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关键词： 黄土   蒿属植物   根土复合体   原位拉拔试验   室内直剪试验  

摘要： 以陕北延安市安塞区为代表的黄土高原生态环境脆弱,人类日益增长的生产需求与脆弱的生态环境之间的矛盾越加尖锐,大量裸露边坡造成日益严重的水土流失与地质灾害问题。近年来,随着植物护坡技术的应用与生态工程的推广,植物根系对坡体稳定性的贡献引起人们越来越多的关注。与喷浆挂网、锚索、抗滑桩等工程措施相比,植物护坡技术具有生态环保、美化景观、可持续利用、维护费用低廉等特点。因此根系固土机理的研究可以为植物措施在坡面绿化、边坡稳定、生态的恢复等方面的应用提供理论指导。本文通过对陕北延安市安塞区开展了野外植被调查找寻适宜陕北黄土地区的固土护坡先锋植物,确定了蒿属植物为固土护坡先锋植物并对蒿属植物开展了野外边坡原位拉拔试验和室内直剪试验,并构建了根土相互作用力学有限元模型。得到的研究成果如下:(1)课题组在研究区农村地区主要沿乡道针对近三年形成的323个黄土边坡进行了自然边坡植被结构调查,共辨认出33种最主要植物,主要以耐寒耐旱耐贫瘠的品种为主,其中草本类与木本类植物的种类数量相当,但草本类植物调查出现频次达到了74%,草本植物中的蒿属植物出现频次达23%。印证了草本植物及其中的蒿属植物,在植物群落结构的数量上有着明显的优势。对蒿属植物根系开展了研究,发现其根系具有主根木质、粗壮、嵌固深的特征,在其生长幼年期和浅层土壤内又保留了草本须根系植物根系数量多、水平扩展范围大的特点。蒿属植物具备群落数量、根系材料、根系生长特征等方面优势,因此将蒿属植物作为陕北黄土地区固土护坡的先锋树种。(2)为适应陕北地区特殊环境条件下根土复合体受力变形破坏过程的研究,自主设计研发了原位拉拔试验仪器,并采用原位拉拔试验手段探究了根系茎级、根系形态、土体密实度和土体湿度对蒿属植物抗拉力学性能的影响。其中根茎因素是影响根系拉拔效果的重要因素,侧根和须根在根系抵抗外力的过程中也发挥了不可忽视的作用;不同的根系形态会导致根土复合体在受力变形破坏过程中的力-位移(F-S)曲线表现形式的差异性,以及根土复合体受拉变形破坏的微细观演化过程的呈现特征的不同;土体密实度是影响最大拉拔力的主导因素之一,且在根系的不同发育阶段起到的影响程度不同;随着土体湿度的增大,根系最大拉拔力会出现先增大后减小的试验结果是由于土体颗粒与水分结合而形成的泥膜会随着湿度增加由薄变厚的过程中发挥的作用不同。(3)为研究根土复合体的细观强度特征及受力破坏过程中的根土作用力学性能特性,对根土复合体开展了室内直剪试验,经研究发现:无论是素土还是含根土体都遵循摩尔-库伦土体强度公式,经试验与计算发现,含根土体对土体的粘聚力有较大的增幅,而对内摩擦角影响较小。不同的布根方式对土体的抗剪强度有较大影响,混交的布根方式对比单一的布根方式在抵抗土体变形方面有更好的效果。(4)为研究根土复合体中的微观根系与土体间的相互作用机理,以数值模拟得到的微观尺度上根系与土体间相互作用为理论基础,将原位拉拔试验得到的根土复合体宏观变形破坏过程与室内直剪试验得到的根土复合体细观强度特征进行综合分析。经研究发现:植物根系在受力变形破坏中,不同位置的根系因其受力方向与材料特性综合影响,导致根系在拉剪破坏面上的破坏形式有所差别;拉剪破坏面切线与根系所受拉力方向的夹角是决定根土复合体破坏形式的关键因素。

关键词： 干湿循环   抗剪强度   面裂隙率   抗压强度   边坡稳定性  

摘要： 黏性土相对于砂类土而言,具有失水收缩,吸水膨胀的物理性质,这种土水间相互作用会极大弱化土体原有的结构强度,与土的工程性质密切相关。由于气候原因,自然界中土体常常处于降雨入渗-日晒蒸发的循环作用状态,而土体经过干湿循环过程的作用后,内部结构遭受破坏,引起土体裂隙发育,对土体的力学性能有着不可逆转的影响。因此,对干湿循环条件下黏性土的力学性能变化研究和边坡稳定性分析具有重大的理论和实践意义,并为防治土工结构物失稳提供理论依据。本文以干湿循环过程对土体稳定性的破坏为研究背景,通过室内试验模拟自然界干湿循环过程,对黏性土试样进行干湿循环后的直剪试验、裂隙发育观测、无侧限抗压试验、边坡数值模拟,将干湿循环过程对土体的力学性能破坏规律进行了较为全面的总结和分析,主要研究内容与成果如下:(1)对不同干密度的黏性土试样进行干湿循环后的直剪试验。结果显示,土样的抗剪强度受到干湿循环过程的影响而随之降低,且第一次干湿循环过程对土体抗剪强度的衰减作用最大。分析干湿循环过程对抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角的影响发现,土体抗剪强度的降低主要是黏聚力减小引起土体颗粒间粘结作用下降所导致的。(2)对进行干湿循环过程后的黏性土试样进行裂隙发育观测,并运用PCAS系统对观测结果进行定量化处理。结果显示,土样的面裂隙率伴随干湿循环次数的增加而出现上升,具体表现为表面裂隙的占有面积增大,裂隙骨架逐渐形成。土体裂隙发育引起内部土颗粒分离,使得颗粒间黏聚力降低,最终引起土体抗剪性能的衰减。(3)对不同干密度的黏性土试样进行干湿循环后的无侧限抗压试验。结果显示,随着干湿循环过程次数的增加,土体的抗压强度也随之降低,且第一次干湿循环过程对土体抗压强度的衰减作用最大。土体的抗压强度也随着自身干密度的增大而增加,干密度较大的土体其轴向峰值应力也较大。(4)利用有限元模拟软件ABAQUS建立了不同状态下的黏性土坡模型,以Dawson研究的一个黏性土坡为研究对象,发现黏性土边坡的稳定状态会遭到干湿循环作用的破坏,即边坡的稳定安全系数随着干湿循环次数的增加而降低,且失稳后的最大位移量也随着干湿循环次数的增加而增大。

关键词： 海工混凝土   珊瑚骨料   水泥净浆处理   水泥干粉包裹   力学性能   微观结构   形变场  

摘要： 伴随着我国海洋工程的发展，海工混凝土成为发展海洋经济的重要基础支撑，在远离大陆的海洋环境下，就地取材利用珊瑚礁石制备混凝土能够有效解决工程建设中材料紧缺的问题。但由于珊瑚质轻多孔的特性，严重限制了珊瑚混凝土的性能。虽然通过替换胶凝材料、掺入纤维等方法可提高珊瑚混凝土部分性能，但影响混凝土性能的根本因素骨料性能不足的问题并没有得到解决。因此，本文首先对国内外普通珊瑚混凝土、强化改性珊瑚混凝土的研究现状进行了总结;在此基础上，提出了采用水泥净浆处理、水泥干粉包裹两种不同的方法对珊瑚粗骨料强化改性，以有效改善珊瑚混凝土的性能，特别是受力变形性能。从宏观、细观、微观等多个尺度，系统分析了强化后珊瑚骨料的物理性能及由其所制备的混凝土力学机理和受力变形特征，主要研究工作如下所示:　　（1）通过开展强化珊瑚骨料物理性能试验研究得出，强化后珊瑚骨料的表观密度、筒压强度显著提高，而孔隙率与吸水率明显降低。对比两种强化方法，采用水泥净浆强化处理时，骨料的物理性能改善效果最好。　　（2）通过混凝土的受压试验，分析了试件的破坏过程和破坏特征，研究了强化珊瑚骨料混凝土的力学性能。试验数据显示，强化后的珊瑚骨料，有效抑制了混凝土内部裂缝的开展，起到阻裂增韧的效果，混凝土的破坏过程相对缓慢。强化珊瑚骨料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度以及劈裂抗拉强度均得到提高。强化后试件的应力-应变全曲线在上升阶段曲率较高，下降阶段坡度较为平缓，同时峰值应变、延性系数以及耗能系数均有所提高，试件表现出较好的延性，变形性能得到有效改善。在这其中，采用水灰比为0.4的水泥净浆强化处理的珊瑚骨料混凝土强度最高，延性较好。　　（3）为研究骨料、混凝土界面过渡区的微观结构，对试件进行SEM扫描电镜试验。结果表明，与普通珊瑚骨料相比，强化后珊瑚骨料外部孔隙、部分内部孔隙被填充密实,并在表面形成一层厚度为0.3mm-1.5mm的包裹层;同普通珊瑚骨料混凝土相比，强化珊瑚骨料混凝土的界面过渡区比较致密且空隙较少。两种强化方法中，水泥净浆强化处理的珊瑚骨料孔隙填充效果较好，且界面过渡区更为密实。　　（4）考虑到强化骨料对混凝土破坏机理的影响，采用数字图像相关法，分析了强化珊瑚骨料混凝土的形变场分布与损伤开裂全过程。在加载初期，强化珊瑚骨料对形变场的分布影响较小。受骨料孔隙结构、包裹层以及界面过渡区的影响，当达到峰值力时，强化珊瑚骨料混凝土试件的最大位移值与普通珊瑚骨料混凝土相比较小，较大应变在界面过渡区、骨料以及砂浆中均有出现。此外，由于骨料性能提升，强化珊瑚骨料混凝土裂纹的产生和发展有所改变，峰值力后，其裂纹特征发展较慢，试件破坏过程较长，表现出一定的延性。　　（5）在宏-细观多尺度层面上，建立了基于随机骨料的强化珊瑚骨料混凝土数值模型,对强化珊瑚骨料混凝土轴心抗压试验进行了有限元数值模拟，将模拟结果与试验结果对比验证了模型的可行性，并对强化珊瑚骨料包裹层进行变参数分析，发现随着包裹层强度的提高，强化珊瑚骨料混凝土的抗压强度逐渐提高，随着包裹层厚度的增加，强化珊瑚骨料混凝土的抗压强度先提高后降低。　　(6)基于试验数据，提出了强化珊瑚骨料混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度计算公式。对应力-应变全曲线进行拟合，建立了强化珊瑚骨料混凝土应力-应变全曲线理论模型，并与已有成果进行对照，结果表明，计算模型与已有成果吻合良好。

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： 玄武岩纤维   冻融循环   活性粉末混凝土   SHPB   力学性能  

摘要： 活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC)是一种新型水泥基复合材料,具有超高强度、高耐久性等优点,现阶段被多次应用于复杂环境下建筑的结构设计和防护工程中。活性粉末混凝土制备过程中,通常掺入纤维以提高其性能。玄武岩纤维作为一种新型的增强、增韧和环境友好的无机纤维,具有良好的应用前景。因此,本文将抗拉强度高、抗裂耐磨性能好的玄武岩纤维作为改性材料掺入活性粉末混凝土中,并对在冻融循环作用下玄武岩纤维改性活性粉末混凝土(Basalt Fiber Reactive Powder Concrete,简称BFRPC)的力学性能进行研究,主要开展以下几方面研究工作:(1)研究了BFRPC的相对动弹性模量和质量损失随冻融循环次数的变化规律,分析了纤维掺量对活性粉末混凝土抗冻性能的影响。提出了基于相对动弹性模量的冻融损伤演化模型,较精确地描述了BFRPC相对动弹性模量与冻融循环次数的关系,分析了BFRPC微观结构与其力学性能间的关系。(2)探讨了玄武岩纤维掺量和冻融循环次数对冻融循环后BFRPC的抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度等准静态力学性能指标的影响规律。研究了BFRPC在冻融循环后单轴受压的应力-应变关系,分析了玄武岩纤维掺量、冻融循环次数等因素对RPC各力学指标的影响机制,并利用多项式和有理分式分别拟合冻融后BFRPC的应力-应变曲线的上升段与下降段,确定了参数的方程曲线与试验结果符合较好。(3)揭示了玄武岩纤维掺量、冻融循环次数、应变率对冻融循环后BFRPC的动态冲击抗压强度、动态强度增长因子、韧性等动态力学性能指标的影响规律,构建了BFRPC动态受压本构模型。采用筛分设备统计了不同粒径颗粒在冲击破碎产物上的质量分布特性,利用分形维数表征了试样的破碎程度,对峰值强度与冲击应变率及分形维数之间的关系进行了分析,并用回归分析方法建立了方程,拟合效果比较理想。

关键词： 碳化硅混凝土   力学性能   应力-应变关系   BP神经网络   耐久性  

摘要： 在混凝土中加入不同的掺合料是改善其性能的一种有效途径,碳化硅粉末是光伏产业在切削过程中作为传统磨料产生的工业废弃物,主要化学成分为Si C,具有强度高、耐腐蚀等优点,将其应用于混凝土中,不但能够回收再利用,同时还能改善混凝土的性能。主要研究内容及成果:(1)将不同含量的黑色碳化硅和绿色碳化硅外掺到混凝土中,对不同龄期的试件进行抗压强度、劈裂抗拉强度与抗折强度测试,研究碳化硅粒径、种类、外掺量的变化对上述性能的影响。研究表明,碳化硅的适量掺入对各个龄期的混凝土力学性能均有所提升,粒径为10μm的碳化硅对混凝土的力学性能的改善较为明显,绿色碳化硅对混凝土的抗压强度、抗拉强度的提升要高于黑色碳化硅,对抗折强度的提升要低于黑色碳化硅。随着外掺量的增大,混凝土的各项强度指标均呈现出先上升后下降的趋势,在5%掺量时达到最大值。(2)对不同掺量的绿色碳化硅混凝土棱柱体进行了单轴压缩试验,通过对试验数据的处理与分析,拟合出不同掺量的碳化硅混凝土应力-应变曲线,得出适用于碳化硅混凝土材料的单轴压缩本构关系模型。采用该本构模型对碳化硅混凝土梁在纯弯状态下进行了有限元模拟,研究表明,5%掺量的碳化硅混凝土简支梁的承载力最大,梁跨中截面沿轴线方向的应变随截面高度呈线性变化。(3)在本文试验数据的基础上,建立了基于BP神经网络的碳化硅混凝土抗压强度预测模型。研究表明,该模型可以根据碳化硅混凝土立方体的水泥用量、水灰比、碳化硅种类、碳化硅粒径、碳化硅用量、硅灰用量,对相应龄期的混凝土抗压强度进行预测,BP神经网络预测值与试验结果吻合良好。(4)通过对不同掺量的绿色碳化硅混凝土进行海水侵蚀试验,研究不同掺量碳化硅混凝土的抗压强度、质量损失率、吸水率的变化规律。研究表明,随着浸-烘循环次数的增加,混凝土的强度及质量损失率呈现先增大后减小的趋势,吸水率先减小后增大,混凝土中掺入适量的碳化硅可以提高其抗海水侵蚀性能。

关键词： 消落带   粗粒土   高填方   干湿循环   常规三轴   蠕变试验   损伤劣化   长期强度  

摘要： 白鹤滩水电站库区蓄水后,位于消落带内的粗粒土高填方场地将长期经历水位升降,对于场地的变形和稳定来说是较为不利的环境因素。本文依托于白鹤滩水电站库区移民安置区消落带高填方场地稳定性研究项目,进行了大量颗分试验,在尽可能保证室内试样与现场土样物理状态一致的条件下,开展了大型常规三轴剪切试验和蠕变试验,主要分析了粗粒土在干湿循环作用和饱水条件下的应力应变关系、剪切形态特征、长期强度、变形规律等。论文的主要内容与成果如下:（1）干湿循环条件下的常规三轴试验表明:（1）该粗粒土受剪时表现为应变硬化型土,在临近破坏时有明显的塑性变形特征;极个别试样表现出轻微的应变软化现象。（2）粗粒土的峰值偏应力随围压呈指数（干湿循环次数n≤3时）或对数增加。高围压下粗粒土的峰值偏应力随干湿循环次数呈对数下降,低围压时不明显。围压越高,粗粒土强度也越高,但围压过高时会造成粗粒土颗粒破碎,从而导致粗粒土强度增幅减小甚至降低。干湿循环次数越多,颗粒破碎也更加严重,强度越低。（3）对于骨架密实的粗粒土存在明显剪胀变形时可能会体现出二次极限强度的特征,偏应力峰值点要迟滞于体应变拐点。n≤3时,粗粒土试样先剪缩后剪胀,且随着干湿循环次数的增加最大剪缩变形量逐渐减小,剪胀变形量逐渐增大,体应变拐点提前。n>3时,粗粒土只有剪缩变形,且随着干湿循环次数的增加,最大剪缩变形量逐渐增大,达到最大应变点时的轴向应变也随之增大。（4）围压对粗粒土体应变规律表现为力的约束作用,而干湿循环作用则是表现为对试样中的颗粒强度、孔隙大小和骨架结构等本身属性的损伤劣化。（5）邓肯张模型拟合效果良好,但在涉及到变形问题时各参数则不能完全适用。内聚力C变化规律较复杂;内摩擦角ψ随干湿循环次数增加近似S型降低。（6）试样剪切后呈上下不均匀的鼓状,两端变形增加相对较小约7.45%,腰部变形最为显著,增大约27.66%,剪切后试样体积变形量增大了近10.5%。剪切面多在中下部（试样1/2～1/4处）贯穿整个试样,剪切面与σ3呈小角度相交多为20～30°。剪切面较粗糙,多呈凹凸不平状,形态特征主要由剪切面附近粗颗粒骨料含量和粒径大小决定。（2）饱水条件下的三轴蠕变试验表明:（1）该粗粒土试样在较差环境下（饱水、高围压）的长期强度仍能达到剪切破坏时的64%以上,且轴向变形量小于7%。利用等时曲线推测粗粒土长期强度比实际值要低一些,对于工程过于保守,会造成一定程度上的资源浪费。（2）蠕变特征表现为轴向应变随应力水平和围压近似呈指数增加,但在高围压下由于颗粒破碎严重变为线性。应力水平和围压本质上都是作用于试样上大小、方向和作用点不同的力,应力水平越高,围压对粗粒土蠕变稳定的影响越大,两者相互促进,协同作用。（3）蠕变形态特征同剪切一致,呈上下不均匀的鼓状。破坏面略有不同,呈凹凸不平状,但起伏较小。破坏面位置在试样中部、中下部或两部位都有,与σ3水平或极小角度相交。破坏面形态特征主要与粗颗粒骨料含量和粒径大小有关。

关键词： 路面修复混凝土   玄武岩纤维   聚丙烯腈纤维   聚合物乳液   力学性能   混杂纤维混凝土  

摘要： 随着交通量的增大,水泥混凝土路面在使用中往往会出现各种病害而导致路面损坏,为了实现尽快通车的要求,需要采用性能优良的快速修复材料对路面进行修复。本文采用聚合物、聚丙烯腈纤维及玄武岩纤维以不同方式掺入到混凝土中,研究路面修复用聚合物改性纤维混凝土的力学性能。 本文首先依据规范计算路面混凝土的初步配合比,并通过试配确定满足要求的混凝土设计配合比。然后将玄武岩纤维及聚丙烯腈纤维以单掺与混杂的方式掺入到混凝土中,研究纤维种类和掺量及混杂比例对路面修复用水泥混凝土静态力学性能的影响。通过分析纤维的混杂效应,并用Topsis方法确定混杂纤维最佳掺量。在纤维最佳掺量的基础上添加聚合物乳液,研究聚合物和混杂纤维的掺入对路面混凝土静态力学性能的影响。最后对聚合物改性纤维混凝土的抗冲击性能进行了研究。试验结果表明: (1)单掺聚丙烯腈纤维或单掺玄武岩纤维可以改善水泥路面混凝土的静态力学性能,但是提高幅度小,混掺玄武岩纤维与聚丙烯腈纤维对混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度及劈裂抗拉强度较单掺玄武岩纤维或单掺聚丙烯腈纤维混凝土改善效果更明显。根据静态力学性能的试验结果分析得到的混杂纤维最佳掺量为:体积掺量为0.11%的聚丙烯腈纤维与体积掺量0.15%的玄武岩纤维。 (2)在最佳混杂纤维掺量下,加入聚合物乳液能明显改善混凝土的抗折强度及劈裂抗拉强度,加入质量掺量为10%的聚合物乳液后,与基准混凝土相比,水泥路面混凝土的抗折强度3天与28天分别提高了20.6%与16.8%。其劈裂抗拉强度3天与28天分别提高了12.7%与19.1%。 (3)在路面混凝土中单掺聚丙烯腈纤维或者单掺玄武岩纤维都能提高混凝土的抗冲击强度,同时混凝土的抗冲击强度随着纤维的增加呈先增后降的趋势,此外,在混凝土中掺入混杂纤维后,与单掺纤维相比较,混杂纤维对混凝土的抗冲击强度提升效果更明显。 (4)本文中的聚合物改性混杂纤维混凝土各项性能满足二级公路路面修复混凝土早期通车的要求。

关键词： 公路边坡   力学参数   改进的NSGA-Ⅱ算法   反演分析   动态稳定性  

摘要： 随着国家新时代西部大开发新格局战略的推进,复杂区域铁路、公路等重大工程建设中大型边坡工程日益增多,对边坡稳定性的精细化分析提出了更大的挑战,这不仅需要高精度的边坡工程岩土力学参数,也需对现场监测数据进行快速、准确的分析。传统的岩土力学参数获取方法,由于土样的尺寸效应和扰动效应等,将影响设计和计算结果的精度。本文基于多目标优化理论,结合神经网络和多因素试验设计,利用现场监测和数值模拟构建基础数据集,以公路边坡工程为依托,提出一种基于多目标优化算法的适用于公路边坡工程岩土力学参数反演分析算法,即改进的NSGA-Ⅱ算法;建立了3种岩土力学参数反演分析模型,为提高公路边坡工程岩土力学参数的精度提供了科学有效的方法。主要研究内容及成果如下:(1)以神经网络理论和多因素试验设计理论为基础,建立了反演力学参数与公路边坡位移的函数关系,通过改进多目标优化算法(NSGA-Ⅱ)的精英保留策略,提出了适用于公路边坡工程岩土力学参数反演分析的算法。(2)通过米罗至玉舍线某古滑坡现场调查和位移长期监测,采用正交试验和数值计算,分析了边坡监测位移和安全系数计算中力学参数的敏感性,确定了杨氏模量、黏聚力和内摩擦角为待反演力学参数,降低了多目标函数的求解维度。(3)结合均匀试验与数值计算结果建立不同力学参数组合与位移的对应关系,为算法精度的提升提供足量训练样本;通过BP神经网络和遗传算法-BP神经网络(BPGA)计算精度的对比,验证了BPGA模型的优势;应用BPGA模型建立了36组待反演参数和监测位移的关系。(4)详细研究了改进NSGA-Ⅱ算法中的两个关键参数初始种群规模和迭代次数与目标函数的相关性,在此基础上,建立了BPGA-NSGA-Ⅱ、改进的BP-NSGA-Ⅱ和改进的BPGA-NSGA-Ⅱ3种用于公路边坡岩土力学参数反分析的算法模型。(5)对比分析了BPGA-NSGA-Ⅱ、改进的BP-NSGA-Ⅱ和改进的BPGA-NSGA-Ⅱ算法模型计算结果的绝对误差和相对误差,确定了提出的改进BPGA-NSGA-Ⅱ模型为公路边坡工程岩土力学参数反演分析的最优算法模型。(6)通过提出的改进BPGA-NSGA-Ⅱ算法模型进行力学参数反演,利用求解参数组合对边坡稳定性进行再评价分析,与边坡初始稳定性进行对比分析,进一步验证了提出的最优算法模型反演参数方法的科学性与有效性。(7)反演分析了多个特征各异的公路边坡岩土力学参数,得出精度较高的反演力学参数组合,建立了边坡稳定性与监测数据的时效对应关系,验证了改进的BPGA-NSGA-Ⅱ算法模型的普适性。

关键词： 火山石   火山灰   力学性能   正交试验   微观形貌分析   预测模型  

摘要： 摘要随着土木工程领域朝现代化、绿色化和可持续化的方向发展，工程项目对于混凝土材料的要求也越来越高。传统的混凝土具有自重大、比强度小、收缩大、保温性差等缺点，使得其在一些领域的使用受到限制。传统的混凝土所用的胶凝材料全部为水泥或者是以水泥为主加上部分粉煤灰等工业副产品作为掺合料，生产成本较高且对环境不友好。云南腾冲火山资源丰富，利用火山石和火山灰制备次轻掺料混凝土可以达到减轻结构重量、降低建造成本、减少环境污染的目标，本文以云南腾冲火山石和火山灰分别作为混凝土轻粗集料和矿物掺合料，研究了火山石掺量、火山灰掺量等因素对次轻掺料混凝土各种性能的影响，主要内容和结论如下：（1） 通过理论分析发现，为了保证次轻掺料混凝土的力学性能，应选择弹性模量大、筒压强度高的轻粗集料；为了获得有足够流动性且在硬化过程中不离析的混凝土拌合物，应选择粘性系数高的水泥基材料并控制次轻掺料混凝土两种粗集料的粒径；为了减小次轻掺料混凝土的收缩，应对轻粗集料进行预湿处理。（2） 通过正交试验研究了火山石掺量、火山灰掺量和水胶比对次轻掺料混凝土力学性能、工作性能和长期性能的影响。研究发现：火山石对混凝土的强度和流动性有不利影响，但火山石掺量为10%时可以提高次轻掺料混凝土的比强度，而且预湿处理过的火山石对混凝土收缩有抑制作用；火山灰掺量为20%时，次轻掺料混凝土除28d劈拉强度以外的各项性能均最优，同时水泥胶砂试验表明，火山灰掺量达到40%时，水泥胶砂的强度下降明显。（3） 利用扫描电镜观察混凝土微观形貌，结果表明，最佳试验组混凝土和基准组混凝土相比早期水化更慢，但后期水化更加完全，水化产物数量更多，分布更紧密，彼此交错，可以形成更为复杂稳定的三维结构。微观形貌分析表明适量火山灰作为矿物掺合料对混凝土水化具有促进作用。（4） 通过多元多项式回归分析建立了次轻掺料混凝土坍落度、立方体28d抗压强度和90d收缩率的预测模型，并通过试验验证预测模型的准确性，预测模型的预测误差在7.2%以内。