关键词： 冻融砂岩   物理力学性质   微观结构   声发射特征   冻融损伤  

摘要： 随着我国大力开展基础设施建设,部分岩土工程中存在的冻害问题逐渐凸显。在高纬度及高海拔地区开展岩土工程建设过程中,工程岩体受环境及季节影响易发生冻融损伤现象,在采用冻结法施工的立井工程中其围岩也会遭受短期的冻融损伤。冻融作用会导致岩石的物理力学性质发生变化,严重影响工程的施工安全与稳定性。本文以中国北方地区典型砂岩为研究对象,通过冻融循环试验、常规力学试验及声发射检测试验研究饱水砂岩物理力学性质及声发射预兆破坏特征,借助扫描电镜试验(SEM)及压汞试验(MIP)分析了经历不同冻融循环作用后砂岩内部的微观结构变化特征,并探讨砂岩在冻融循环作用下的破坏特征。论文主要研究内容如下:(1)研究冻融循环作用对砂岩一般物理性质的影响。40次冻融循环作用后砂岩表面出现碎片剥落现象;砂岩饱和含水率随冻融次数增加呈指数函数上升,60次冻融作用后由0.52%上升至0.79%;砂岩孔隙率在0～30次冻融循环区间快速上升,由1.39%上升至1.96%,而后趋于稳定。(2)开展微观结构试验研究冻融砂岩微观角度物理性质。通过SEM试验得出随着冻融循环次数增加,砂岩微观结构发育为蜂窝状,岩石颗粒之间的胶结程度逐渐下降,结构趋于松散,岩石颗粒发生脱落剥蚀,内部微小孔隙逐渐联结发育为大孔隙;通过MIP试验得出经过60次冻融后砂岩内部的微孔隙(d≤1μm)占比下降至26.17%,大孔隙(d≥100μm)占比上升至51.89%。(3)通过室内力学试验研究冻融砂岩强度特征。随着冻融次数增加砂岩各项强度参数逐渐下降;60次冻融后砂岩抗拉强度降低至5.13 MPa,衰减了38.65%;三轴抗压强度随冻融次数的增加逐渐下降,在0～30次冻融区间周期强度损失率较高,且随着围压的上升砂岩经历60次冻融后三轴抗压强度损失率逐渐下降;验证发现Mohr-Coulomb强度准则能更好的描述冻融砂岩主应力之间的关系。(4)通过单、三轴压缩试验研究冻融砂岩变形特征。各围压下砂岩弹性模量与冻融次数呈负指数函数关系;砂岩粘聚力、内摩擦角均随冻融次数的增加呈现先快后慢的下降规律;随着冻融次数增加砂岩破坏更为剧烈,围压低于7.5 MPa冻融砂岩主要表现为劈裂破坏,超过7.5 MPa后经历多次冻融的砂岩破坏形式逐渐转为剪切破坏。(5)研究冻融砂岩受载破坏过程中声发射特征。随着冻融循环次数增加,砂岩压缩试验各阶段的声发射信号活跃程度上升,破坏预兆特征表现为声发射信号活跃期延长,破坏前的平静期缩短;试样破坏阶段声发射振铃计数峰值呈上升趋势,声发射累计振铃计数呈先升后降的规律,表明试样内部的冻融损伤逐渐加剧,内部微观结构的发育情况发生了明显的变化。(6)引入系数研究各组砂岩冻融风化程度。比较冻融风化系数得出砂岩经历10次冻融后抗冻性良好,超过10次后砂岩抗冻性较差;引入综合影响系数得出围压对冻融损伤具有抑制作用,围压越高抑制效果越明显;通过线性拟合得出估算经历不同冻融次数后砂岩三轴抗压强度的经验公式。

关键词： 砂岩   冻融循环   水化学   劣化机制   动力学试验  

摘要： 岩体经受着不同的风化作用，在寒区工程建设中面临最多的就是冻融损伤问题，近年来环境污染等问题愈发突出，水环境中往往伴随一些化学离子的存在，在冻融损伤过程中岩体常受到水环境中化学离子的影响，因此岩体的水化学-冻融耦合作用下动态力学性能试验研究对寒区工程结构稳定性具有重要意义。以工程中常见砂岩为研究对象，对水化学-冻融循环耦合作用下砂岩的物理力学性能展开研究，并进行微观结构分析，主要研究内容及结论如下:　　(1)研究砂岩在pH为3、5和7水环境下经历冻融次数为10、20、40和60次后的质量、孔隙率和纵波波速变化规律，试验发现水化学-冻融耦合作用对砂岩物理性能产生显著影响，随着水环境pH的降低和冻融循环次数的增加，砂岩干燥质量和纵波波速逐渐减小，孔隙率不断增大，且各物理指标变化速率逐渐减小。　　(2)利用SHPB装置对在pH为3的水环境中进行50次冻融循环作用下砂岩进行8种冲击气压下的动态压缩试验，结果表明:动态抗压强度和平均应变率均随着冲击气压的增加逐渐增大，呈二次多项式正相关;随着冲击气压的增加入射能逐渐增大，反射能、透射能和吸收能均随着入射能的增加不断增大，砂岩破坏模式由原来的张应变破坏转变为剪切复合破坏。　　(3)进行不同冻融循环次数与不同pH值水环境耦合作用砂岩的单轴冲击压缩试验。结果表明:随着水化学-冻融耦合作用的进行，砂岩动态力学参数逐渐产生劣化;在相同pH条件下随着冻融次数的增加，砂岩试样动态抗压强度逐渐减小，峰值应变不断增大，其中在pH为3水环境下经历10次、20次、30次、40次、50次和60次冻融循环，砂岩的强度较自然状态分别降低了9.80％、17.54％、21.85％、24.11％、28.79％和31.37％;在相同冻融循环次数下，随着水环境pH的降低砂岩动态抗压强度不断减小，峰值应变逐渐增大，其中当冻融循环次数为60次时，水溶液pH为3和5相比pH为7的溶液砂岩强度分别减少了18.61％和11.18％。　　(4)进行不同冲击气压下的循环冲击试验，研究发现较大冲击气压作用下，随着循环冲击次数的增加，峰值强度呈线性下降趋势，峰值应变和平均应变率均呈线性增长趋势;当冲击气压较小时，随着循环冲击次数的增加，峰值强度先缓慢下降然后陡降，峰值应变和平均应变率则先缓慢增加然后陡增;试件裂纹不断扩展，试件主要呈劈裂破坏;单位体积吸收能表现为两阶段变化趋势，累计比能量吸收能则不断增加。　　(5)结合微观结构变化和反应前后砂岩物质的衍射图谱分析，矿物颗粒钠长石与高岭石产生化学与水解反应，胶结矿物方解石也与化学溶液中氢离子反应，岩石中的孔隙结构发生改变，产生新的孔隙裂纹。

关键词： 寒区隧道边仰坡   冻土   冻融循环   水热力耦合  

摘要： 寒区隧道边仰冻融灾害形成的原因、作用机理机制以及影响因素较为特殊和复杂,在冻融循环作用下的寒区隧道边仰坡内部水热力变化规律及其稳定性影响分析的研究尚为不多。本文将采用理论分析与有限元数值模拟相结合的方式,针对在冻融循环影响下寒区隧道边仰坡稳定性进行了深入的研究,主要研究内容如下:(1)对寒区边仰坡的稳定性在冻融作用下的影响因素、失稳类型进行了分析,探讨了冻融循环分别对土质边仰坡以及岩质边仰破的影响,并介绍了常用的寒区边仰坡稳定性分析评价方法。(2)本文在多孔介质传热理论、理查兹方程理论以及固体力学理论的基础上建立了水热力三场耦合模型,通过COMSOL Multiphysics大型有限元数值模拟软件,采用顺序耦合的方式,实现了水热力三场耦合的求解,并建立了隧道边仰坡典型侧断面的二维仿真模型。(3)以青海某隧道边仰坡工程为背景,分析了在冻融作用下温度场、水分场及应力场等的分布特点和变化规律,得到在冻融过程中,安全稳定系数随冻结深度与融化深度增加的变化关系分别成正比与反比。边仰坡表层受外界环境温度影响最为明显,其温度变化、水分变化的反应速率最快,随着距离坡表深度的增加,受外界影响变化的反应速率逐渐下降。通过常温状态下与冻融作用下的边仰坡稳定性进行对比分析得到,冻融作用对边仰坡稳定性有着较大的影响,在冻结时稳定性有所上升,而在融化时其稳定性下降,这是由于融土与冻土之间形成了冻融交界面,水分被迫改变流动方向,沿着此交界面顺流而下,这也就降低了土体的力学性质与强度,从而引发边仰坡发生失稳破坏。当边仰坡处于临界状态时,其滑动面呈圆弧状,从坡脚沿着冻融交界面延伸至坡顶。(4)通过强度折减法计算分析了冻融循环次数、不同初始含水率以及不同边仰坡坡度三种主要因素对寒区隧道边仰坡稳定性的影响,得到随着冻融循环次数的增加,边仰坡的稳定性越低,且第一次冻融后的安全稳定系数下降幅度最大,之后趋于平缓。当冻融循环次数一定时,初始含水率越大,其安全稳定系数越小,且下降幅度随着冻融循环次数的增加在逐渐变小;在相同的冻融循环次数下,坡度越大,其稳定性越差,反之亦然。本文采用理论研究和有限元数值模拟相结合的方式,对寒区隧道边仰坡稳定性在冻融循环作用下的影响研究,可为寒区隧道边仰坡相关课题以及实际工程建设研究提供理论依据。

关键词： 冻融循环   灰岩   物理力学特性   劣化效应   损伤本构模型  

摘要： 随着国家西部建设进程的加快,寒区冻融灾害给工程建设带来的潜在风险越来越受重视。针对寒区岩土体的冻融劣化问题,本文选取灰岩作为研究对象,通过室内冻融循环试验模拟寒区温差环境,开展冻融循环作用下灰岩的物理力学试验,基于试验结果对灰岩的冻融劣化效应及机理进行分析,并结合损伤力学理论建立了冻融循环作用下灰岩的损伤演化方程及本构模型。主要研究内容及成果如下:（1）对灰岩试样分别进行0、10、20、30、40次冻融循环试验,通过测定冻融循环过程中试样的质量和体积参数分析灰岩的质量变化、饱和吸水率变化及密度变化规律。灰岩的干燥质量、饱水质量分别表现出损失和增加的变化特征,且变化量随冻融循环次数的增加逐渐增加;饱和吸水率随循环次数的增加逐渐上升;饱和密度在不同循环次数作用后均有所增加,但增长量随循环次数的增加而降低,而干密度随循环次数的增加表现出先增大后减小的变化特征。（2）对冻融循环作用后的灰岩试样开展单轴、常规三轴压缩试验,分析不同冻融循环次数和围压条件下灰岩的应力-应变曲线、破坏形态、强度及变形参数变化规律,并引入劣化度的概念计算灰岩各力学参数的总劣化度及阶段劣化度,进而分析冻融循环作用下灰岩的劣化效应。随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线的压密段变形延长、塑性段变形出现小幅度增长、直线段斜率减小,试样主要表现为脆性张拉破坏;随着围压的增大,曲线的压密段变形减小,直线段斜率增加,塑性段变形增加,峰后出现残余强度,试样的破坏模式逐渐转变为纯剪切破坏或拉剪混合破坏。在力学性质方面,灰岩的抗压强度、弹性模量、变形模量、粘聚力及内摩擦角均随冻融循环次数的增加而降低,但劣化速率有所差异:除内摩擦角的劣化速率随循环次数的增加呈持续增长的趋势外,其他参数均随冻融循环次数的增加整体表现出先增大后减小的变化规律;围压会抑制冻融循环作用对灰岩力学性质的影响,且抑制效果与冻融循环次数、围压均呈正相关关系。（3）根据冻融循环作用下灰岩力学特性试验结果,分别对单轴抗压强度、弹性模量和变形模量的损伤因子进行分析,选取相关系数最高的弹性模量作为灰岩的冻融损伤变量,基于Weibull分布、Drucker-Prager强度准则和Lemaitre应变等价原理建立了冻融循环作用下灰岩损伤变量表达式及考虑压密段影响的本构方程,并通过试验数据对损伤本构方程进行验证。损伤本构模型能够较好地反映出冻融-荷载作用下灰岩的峰值强度、峰值应变、压密阶段及弹性变形特征,峰后破坏阶段的应力-应变曲线契合度相对较差。此外,通过分析损伤本构模型参数的表征意义及其随冻融循环次数的变化,发现模型参数在一定程度上能够反映岩石的宏观性质,且变化特征与物理试验结果基本相同。

关键词： 沥青混合料   沥青砂浆   耐久性   关联性   细观尺度   黏弹特性  

摘要： 沥青混合料材料组成的形貌和大小各异、感温性强、空间分布无序性等特点,导致成型的沥青混合料具有多尺度和流变特性。沥青混合料中细观尺度,它对微观尺度等效到细观尺度和细观尺度平均化到宏观尺度研究承担着跨尺度桥渡的作用。沥青混合料的流变特性是一种复杂的力学行为,其中沥青砂浆具有和沥青混合料黏弹性相似/等效性,沥青砂浆又是沥青混合料中流变特性的主要承担者,它对抗高温车辙、中温疲劳、低温开裂等耐久性能起着重要的作用,但仅对沥青砂浆进行研究难以提供支撑性材料指标和准确预测沥青混合料耐久性特性。基于以上,开展在室内外环境因素下沥青砂浆与沥青混合料耐久性关联性分析,为深入了解沥青混合料的耐久性能提供有力研究基础;进而采用细观尺度下数字图像相关方法,验证沥青砂浆在沥青路面材料设计中的重要性。为探究室内环境因素下沥青砂浆与沥青混合料耐久性关联性,通过马歇尔试验确定了沥青混合料最佳油石比,进而确定了沥青砂浆的油量和级配,采用旋转压实成型和精密切割机得到细观尺度下的沥青砂浆和沥青混合料试件;借助动态剪切流变仪,通过频率扫描验证了采用矩形夹具的可行性;对试件进行了线性黏弹范围确定后,分析了在冻融循环和紫外加速老化条件下对沥青砂浆与沥青混合料复数剪切模量、疲劳性能、蠕变性能的影响,并分析了沥青砂浆与沥青混合料之间耐久性的关联性。结果表明:在冻融循环条件下,沥青砂浆和沥青混合料随着冻融循环次数的增加复数剪切模量减少、疲劳寿命减少、延迟弹性柔量占比减小、黏性流动柔量占比增加;在紫外老化条件下,沥青砂浆和沥青混合料随着紫外加速老化时间的增加复数剪切模量增加、疲劳寿命减少、延迟弹性柔量占比增加、黏性流动柔量占比减小;沥青砂浆与沥青混合料模量曲线变化规律、疲劳寿命下降趋势和黏弹性柔量占比变化情况具有关联性。为研究室外环境因素下沥青砂浆与沥青混合料耐久性关联性,采用动态剪切流变仪,分析了室外自然水损和室外自然老化条件下对沥青砂浆与沥青混合料复数剪切模量、疲劳性能、蠕变性能的影响及关联性分析,并且采用主曲线对室内外老化环境影响下模量变化规律关联性分析;为验证沥青砂浆在沥青路面材料设计中的重要性,利用数字图像相关方法和多功能材料试验机,对砂浆和骨架应变场和位移场进行分析。结果表明:沥青砂浆和沥青混合料室外自然环境影响下,模量变化规律为:室外老化一年>室外水损一年>室外老化半年>室外水损一年>未处理、疲劳寿命为:未处理>室外老化半年>室外水损半年>室外老化一年>室外水损一年、蠕变柔量为:自然老化一年<自然水损一年<自然老化半年<自然水损半年<未处理;沥青砂浆的竖向、水平位移和应变均大于骨架,并且沥青混合料、骨架、砂浆三者在竖向位移、竖向应变、水平应变具有一定的关联性。

关键词： 碾压混凝土   冻融循环   离散单元法   细观破坏   三轴压缩  

摘要： 随着我国西北部地区开发,碾压混凝土坝已成为我国西北部地区的重要坝体类型之一,由于我国西北部地区气候条件较为恶劣,地质活动频繁,对碾压混凝土坝体结构的安全性和稳定性产生不利影响,因此通过离散单元法开展冻融循环下碾压混凝土动态三轴压缩的数值模拟具有重要意义,有鉴于此,本文基于离散单元法对不同冻融循环次数、不同围压及不同应变速率下的碾压混凝土开展动态三轴压缩数值模拟试验,得到了冻融循环次数、围压及应变速率对碾压混凝土宏细观力学特性的影响,并从细观角度分析了数值试样内部破坏过程,主要的研究工作和结论如下:(1)在离散元软件中,对碾压混凝土数值模型的细观参数进行标定,发现在相同条件下5个不同细观参数对碾压混凝土力学影响各不相同,为之后建立冻融损伤层的碾压混凝土模型提供参考依据。(2)构建考虑冻融损伤层的碾压混凝土模型,冻融损伤层厚度基于室内试验结果所得。采用该模型进行动态三轴压缩数值模拟,数值试验与室内试验结果存在较高的一致性,验证了本文提出的冻融损伤模型的可靠性。(3)描述宏细观力学特性之间的联系,内部颗粒的位移和宏观变形,力链结构和宏观应力,内部细观破坏的过程和宏观应力应变之间的联系。描述冻融循环次数、围压及应变速率对宏细观力学特性(应力应变曲线及内部颗粒位移,力链结构和细观破坏)的影响。(4)通过宏观物理试验与数值模拟的结果对比分析,发现在围压及应变率的环境下,围压对碾压混凝土抗压强度的影响大于冻融循环对其的影响。应变率对碾压混凝土材料的抗压强度增强效果明显。围压会增强碾压混凝土的抗压强度,并且在本试验中随冻融循环次数的增加,此效果更明显。

关键词： 钢管混土短柱   酸雨锈蚀   冻融循环   轴压性能  

摘要： 钢管混凝土结构具有优异的使用价值而被广泛地应用于各种实际工程中,但随着钢管混凝土构件使用周期的增加和服役环境的变化,其结构耐久性问题变得越来越突出。对服役于严寒和酸雨腐蚀地区的钢管混凝土结构,复杂的环境因素对其力学性能影响较为严重,尤其是长期力学性能,因此,其结构耐久性能更应得到重视。为研究严寒地区酸雨腐蚀对钢管混凝土力学性能的影响,本文对40根不同环境因素作用后的圆钢管混凝土短柱进行轴压试验研究,主要研究内容如下:(1)采用电化学方法模拟酸雨锈蚀,使不同截面厚度(3.0mm和4.5mm)的钢材拉伸试件达到不同锈蚀率(0、10%、20%、30%),然后对锈蚀后的标准拉伸试件进行单轴拉伸试验。试验结果显示:随着锈蚀率的增加,钢材各项力学性能均逐渐劣化。最后基于试验结果,回归得到酸雨锈蚀后钢材各力学指标的简化计算公式。(2)设计40根圆钢管混凝土短柱进行不同环境因素作用后的力学性能研究,其中三组不同壁厚36个试件分别进行酸雨锈蚀试验,冻融循环试验和酸雨锈蚀-冻融交替试验,然后对不同环境作用后试件进行轴压试验。试验结果表明:试件在酸雨锈蚀,冻融循环及二者交替作用后,破坏模式基本一致,而试件的极限承载力、刚度、延性均产生不同程度劣化;相对于单一环境作用,交替作用后试件的各项性能退化更为显著。(3)基于锈蚀后材料性能试验研究,利用有限元软件建立酸雨锈蚀-冻融循环交替作用后圆钢管混凝土轴压短柱模型,通过不同环境作用后各试件的破坏模态、荷载-轴向位移关系曲线以及极限承载力来验证有限元模型的合理性。结果表明:有限元模拟计算结果和试验结果基本一致。(4)在验证模型合理的基础上,利用有限元模型对酸雨锈蚀-冻融交替作用后试件的轴压工作机理进行模拟研究,得到试件的荷载-轴向应变关系全过程曲线、钢管和核心混凝土各自的承载力、钢管对混凝土法向约束作用力分布和混凝土纵向应力分布。通过分析含钢率、截面直径、材料强度以及交替作用次数对其试件极限承载力的影响,提出酸雨锈蚀-冻融交替作用后圆钢管混凝土短柱承载力简化计算公式。该论文有图54幅,表13个,参考文献86篇。

关键词： 新都桥地区   季节性冻土   毛细排水板   路基   模型试验   数值模拟  

摘要： 反复冻融循环导致季节性冻土地区路基出现冻胀、融沉等冻融病害,对道路建设和安全运营造成危害。季节性冻土地区路基冻胀、融沉病害是温度与水分迁移共同作用的结果。在季节性冻土地区,每年10月到次年2月,大气中冷能进入路基形成冻结锋面,路基内部水分在基质吸力与孔隙水压力作用下向冻结锋面位置迁移,发生冰水相变,形成较多孔隙冰,体积增大,挤压周围土体,导致路基产生冻胀破坏。待冻结期结束后,路基中孔隙冰开始融化(主要集中在2-6月),产生较多层间水,层间水在重力势能作用下转换为动能致使路基中孔隙结构变大、变多,路基土体结构松散,产生融沉现象。目前针对季节性冻土地区冻融病害防治方法主要集中在温度控制的相关研究,例如电阻丝路基、通风管路基、热棒路基、块石护坡路基等,较少涉及到水分迁移的研究。本文从控制路基中水分迁移的思路出发,以川西高原为研究区,利用室内模型试验、理论分析及数值模拟等方法对冻融循环作用下毛细排水板在减弱水分向冻结锋面位置迁移、降低孔隙冰产生,控制季节性冻土地区路基冻胀病害的效果进行研究。研究结果可为季节性冻土地区路基冻害防治研究与设计提供试验及理论参考。主要工作与结论有:(1)通过室内模型试验,从体积含水率、温度、位移控制等方面分析了冻融循环作用下毛细排水板路基的冻胀特性。结果表明毛细排水板可降低路基内部水分含量、减弱地下水向路基内部迁移、减弱路基顶部冻胀融沉量、减缓路基温度下降趋势与时间、减缓路基冻结深度增长速率。(2)基于理查德方程、伯努利方程及虹吸排水方程等对毛细排水板吸排水模型进行推导及验证,定义了在一定压力梯度下的吸排水模型,解释了毛细排水板在路基冻融循环过程中的工作机理。(3)建立水热力三场耦合模型,并对有限元软件中系数形式偏微分方程(PDE)模块进行二次开发,利用PDE与固体力学模块进行水分场、温度场、应力场数值模拟,将模拟结果与室内试验进行对比分析,利用有限元数值模拟方法对毛细排水板路基的长期服役性能进行预测。

关键词： 混凝土   粉质黏土   界面   双曲线模型   剪切性能   冻融循环   细观损伤  

摘要： 土与结构接触面的剪切性能是决定基础工程中结构的安全性和整体稳定性的一个重要因素。在季节性冻土区,冻融循环作用会导致环境土体与结构物的力学性能劣化,进而影响结构的整体稳定性。因此,针对冻融循环作用下土与结构物接触面的力学性能研究必须加以重视。依托国家自然科学基金项目(42072296,41627801,41430642),中国博士后科学基金项目(2015M581403)以及冻土工程国家重点实验室开放基金项目(SKLFSE201514)的资助,本文针对冻融循环作用下粉质黏土-混凝土二元体界面剪切性能的劣化规律这一课题,进行了以下研究工作:(1)通过对吉林省季节性冻土区实地取样,针对粉质黏土-混凝土二元体所处的实际环境设计了冻融循环试验及冻融循环作用下的粉质黏土-混凝土二元体界面直剪试验。(2)基于不同冻融循环次数条件下的粉质黏土-混凝土二元体界面直剪试验,探究了冻融循环次数对界面剪切性能及强度参数的影响,并考虑了100k Pa-400k Pa等4种不同的法向应力及18.7%、20.7%及22.7%等3种不同的土体初始含水率对粉质黏土-混凝土界面剪切性能影响。试验结果表明,界面的抗剪强度与法向应力正相关,与冻融循环次数及土体初始含水率负相关。(3)将制作完成的粉质黏土-混凝土二元体试块定义为未损伤状态,通过电子显微镜对经历不同冻融循环次数后的粉质黏土上表面细观形态进行观测并利用MATLAB软件对观测图像进行二值化处理,探究了冻融循环作用对粉质黏土表面形态的影响。(4)通过扫描电子显微镜(SEM)分析了粉质黏土与混凝土接触面区域土体的细观形态变化。结果表明,在冻融循环作用下,界面区土体孔隙率逐渐增加,界面区土体单元间由完整结构的面-面接触向点-面接触及点-点接触转化。(5)以双曲线模型为基础,结合冻融循环作用下的粉质黏土-混凝土界面的抗剪强度损伤规律,建立了冻融循环作用下粉质黏土-混凝土界面的剪切模型,并通过室内直剪试验的结果验证了改进的双曲线模型。本文建立的冻融循环作用下粉质黏土-混凝土二元体界面剪切模型,为季节性冻土区粉质黏土与混凝土接触面的剪切性能研究提供了理论基础,为土-混凝土接触面的耐久性设计提供了研究依据。

关键词： 树脂混凝土   GFRP筋   冻融循环   粘结性能   粘结滑移本构关系模型   基本锚固长度  

摘要： 目前,传统的钢筋混凝土仍是建筑结构中的主流材料,但其存在的一些缺点限制了它们的使用,对于建在经常遭受冻融循环以及腐蚀环境的建筑物,采用传统的钢筋混凝土材料往往不能满足其使用要求。随着建筑工业水平的不断提高,新型的建筑材料也在不断推陈出新,GFRP筋与树脂混凝土以其自身优秀的力学性能以及耐久性得到广泛应用。作为新型材料,两者能否像传统的钢筋混凝土结构一样具有良好的协同工作能力需要进一步的研究探索。因此,本文首先在课题组原有树脂混凝土配比的基础上,通过研究树脂掺量(8%、10%、12%、14%、16%)对其力学性能的影响确定出最佳树脂掺量,在此基础之上通过掺入粉煤灰(0%、5%、10%、15%、20%)来研究其力学性能,并通过SEM对其掺入粉煤灰前后的微观结构进行分析,根据试验结果确定出最佳的粉煤灰掺量。其次通过冻融循环试验研究树脂混凝土抵抗冻融破坏的能力。最后通过拉拔试验研究冻融循环次数(0、50、150、250)、粘结长度(2.5d、5d、7.5d)、GFRP筋直径(8mm、12mm)对GFRP筋与树脂混凝土粘结性能的影响,基于试验结果结合已有的FRP筋与混凝土粘结滑移本构关系模型建立适用于GFRP筋与树脂混凝土的粘结滑移本构关系模型,并推导出GFRP筋与树脂混凝土基本锚固长度计算公式。得到结论如下:(1)随着树脂掺量增加,树脂混凝土抗压、抗折以及劈裂抗拉强度均呈现出先上升后下降的趋势。当树脂掺量为12%时,树脂混凝土抗压、劈裂抗拉强度达到峰值,同掺量8%相比,强度分别提高了30.99%和34.11%;抗折强度在树脂掺量为14%,强度达到峰值,同掺量8%相比,强度提高了11.34%。综合考虑,取12%树脂掺量作为树脂混凝土最佳掺量。(2)树脂混凝土在掺入粉煤灰后与未掺入粉煤灰相比强度有所提高,并且随着粉煤灰掺量的增加,树脂混凝土抗压、抗折以及劈裂抗拉强度均呈现出先上升后下降的趋势。当粉煤灰掺量为10%时,抗压、抗折以及劈裂抗拉强度均达到峰值,同未掺入粉煤灰相比强度分别提高了15.59%、11.09%、10.53%。通过SEM观察到在掺入粉煤灰后树脂混凝土内部形成“海-岛”结构,使树脂混凝土内部结构更加完善,性能得到提升。综合考虑,取10%粉煤灰掺量作为树脂混凝土最佳掺量。(3)树脂混凝土在经历了250次冻融循环后,冻融循环作用对其表面以及质量损失损伤较小,基本可以忽略不计;树脂混凝土抗压、抗折以及劈裂抗拉强度分别下降了9.77%、11.71%、28.44%。可以看出,冻融循环作用对树脂混凝土劈裂抗拉强度的影响大于对树脂混凝土抗压、抗折强度影响。在经历了250次冻融循环后树脂混凝土质量仅损失了0.37%。(4)GFRP筋树脂混凝土拉拔试件的破坏模式主要有拔出破坏和劈裂破坏两种,未经历冻融循环的GFRP筋树脂混凝土拉拔试件全为拔出破坏,部分经历了冻融循环后的GFRP筋树脂混凝土拉拔试件出现了劈裂破坏。GFRP筋与树脂混凝土的粘结滑移曲线主要分为以下四段:微滑移段、滑移段、下降段以及残余段。GFRP筋与树脂混凝土的极限粘结强度随GFRP筋直径、粘结长度以及冻融循环次数的增加而降低。(5)建立了适用于GFRP筋与树脂混凝土粘结滑移本构关系模型,并将其与试验曲线进行对比分析,结果表明GFRP筋与树脂混凝土粘结滑移曲线与模型曲线符合程度较高。推导出了GFRP筋与树脂混凝土基本锚固长度计算公式,并将冻融条件下计算所得的锚固长度与本文所取锚固长度进行对比,验证后发现,本文所取得的基本锚固长度公式亦能满足冻融循环条件下的基本锚固长度要求。综上,本文利用废弃物粉煤灰作为树脂混凝土的填料,在提高树脂混凝土力学性能的同时,降低了粉煤灰对生态环境造成的污染。另外,冻融循环试验研究为GFRP筋与树脂混凝土在冻土地区的应用提供了理论参考。