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关键词： PVA纤维   粉煤灰   硫酸盐   盐冻   扫描电镜  

摘要： 聚乙烯醇(PVA)纤维粉煤灰混凝土是一种新型纤维复合材料,具有抗拉强度高和抗裂性能好等优点。但目前关于PVA纤维粉煤灰混凝土的研究较少,且都是对PVA纤维的掺量研究和单一力学性能及耐久性研究。本文为进一步研究PVA纤维粉煤灰混凝土的性能,基于正交试验方法,探究PVA纤维长度、PVA纤维掺量、粉煤灰掺量和水胶比在不同水平作用下,对PVA纤维粉煤灰混凝土力学性能、抗硫酸盐侵蚀性能和抗盐冻性能的影响。主要研究内容如下:(1)通过开展抗压、劈裂抗拉和抗折试验,研究了四种因素对PVA纤维粉煤灰混凝土力学性能的影响,基于试验数据进行极差、因素效应、方差和线性回归分析,由此可预测不同正交组合试件的力学性能。研究表明:在该试验范围内,水胶比对抗压和劈裂抗拉强度影响最大,除水胶比因素外,粉煤灰掺量对抗压强度影响最大,PVA纤维掺量对劈裂抗拉强度影响最大;PVA纤维掺量对抗折强度影响最大。(2)通过开展干湿循环-硫酸盐试验,研究了干湿循环次数对试件相对动弹性模量和质量损失率的影响。在完成60次干湿循环后,开展抗压、劈裂抗拉和抗折试验,研究了四种因素对PVA纤维粉煤灰混凝土抗硫酸盐侵蚀性能的影响。基于试验数据进行极差、因素效应、方差和线性回归分析,由此可预测干湿循环60次作用下,不同正交组合试件的力学性能。研究表明:在该试验范围内,试件在干湿循环60次作用下,水胶比影响最大;除水胶比因素外,粉煤灰掺量对抗压、劈裂抗拉和抗折强度影响最大。(3)通过开展冻融循环-硫酸盐试验,研究了冻融循环次数对试件相对动弹性模量和质量损失率的影响。在完成125次冻融循环后,开展抗压和劈裂抗拉试验,研究了四种因素对PVA纤维粉煤灰混凝土抗盐冻性能的影响。基于试验数据进行极差、因素效应、方差和线性回归分析,由此可预测冻融循环125次作用下,不同正交组合试件的抗压和劈裂抗拉强度。研究表明:在该试验范围内,试件在冻融循环125次作用下,水胶比影响最大,除水胶比因素外,粉煤灰掺量对抗压和劈裂抗拉强度影响最大。(4)对不同环境下的PVA纤维粉煤灰混凝土进行扫描电镜测试,分析了不同环境下混凝土内部纤维分布情况,生成产物的形态,以及生成产物对混凝土的影响。

关键词： 纤维编织网   轻骨料混凝土   正交试验法   界面黏结机理   弯曲性能  

摘要： 为满足市场需求,装配式建筑市场急需一种轻质、高强、可模块化生产的高性能混凝土。轻骨料混凝土因其轻质、保温等优点已得到广泛应用,但其脆性较高的问题亟待解决。已有研究证明,纤维编织网作为增韧材料可显著增强轻骨料混凝土的弯曲性能,但是其基体组成成分尚需优化、界面的黏结机理及效果尚需明确,微观结构与宏观力学性能的关系尚需建立。针对这些问题,本文从基体、界面、力学性能等方面出发,制备了一种新型纤维编织网增强轻骨料混凝土（Textile reinforced lightweight aggregate concrete,简称TRLC）复合材料:（1）通过材料试验,测定了TRLC组分的性能。测得陶砂级配良好、表观密度为1740 kg/m3,吸水率为20%,需在拌合前浸润1h;通过拉伸试验,测定了环氧树脂浸渍后的玄武岩纤维束的抗拉强度为524MPa。在测得各组分基本力学性能基础上,基于相关规范及文献,设计了基体的初始配合比。（2）通过正交试验,确定了TRLC基体配比。在初始配合比的基础上,选取粉煤灰、硅灰和矿渣掺量作为试验因素,以抗折抗压强度、流动度、比强度为试验指标进行正交试验,并通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,简称SEM）分析了微观机理。研究发现,各影响因素排序为:粉煤灰掺量>矿渣掺量>硅灰掺量;优化配合比为:粉煤灰20%～25%,硅灰5%,不掺矿渣;密度为:1710～1810kg/m3之间,比传统纤维编织网增强混凝土（Textile-Reinforced Concrete,简称TRC）基体密度低30%～40%;力学性能为:28d抗折强度达8.8MPa,28d抗压强度达55MPa,比强度为0.030。（3）通过拉拔试验,得出了纤维处理方式和基体类型对TRLC界面黏结性能的影响,并分析了纤维破坏形态、荷载-滑移曲线。结论如下:纤维编织网与轻骨料混凝土间黏结力不强,需要对基体或纤维网进行处理;环氧树脂浸渍或粘砂有效地提升了TRLC的界面黏结,处理后,拉拔极限荷载增加了28%～45%,极限应变增加了67%～88%;外掺羟丙基甲基纤维素（Hydroxy Propyl Methyl Cellulose,简称HPMC）的TRLC拉拔极限荷载下降了27%～34%,但极限应变增加了36%～52%。根据试验结果建立了TRLC的拉拔破坏模型,并通过SEM分析了TRLC的界面机理,论证了模型的可靠性。（4）通过弯曲试验,得出了纤维处理方式、基体类型和配网率对TRLC薄板弯曲性能的影响,分析了荷载-挠度曲线、裂缝数目与极限载荷的关系及弯曲韧性指数。结论如下:增加配网率能有效提升TRLC薄板的极限应力,对普通基体,极限应力提升了29%～47%,对外掺HPMC基体,极限应力提升了117%～213%。环氧树脂浸渍且粘砂能提升TRLC薄板的韧性,弯曲韧性指数最多提升了12.27倍。基体外掺HPMC对TRLC薄板的韧性影响较大,虽初裂荷载降低了14%～58%,但基体稠度增强,极限应力最多增加了69%,弯曲韧性指数最多增长了11.61倍。

关键词： 纳米二氧化硅   受冻混凝土   抗压强度   微观分析   强度预测  

摘要： 在寒冷地区的工程施工过程中,特别是在混凝土硬化阶段,若养护不当,出现混凝土受冻情况,会对后期强度造成不可逆转的伤害。诸多学者已经证明,在标准养护条件下利用纳米材料可以优化水泥水化反应,以提高混凝土性能来面对各种环境挑战,但是,负温养护环境下的研究甚少。本文设置-10℃早期负温养护条件,模拟混凝土浇筑后的早期受冻,通过添加掺量为0.5%、1%、1.5%、2%的纳米二氧化硅搭配定量防冻剂对混凝土进行改良,并考虑水灰比、预养时间,测试了混凝土的工作性能、力学性能,利用扫描电子显微镜从微观角度分析混凝土改性机理,并通过多元非线性回归拟合分析,建立纳米二氧化硅早期负温混凝土-7+28d抗压强度预测回归关系式。结果如下:(1)负温养护条件时,添加纳米二氧化硅并不能促进水泥材料水化进程,甚至有不利影响。当养护条件从负温变为标准养护时,纳米二氧化硅可以继续发挥作用,各掺量下的纳米二氧化硅混凝土强度均高于空白组,最大强度增幅为16%。从各方面综合考虑,纳米二氧化硅最佳掺量为1.5%。此外,水灰比越大,混凝土强度越低;预养时间越长,混凝土强度越高。(2)通过扫描电子显微镜可以发现,添加纳米二氧化硅之后,在负温养护条件下,并不能参与水泥水化反应;养护条件转为标准养护条件后,纳米二氧化硅可以继续发挥作用,水化硅酸钙生成量增加,水泥水化结构明显改善,密实度提高,与力学性能试验结果相吻合。(3)依据多元非线性回归理论,以水灰比、纳米二氧化硅掺量、负温养护温度、预养时间为自变量,建立纳米二氧化硅负温混凝土强度预测方程。根据残差图、误差率图、可决系数、相对误差指标等评价指标,对所建立的三个预测模型精确度进行评价,得到模型3精确度最高,达到试验要求。

关键词： 沙漠砂混凝土   聚丙烯纤维   玻璃纤维   力学性能   冻融循环   应力应变曲线  

摘要： 随着我国“一带一路”建设的推进,基建规模不断扩大,砂子作为建筑混凝土不可或缺的材料,其需求量急剧增加与天然砂日趋匮乏之间的矛盾日益尖锐。同时,过度开发自然资源和混凝土生产排放大量二氧化碳导致了一系列生态问题。我国西北地区有着丰富的沙漠砂资源,若将其就地取材替代河砂作为细骨料制备成沙漠砂混凝土(DSC),既可改善天然砂短缺的现状,也利于节能环保,符合我国双碳减排的理念。然而,由于沙漠砂粒径较小,致使DSC易开裂、韧性差和耐久性能差,限制了其在工程中的应用。因此,沙漠砂混凝土的性能亟待进一步提升,而掺加纤维是改善混凝土性能的有效措施。为此,本文将毛乌素沙漠砂以一定替代率等质量代替河砂制备DSC,并掺入高弹性模量的玻璃纤维(GF)和高韧性的聚丙烯纤维(PF)进一步改善其性能,形成纤维增强DSC。通过试验研究,厘清纤维类别和掺量对DSC力学性能和抗冻耐久性能的宏观影响规律,结合扫描电镜(SEM)揭示纤维的微观增强机理。主要研究内容和结论如下:(1)进行了纤维增强DSC基本力学性能试验,研究了纤维掺量和种类对DSC力学性能的影响规律,并对DSC折压比和拉压比进行进一步分析。结果表明:沙漠砂以30%替代率部分取代河砂,其各项指标与普通混凝土相近。在适当的掺量范围内,纤维可以明显改善DSC的抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度。本研究中GF最优掺量为0.2%,PF最优掺量为0.1%,混杂纤维最优掺量为0.1%PF+0.05%GF,总体上PF优于GF,混杂纤维优于单掺纤维。(2)进行了纤维增强DSC轴心受压强度试验,研究了纤维掺量和种类对DSC轴心受压全曲线的影响规律。结果表明:纤维增强DSC轴心受压全曲线的上升段斜率更大,下降段更为平缓,表现出一定程度的延性破坏特征,棱柱体抗压强度、弹性模量、峰值应力均随纤维掺量增加而呈现先增加后减少的趋势,通过拟合得到了纤维增强DSC应力应变本构关系模型,拟合精度较高。(3)进行了冻融循环作用下纤维增强DSC抗冻耐久性试验,研究了纤维掺量和种类对DSC抗冻耐久性的影响规律。结果表明:随着冻融次数的增加,普通DSC与纤维增强DSC的质量损失和相对动弹性模量差异逐渐显现并不断增大。纤维的掺入显著提高了DSC的抗冻耐久性,延缓了试件的表观损伤,减少了冻融循环造成的质量损失和相对动弹性模量损失。以相对动弹性模量为损伤指标建立了两种冻融破坏模型(二次函数冻融损伤模型和Weibull分布冻融损伤模型),并以此为基础对DSC服役寿命进行预测。(4)进行了纤维增强DSC微观试验,对受力破坏和冻融损伤后的试件微观形貌进行描述,揭示了纤维增强机理。结果表明:纤维一方面跨越裂缝发挥桥联作用,与骨料、浆体形成密实均匀的结构。另一方面发挥阻裂增韧作用,减少凝土内部界面薄弱区数量,提高了DSC的力学性能和抗冻耐久性。

关键词： 生物质灰   硅粉   力学性能   超声检测   声学特性  

摘要： 为了减少混凝土行业的水泥用量,实现低碳“绿色”混凝土。本文对比分析了原状生物质电厂灰与活化生物质电厂灰在化学组成、粒度分布、颗粒形态、烧失量及p H值等方面的差异。通过研究活化生物质电厂灰和硅粉以不同配比等量取代水泥掺入到混凝土中,在标准养护条件下,分别对混凝土进行抗压和劈裂抗拉强度试验、电镜扫描检测（SEM）、超声波声学检测,对其力学性能、微观形貌及声学参数展开详细的分析,研究生物质电厂灰和硅粉复掺作为混凝土掺合料的性能,探究其在建筑材料领域的可行性。试验结果表明:（1）经机械研磨、400℃灼烧处理后的活化生物质电厂灰,其颗粒粒径,形状规则得到显著改善,具有粉煤灰的微集料效应。两种电厂灰p H值均>11,呈碱性;其中,活化生物质电厂灰的烧失量为2.45%,活性成分Si O2+Al2O3的质量分数达到80.88%;（2）各掺量混凝土的抗压强度及劈裂抗拉强度均随养护龄期的增加而增强。早期强度提高明显,但复掺混凝土强度均低于普通混凝土强度;而养护后期中,掺有15%生物质电厂灰和6%硅粉的混凝土表现出较为优异的性能,抗压强度达到最高;（3）对各掺量混凝土试件进行微观形貌分析发现,养护早期时,混凝土基体内部存有大量未水化的产物,且界体间联结性较差;养护后期时,混凝土中生物质电厂灰与硅粉相互补充,发挥出极佳的火山灰效应,生成大量的C-S-H凝胶,孔隙填充更加密实,混凝土的微观结构得到良好改善;（4）各掺量试件的声速值均随龄期的增加而增大,而幅度值出现先减小后增大又减小的波动,声时值不断降低。以试验数据为基础,建立测强曲线,试块声速值与抗压强度相关系数在0.90以上,在实际检测中可用声速值估算复掺混凝土抗压强度。

关键词： 土力学   坝前淤积面加坝   破坏机制   极限分析上限解   水力效应   稳定性分析  

摘要： 西北黄土丘陵山区通常采用“坝前淤积面加坝”进行水库除险加固施工，涉及不同固结状态土体和多个软弱结合面的“复合土坝”稳定性分析问题。文中针对“复合土坝”的结构型式和水库运行特点，基于极限分析上限定理，构建2种运动许可的破坏机制，给出考虑库水位动态变化引起的坝坡静水压力和坝体孔隙水压力效应的边坡稳定分析上限解，采用强度折减法并结合序列二次规划法进行边坡安全系数的寻优计算。在此基础上，以宁夏南部黄土丘陵山区“坝前淤泥面加坝”的水库除险加固工程为算例，对比分析文中上限解与Optum-G2和Geo-studio数值模拟计算结果。研究表明，当库水位由设计水位骤降至死水位时，2种破坏机制的上限解与数值模拟值非常接近，安全系数的相对误差≤5.7%；改变淤泥–新填土软弱结合面宽度，破坏模式亦随之变化；平动破坏时，软弱结合面宽度与边坡安全系数呈近似线性关系，宽度每增加1 m，安全系数约提高2.7%；转动–平动破坏时，坡比与边坡安全系数亦呈近似线性变化，坡比每增加0.1，边坡安全系数约降低8.6%。本文方法简单、快捷，适宜在此类工程中应用。

关键词： 根系黄土   植物护坡   力学性能   崩解试验   可靠度分析   侵蚀  

摘要： 本文以陕西省西安市白鹿塬黄土区为研究对象,通过多次现场调研取样、现场原位拉拔试验、室内拉拔试验、直剪试验和自制崩解装置的室内崩解试验,结合经典理论模型,探究草本植物在固土方面的作用机理,对RUSLE模型（通用土壤流失方程）中的坡度因子进行修正;并依据所得试验结果,利用Geo Studio仿真软件建立边坡模型,用可靠指标对边坡稳定性进行分析。主要内容包括: 1.通过液塑限试验,得到研究区的土样的液限wL=28.4%,塑限wp=15.1%,通过颗粒分析得出颗粒级配情况,通过击实试验得到最佳干密度1.47g/cm3和最优含水率16.16%。在对植物根系的分类中,占比最大的是直根系和须根系,根系形态不同对土体的加筋作用不一致,结合Waldron模型、FBM纤维束模型和位移模型三种经典理论模型,探究草本植物根系固土护坡的原理。 2.通过现场原位拉拔试验、基于正交分析的室内单根根系拉拔试验及室内整株植物根系的拉拔试验,发现根系受到的抗拉力与根系生长走向有关,其大小排序为:垂直走向生长>倾斜走向生长>水平走向生长,抗拉力与根系直径呈现线性相关关系。随着根系长度、根系直径和根系表面积的增加,根系受到的抗拉力逐渐增加,抗拉强度逐渐减小。整簇根系的抗拉强度和抗拉力远大于单根根系,由于整簇根系中须根起到了锚固作用,并增大了根土的接触面积,随着根系直径的增大,整簇根系与单根根系受到的抗拉力差值逐渐增大。 3.通过室内直剪试验,研究不同法向应力、不同含水率、不同根系含量及不同根系种类对试样抗剪强度的影响。得出在法向应力较低为50k Pa时,根土复合体容易产生剪切力峰值,表现为应变软化型。含水率不同状态也会对根土复合体抗剪性能产生一定影响,含水率过高w=25%时会抑制根系土的加筋作用,当根系土w=15%时,两种根系土破坏时的剪应力与抗剪强度均达到最大。随着含水率的增大,抗剪性强度会先增大后减小。野艾蒿根土复合体和沿阶草根土复合体抗剪强度与破坏时的位移均大于无根土体,野艾蒿和沿阶草均可以增强土体抗剪性能。因此在实际的公路边坡防护过程中,我们合理选用植物种类,能起到一个良好的护坡效果。 4.通过参考大量文献并整理试验数据,对RUSLE模型中坡度因子进行修正,提出了坡度与坡度因子的修正关系式:S=-0.0184a2（10）1.6296a-18.019,a是坡度。采用自制的崩解仪器来进行室内崩解试验,动态展示了试样崩解的整个过程和变化规律。可以得到根系加筋土的崩解率和崩解速率均随着含水率的增加而减小。野艾蒿根系土的崩解量随着根系含量的增加呈现先减小后增大的趋势,两种均能有效抑制试样的崩解,使得试样的崩解量和崩解速率均减小。 5.通过Geo Studio仿真软件中的SLOPE/W,利用蒙特卡洛法5000次抽样,计算边坡平均安全系数FS、可靠指标β和失效概率P_f,可以得出没有根系覆盖生长的素土坡的安全系数FS=0.98<1,属于不稳定状态,根系土坡的安全系数为FS=1.26>1,根系对土体的加筋作用,提高了边坡的可靠度指标,减小失效概率,提高了边坡的稳定性。坡率与平均安全系数、可靠度指标成负相关关系,与失效概率成正相关关系。坡率越大失效概率越接近于100%,坡率越小失效概率越小趋于0。通过可靠性分析,可为提高边坡稳定性提供依据,在实际工程中确保边坡工程的安全。

关键词： OBE教育理念   土力学课程   教学改革  

摘要： OBE教育理念是教育领域新的发展方向，它更强调教育输出结果，关注学生的实际应用能力，该理念给土力学学科带来了新的启示。在教学改革背景下，土力学课程教学急需进行改革，以满足现代教育需求。基于此，本文简要阐述了基于OBE教育理念开展土力学课程教学改革的优势，并从多个角度出发进一步讨论了在OBE理念下高校与教师应采取的土力学课程教学改革措施，以期为土木工程专业教师提供有益参考。

关键词： 模具设计   压缩浇筑混凝土   压缩浇筑混凝土方法   节约水泥用量   减少碳排放  

摘要： 压缩浇筑混凝土(Compression Casting Concrete:CCC)是一种可以大幅提高混凝土力学性能的新方法,为了确定最优的混凝土压缩浇筑制度及方法,本文通过标准圆柱体的轴压性能试验,给出最优的分层压缩浇筑制度用于实际工程,试验结果表明,分层压缩高度H=300mm,压缩压力P=5MPa-15MPa,压缩时间T=2min是较为合适的压缩浇筑制度。由于目前压缩浇筑大尺寸混凝土结构的研究鲜有报道,本文基于小尺寸混凝土的压缩浇筑试验工作,从概念层面提出应用于大尺寸混凝土结构的分层压缩浇筑方法和思路,并设计出大尺寸混凝土结构的压缩浇筑模具装置,可较为有效的适用于装配式建筑行业。 为提高混凝土性能并减少水泥用量,达到节能减排的目的,相比于减少混凝土中水泥用量的现有技术和方法,本文应用压缩浇筑方法可以显著提升混凝土性能的同时,有效减少混凝土中的水泥用量。基于此,本文开展了两个方面的工作。一是研究不同混凝土配合比设计参数对压缩浇筑混凝土性能的影响。通过设计6种骨料级配的普通混凝土(Normal Concrete:NC)和CCC,3种砂率的NC和CCC,5种水灰比(w/c)的NC和CCC,在相同的压缩浇筑条件下,比较了NC和CCC的性能,分析不同配合比设计参数带来的影响。 二是压缩浇筑混凝土节约水泥用量的研究。当w/c=0.53时,比较不同水泥用量的NC和CCC的强度和浇筑质量,研究发现,当w/c=0.53时,在25%的范围内减少混凝土中的水泥含量,不会对混凝土的强度和外观质量造成严重损失。当减少混凝土中的水泥含量为50%时,会严重降低混凝土的强度和外观质量。另外,比较了5种w/c时,正常水泥用量的NC和CCC的力学性能,减少水泥用量后的NC和CCC的力学性能,建立不同w/c时,正常水泥用量NC和CCC的强度曲线、减少水泥用量后NC和CCC的强度曲线,相比于NC,以抗压强度作为参考标准,CCC可节约水泥含量高达49.58%。 本文的工作初步确定了较为合适的压缩浇筑混凝土制度和方法,从概念层面提出应用于大尺寸混凝土结构的压缩浇筑方法,从试验中有效论证了压缩浇筑混凝土方法减少混凝土中水泥用量的可行性,这项工作将为建筑行业和水泥工业实现节能减排和降低成本带来积极的效益。