孔和少害孔数量增多。④当两种纤维混合掺入时,若钢纤维或者聚丙烯纤维掺入量较少,总孔隙率随着另一种纤维掺量的增加而有所下降,且内部无害孔率增大或者在总孔隙率中的占比增大;若钢纤维或者聚丙烯纤维掺量较多时,另一种纤维的掺入反而会恶化内部孔隙结构,导致总孔隙率增大,有害孔和多害孔有所增多。本论文有图78幅,表9个,参考文献100篇。

关键词： 粉煤灰-矿渣地聚合物   脱硫石膏   软土固化   力学性能   耐久性   微观分析  

摘要： 我国东南沿海地区广泛分布着第四纪泻湖相、溺谷相与滨海相等沉积软土层,一般包括淤泥与淤泥质软土。工程建设中,这些软土地基由于其承载力低、易变形的特点,往往达不到工程设计要求,需要进行地基加固处理。传统水泥固化剂生产过程中能耗高污染高,针对这些问题,提出粉煤灰-矿渣地聚合物替代传统水泥固化剂应用于固化软土。粉煤灰-矿渣地聚合物固化土所受影响因素较多,使得硅铝原料不能够充分参与反应,在不同工况甚至恶劣环境下固化土的力学性能差,然而脱硫石膏富含的Ca2+与SO42-可以促进地聚合物的反应生成胶凝产物,提高其力学性能。基于此,本文通过宏观与微观相结合的手段,首先研究了粉煤灰-矿渣地聚合物固化土的力学性能,其次研究了脱硫石膏外加剂改善其固化土的力学性能,以及在恶劣环境中的耐久性能。论文主要内容有:（1）以粉煤灰地聚合物固化土为基准组,分别制备碱激发剂模数为0.6、0.8、1.0、1.2,碱固比为0.2、0.4、0.6、0.8的粉煤灰-矿渣地聚合物固化土,通过无侧限抗压强度试验研究了碱激发剂模数、碱固比对粉煤灰-矿渣地聚合物固化土抗压强度的影响,并采用SEM和XRD试验进一步分析了矿物成分和微观结构变化。试验结果表明,激发剂模数、碱固比可以在一定范围内改变固化土抗压强度,地聚合物固化土试样抗压强度均呈现先升后降的趋势。粉煤灰地聚合物固化土抗压强度受碱激发剂模数和碱固比影响有限,粉煤灰地聚合物固化土抗压强度始终较低,难以满足实际工程的需求。然而粉煤灰-矿渣地聚合物固化土,当碱激发剂模数和碱固比分别为0.8和0.4时强度能够满足规范要求。经微观试验分析发现,激发剂模数、碱固比的变化均会引起地聚合物固化土的矿物成分和微观结构的变化,但是不会改变其生成物相种类。粉煤灰地聚合物生成N-A-S-H填充在土颗粒间,但胶凝产物含量少,胶结作用弱,土体整体较为松散,固化土抗压强度低。而粉煤灰-矿渣地聚合物固化土生成大量（N,C）-A-S-H和C-S-H,填充在颗粒之间,土体结构整体性好,固化土抗压强度较高。（2）在粉煤灰-矿渣地聚合物固化土体系中加入脱硫石膏外加剂,通过无侧限抗压强度、SEM和XRD试验探究了不同掺量脱硫石膏对地聚合物固化土的影响。基于以上分析,响应面法采取碱激发剂模数、碱固比和脱硫石膏三个因素的变化范围分别为0.6～1.0、0.2～0.6和10%～20%,探究两两因素对常温环境下地聚合物固化土力学性能的影响,并进行配合比的优化。试验结果表明,添加脱硫石膏后固化土抗压强度显著提升。由于掺入富含钙离子和硫酸根的脱硫石膏,地聚合物固化土除了生成的大量胶凝产物C-S-H和（N,C）-A-S-H,还生成了新矿物成分钙矾石,从而导致强度提升。响应面法将28 d固化土抗压强度最大值作为目标优化值,得出固化土的最优配合比:脱硫石膏掺量15.96%,激发剂模数0.809,碱固比0.6。28d龄期各因素的影响程度:脱硫石膏>碱固比>碱激发剂模数,同时建立了强度预测公式。（3）基于最优配合比,采用单一变量法探究各个因素对地聚合物固化土抗压强度以及微观结构的影响。通过不固结不排水三轴剪切试验,研究了地聚合物固化土不同龄期下的抗剪性能。试验结果表明,改善后地聚合物固化土的抗压强度随前驱体掺量增加而增加,其中地聚合物固化土前驱体掺量越大,其抗压强度的增幅越明显;随着龄期的增加,地聚合物固化土的抗压强度不断增加,且固化土抗压强度呈对数型增长;养护温度对固化土抗压强度的影响较大,较高的温度更有利于凝胶产物生成导致短期内强度快速增长;随着围压的增加,固化土的偏应力峰值随之增加,同时对应的轴向应变也逐渐增加;随着龄期的增加,偏应力的峰值变化范围在增大,峰值相对应的应变变化范围缩小,固化土由塑性破坏模式转为脆性破坏模式;此外,粘聚力、内摩擦角随龄期的增加均呈递增趋势。（4）以最优配合比固化土,同时设置两组对照组,分别为水泥固化土与脱硫石膏改善前的地聚合物固化土,以期比较试验组和对照组耐久性的差异。通过水稳性、干湿循环和冻融循环试验研究了改善前后地聚合物固化土与水泥土的耐久性能。试验结果表明,三种固化土中,固化土试样强度随着浸泡时间的增加均逐渐增加,但相比标准养护的试块强度有所降低,改善后地聚合物固化土的水稳性优于改善前地聚合物固化土的水稳性;改善前地聚合物固化土的干湿循环特性最差,而改善后地聚合物固化土与水泥固化土达到较为接近的抵抗干湿循环能力;在冻融循环环境下,改善后地聚合物固化土的抗冻融性能最优。本文关于脱硫石膏与地聚合物固化土的研究为粉煤灰、矿渣和脱硫石膏等工业废弃物的资源利用提供了参考,为地聚合物应用于实际工程中软土地基处理提供了技术支持。

关键词： 钢纤维   偏高岭土   力学性能   微观结构   混凝土   水理性能  

摘要： 我国新疆南疆地区混凝土构件面临着因盐冻侵蚀而造成破坏的问题,对于南疆的特殊气候环境,提高混凝土结构的韧性、延性等性能是非常有必要。目前研究中以掺入随机分布的钢纤维或偏高岭土对混凝土的性能的影响居多,而以钢纤维分布方式影响混凝土力学强度及其揭示机理的较少。为改善混凝土力学及抗渗性能,论文中设计了钢纤维两种分布方式:整体式钢纤维(ISF)、层布式钢纤维(LSF),钢纤维掺量(0%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%、1.8%)和偏高岭土掺量(0%、5%、10%、15%)采用单因素设计。试验研究偏高岭土对水泥标准稠度用水量、凝结时间及水泥砂浆力学性能及微观结构的影响,并采用SEM观察了水泥胶砂微观结构;分析钢纤维分布方式及掺量对混凝土力学性能的影响规律,并采用SEM观察了钢纤维痕迹;探究偏高岭土对钢纤维混凝土力学及水理性能(吸水率和抗渗性能)的影响规律,并采用SEM测试分析技术观察了掺偏高岭土对钢纤维混凝土微观结构特征的影响。钢纤维在混凝土试块破坏变形或开裂过程中阻碍宏观裂缝的发展,延缓微裂缝向宏观水平的扩展,提高了延性,阻滞混凝土内部各组分的相对滑动。偏高岭土和氢氧化钙反应的生成物会细化孔径和减小微裂缝等优点,可使水泥石与骨料界面结合得更加紧密,C-S-H等凝胶产物紧密填充于骨料晶体之间。获得偏高岭土、钢纤维的最佳掺量及钢纤维的分布方式。研究主要结论如下: (1)标准稠度用水量随着偏高岭土掺量的增加而增大,在偏高岭土掺量为15%时最大,相较于基准组增高了12.2%;掺入10%偏高岭土时水泥胶砂初凝和终凝相较于基准组分别减少了15.9%和8.4%;偏高岭土可以改善水泥胶砂试件的强度,偏高岭土掺量为10%时28d抗折强度和抗压强度相比基准组分别提高了8.8%和9.3%;偏高岭土掺量为10%时活性指数在28d达到109.3%。 (2)随着钢纤维掺量的增加混凝土坍落度逐渐减小,层布式钢纤维混凝土早期力学性能优于整体式钢纤维混凝土;在28d龄期,单掺钢纤维的试样中,钢纤维混凝土的力学性能随着钢纤维掺量的增加出现先增强后减弱,整体式钢纤维掺量为1.2%时,层布式钢纤维掺量为1.5%时试样的抗压强度最大,分别比基准组提高了10.2%、8.0%;整体式钢纤维掺量为1.2%和层布式钢纤维掺量为1.8%时劈拉强度和抗折强度最大,分别比基准组提高66.3%、57.3%,抗折强度分别提高43.2%、61.3%,整体式钢纤维混凝土力学性能更好。 (3)随着偏高岭土掺量的增加钢纤维混凝土坍落度逐渐减小,钢纤维混凝土的力学性能随着偏高岭土掺量的增加出现先增强后减弱,偏高岭土掺量分别为15%和10%时较于基准组抗压强度分别提高了7.4%和5%;偏高岭土掺量分别为10%和15%,劈拉强度分别提高了6.2%、33.5%,抗折强度分别提高了15%、11.5%,层布式钢纤维混凝土力学性能更好。掺入偏高岭土和钢纤维时影响混凝土的吸水率,随着掺量的增加吸水率变小。 (4)偏高岭土和钢纤维对混凝土的抗渗性有一定的改善作用,在抗渗试验中,混凝土的抗渗性能随着偏高岭土和钢纤维掺量的增加出现先增强后减弱,整体式钢纤维掺量为1.2%,偏高岭土掺量为15%时,抗渗性能最好相较于基准组混凝土的渗水高度降低了77.6%。 (5)采用扫描电镜(SEM)观察分析发现,偏高岭土可以使水泥胶砂试件内部结构得到改善变得更加致密;钢纤维可以阻碍混凝土内部微裂缝的扩展,提高混凝土的韧性;偏高岭土能使混凝土内部孔结构变得更加密实从而提高混凝土力学性能。

关键词： 天然骨料混凝土   再生骨料混凝土   矿渣置换量   单轴压缩   力学性能   本构模型   细观损伤机制  

摘要： 由于城镇化进程的加速,建筑业得到了迅速的发展,但混凝土建筑物达到使用年限必须拆除,导致废弃混凝土急剧增加。废弃混凝土是由一定比例的细骨料、粗骨料、水和水泥组成,在生产过程中,会消耗大量的原料,给生态环境带来了很大的破坏。且处理这些废弃混凝土的传统方式只有堆放和填埋,这对原本就紧缺的土地资源造成了更大的威胁。将拆除的废弃混凝土转化为再生粗骨料（Recycled coarse aggregate,RCA）作为部分或全部天然粗骨料（Natural coarse aggregate,NCA）的替代品生产再生混凝土（Recycled aggregate concrete,RAC）,这种处理方式不仅可以提高废旧混凝土的回收利用率,还可以减少对自然资源的消耗,这与可持续发展的要求相吻合。由于RCA自身缺陷造成RAC性能降低,因此本文试验采用矿渣（Blast furnace slag,BFS）等量置换水泥来改善再生混凝土的力学性能。通过开展不同矿渣置换量（B）、不同养护龄期（T）、不同养护龄期下不同动态应变率的单轴压缩试验,讨论其对各试块力学性能的影响。通过声发射（Acoustic emission,AE）、扫描电子显微镜（Scanning electron microscope,SEM）、核磁共振试验（Nuclear magnetic resonance,NMR）对其微观结构、微裂纹扩展过程、反应产物及孔隙率进行分析。利用统计损伤本构模型,分析了不同条件下含矿渣混凝土单轴压缩过程中的细观损伤机制,揭示了混凝土微观破坏机理与宏观非线性力学性能的内在联系。主要开展内容如下:（1）分别开展不同矿渣置换量、不同养护龄期、不同养护龄期下不同动态应变率的天然混凝土（Natural aggregate concrete,NAC）、再生混凝土单轴压缩试验,分析以上不同条件对混凝土力学性能的影响规律。研究结果表明:随置换量的提高,NAC力学性能先增大后减小,RAC力学性能逐渐减小。基于文献和试验数据,从经济性和力学性能两方面考虑,确定矿渣最佳置换量为35%;混凝土试块的力学性能随养护龄期的增加而提高,养护56d后,含矿渣混凝土抗压强度均高于不含矿渣混凝土;RAC力学性能随应变率的增加而提高。（2）对矿渣置换量为0%和35%的NAC、RAC开展声发射试验,获得应力-应变、声发射振铃计数对应曲线,观察两者间的关系;针对不同矿渣置换量、不同养护龄期下矿渣置换量为0%和35%的NAC、RAC开展核磁共振试验,分析了试块的孔隙和孔径变化;开展养护龄期为7d、28d、150d,矿渣置换量为0%和35%RAC试件的扫描电镜试验,观察内部微观结构。结果表明:振铃计数曲线峰值滞后于应力峰值处,位于应力-应变曲线下降段;随矿渣置换量的增加,NAC孔隙率先减小后增大,RAC呈增大趋势;随养护龄期的增加,试块孔隙明显减小,56d后含矿渣混凝土孔隙率小于普通混凝土,内部结构也更加致密;（3）利用统计损伤本构模型,分析了养护龄期对NAC、RAC及不同应变率下RAC的细观损伤演化规律。该模型将试件的整体变形失效过程划分为两个阶段,即均匀破坏和局部破坏。假定它们的概率密度函数都满足三角形分布,可以通过E0、εa、εh、εb和H五个特征参数表征。结果表明:五个特征参数呈现出明显的规律性变化,与宏观行为表现一致,在宏观非线性力学行为与细观损伤机制之间建立联系。

关键词： 玄武岩纤维混凝土   工作性能   力学性能   韧性   破坏准则   强度计算  

摘要： 由于混凝土具备优良的可塑性、粘结力、经济性和高安全性等特性,在我国土木工程建设中得到了广泛应用。然而混凝土也存在一些缺点,如抗拉强度较低、延展性不足、质量较大以及保温性能较差等。随着科学技术的不断发展,众多新型材料相继涌现。其中通过掺入纤维以提高混凝土的物理力学性能受到了越来越多的关注。作为一种具有高弹性模量、大断裂强度、良好的高低温耐受性、抗腐蚀性和加工性能的新型高性能绿色无机纤维材料,玄武岩纤维逐步成为混凝土增强领域的研究热点。本文基于不同纤维掺量下的玄武岩纤维混凝土开展力学试验,从宏观角度分析玄武岩纤维增强混凝土各项力学特性,总结出主要结论如下所示: (1)为了探究玄武岩纤维的掺入对混凝土和易性的影响,选择不同掺量的玄武岩短切纤维作为参数,通过进行混凝土坍落度试验,发现玄武岩短切纤维的加入改变了混凝土的流动性,随着纤维的掺量增加,混凝土的坍落度值逐渐降低,拌合料的流动性减弱。在纤维掺量达到0.2%时,混凝土几乎丧失流动性。 (2)为了研究玄武岩短切纤维混凝土单轴压缩作用下的力学性能,以纤维体积掺量为变化参数,进行单轴抗压试验。试验结果显示,混凝土试件的抗压强度随纤维掺量的增加呈现先增长后下降的趋势,并在0.05%掺量条件下达到最大。且纤维用量的增加,其对应的峰值位移随之增大,在掺量为0.2%时提升效果最佳。同时,玄武岩短切纤维的掺入,能够减缓试件表面裂纹的产生。基于试验结果提出抗压韧性分析,根据韧度计算结果发现,纤维的掺入能较好地提升混凝土的抗压韧性,在纤维掺量为0.2%时,对试件峰值韧度提升效果最佳。对于峰后韧度,在纤维掺量为0.1%时,提升效果最好。 (3)为了研究玄武岩短切纤维混凝土劈裂受拉作用下的力学性能,根据不同纤维掺量情况下,开展巴西劈裂试验。结果表明,随着纤维掺量的增大,试件的劈裂强度和对应的峰值位移先增后降,在纤维体积掺量为0.1%时对混凝土劈裂强度和峰值位移提升效果最佳。纤维的掺入,能有效地抑制试件裂纹的发展,改善其破坏形态。结合试验结果,计算得到试件的抗拉韧性,并发现伴随纤维用量的增加,试件的峰前韧度和峰值韧度呈现先上升后下降的趋势,当纤维用量为0.1%时,对两种韧度提升效果较好。 (4)为了研究短切玄武岩纤维混凝土压剪作用下的力学性能,以法向应力和纤维体积掺量为变化参数进行压剪试验。结果表明,纤维的掺入,能减缓混凝土裂缝的产生。随着法向应力的增大,试件的抗剪强度和峰值位移也逐渐提高。相同法向应力下,随着纤维掺量的增加,试件的抗剪强度先增后降,但其峰值位移逐渐增加。在纤维体积掺量为0.1%时对试件的抗剪强度提升效果最佳,在0.2%掺量下对试件的峰值位移提升较优。不同压剪作用下的破坏准则可以较好地描述玄武岩纤维混凝土在压剪作用下的强度规律。提出的抗剪强度公式计算值与试验值吻合良好,可为工程应用提供参考。