关键词： 冻融循环   复合相变材料   正十四烷   水泥砂浆   混凝土  

摘要： 冻融循环是影响水泥基材料耐久性最为重要的因素,在冻融循环作用下,混凝土将产生内外裂缝,使混凝土结构强度和刚度发生衰减,裂缝还会导致钢筋锈蚀、碳化、化学腐蚀加剧,从而造成钢筋混凝土结构维护成本提高,使用寿命缩短。近年来,采用低温相变材料(Phase hange Materials,PCMs)来提升水泥基材料抗冻性能的研究得到了广泛的关注。本文首先研究普通水泥基材料在冻融循环作用下的劣化机理,而后通过制备低温复合相变材料并将其掺入水泥基材料中进行抗冻性能提升试验研究。(1)研究混凝土在冻融循环过程中孔隙结构对力学性能的影响,对不同冻融循环次数的混凝土进行力学性能、低场核磁共振(NMR)等试验,并利用灰色关联熵方法建立冻融循环过程中抗压强度与孔隙结构之间的数学模型。结果表明:随着冻融循环次数的增加,混凝土力学性能下降明显,孔隙度增加且T谱总面积逐渐增加;冻融循环过程中对力学性能影响最大的两大因素分别为少害孔孔隙占比以及自由流体饱和度(FFS),对应的灰熵关联度分别为0.9893和0.9952。以抗压强度为参考,以自由流体饱和度和少害孔孔隙占比为比较序列建立GM(1,3)模型,模型预测值与试验平均值相对误差仅为0.29%,表明预测模型可以为混凝土冻融循环过程中力学性能提供公式依据。(2)以正十四烷(C14)为相变材料,膨胀石墨(EG)为载体,通过物理吸附法制备C14/EG复合相变材料,采用步冷曲线、扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)对C14/EG复合相变材料的微观形貌、相变温度、相变潜热、化学结构进行测试。开展了外掺(与水泥质量比)0%、2%、4%、6%相变材料的相变储能砂浆(PCESM)快速冻融循环试验,分析了冻融循环对表面损伤、质量损失、动弹模量损失、抗压强度及孔结构的影响规律,揭示了PCESM冻融循环劣化机理。试验结果表明:C14能够较好地吸附在EG孔隙中,C14与EG之间有良好的相容性,二者未发生化学反应。由于C14/EG相较于水泥基材料为弱相,因此随着C14/EG相变材料掺量的提高,PCESM的力学性能随之下降,但抗冻性能随着C14/EG相变材料掺量的提高呈现先提高后降低的规律,C14/EG相变材料掺量为4%的PCESM抗冻性最优。同时对外掺(体积占比)0%、1%、2%、3%、4%C14/EG复合相变材料的混凝土进行快速冻融循环试验,分析冻融循环对混凝土表面损伤、质量损失、动弹模量损失的影响规律,揭示了相变储能混凝土冻融循环劣化机理。试验结果表明:当C14/EG复合相变材料掺量为体积分数3%时,混凝土抗冻性能最优。(3)通过膨胀珍珠岩(EP)多孔吸附正十四烷(C14)后采用水泥外包裹制备C14/EP复合相变材料,采用步冷曲线、SEM、DSC、FTIR对C14/EP复合相变材料的微观形貌、相变温度、相变潜热、化学结构进行了测试。通过C14/EP复合相变材料等质量取代河砂(0%、10%、20%、30%)制备相变储能水泥基材料,并进行力学性能试验、冻融循环试验、微观结构等试验,共同揭示C14/EP复合相变材料在水泥基材料中的最佳掺量及作用。试验结果表明:C14/EP复合相变材料对水泥基材料力学性能影响较小,其抗冻性能随着C14/EP复合相变材料掺量的提高呈现先提高后降低的规律,当C14/EP相变材料掺量为20%的水泥基材料抗冻性最优。(4)利用温度传感器模拟测试砂浆板从室温-低温-室温条件下板内部温度变化,对比相变储能砂浆与普通砂浆的储热性能。结果表明:复合相变材料的掺入能够有效减缓水泥基材料内部的降温速率,减少了温度应力对水泥基材料的影响,从而提高水泥基材料的抗冻性能。

关键词： 季节冻土区   加筋改良粉砂土   聚丙烯纤维   冻融循环   三轴强度  

摘要： 季节冻土区的温度正负交替变化,引发的路基冻融问题,严重影响了高铁建设和安全运营。本文基于我国西部某季节冻土区铁路路基,以季冻区改良粉砂土为研究对象,利用聚丙烯纤维对其进行改良,从温度、导热系数、冻胀融沉特性、动静力学强度四个方面展开研究,为季节冻土区路基改良提供理论参考和技术支撑。主要研究成果如下:(1)纤维改良粉砂土的导热系数随含水率的增大呈非线性增长,随干密度的增大呈指数增长,随纤维掺量的增大线性减小,随冻融循环次数的增大线性减小。且冻土的导热系数明显大于常温土的导热系数,冻土导热系数最大为1.87W/(m·K),融土导热系数最大为1.38W/(m·K)。(2)试样单向冻融过程中,融化过程中含水率变化速度较冻结过程更快;纤维改良粉砂土的冻胀率和融沉系数都随着含水率的增加而增加,随着纤维掺量的增加而减小;并且在纤维掺量为0.3%时改良粉砂土结冰温度最低为-1.95℃,效果最好。(3)冻土和融土都在纤维掺量为0.3%,长度为15mm时,三轴强度达到最大,分别为3.11MPa、1.03MPa;随着冻融循环次数的增加,冻土剪切强度逐渐减小趋于稳定值2MPa,融土强度呈先增大后减小趋势。(4)常温条件下,随着含水率增加,动强度降低速度加快;加筋土动强度随着振动频率的增加呈线性增加趋势;随着纤维掺量的增加,改良粉砂土强度先增大后减小,在纤维掺量为0.3%时动强度达到最大为1.34MPa。低温条件下,随着含水率的增加,改良粉砂土强度先增大后减小,在含水率为12%时其动强度最大为7.79MPa;随着纤维掺量的增加,改良粉砂土强度先增大后减小,在纤维掺量为0.2%时动强度达到最大为6.24MPa;随着冻融循环次数的增加,加筋土动强度逐渐减小并趋于稳定。(5)冻融循环纤维加筋土本构模型可以采用改进的西原模型来描述,后对累积变形曲线进行拟合,拟合度为0.99以上。

关键词： 相变材料   改良黄土   冻融循环   击实特性   无侧限抗压强度   动回弹模量   微观特性  

摘要： 黄土是一种多孔的有柱状节理的偏黄色粉性土,这一特性导致其易遭受冻融循环的影响。长期以来,由于冻融产生的不利影响,包括路基冻胀、融沉等,对于此类破坏,仅仅通过面层修补无法从根本上改变道路的状况,必须对其路基内部进行处理。在冻融循环和荷载作用下,路基土性质会发生变化,路基性能受到影响。目前,针对路基的冻胀问题,许多科研人员结合工程实际,提出了不同的防冻胀措施,总结起来,主要分为:①以控制路基温度为目的的保温措施,②以减小路基含水率为目的的防排水措施,③以降低路基填料冻胀敏感性为目的的土质改性措施。虽然这些方法在季节性冻土区得到了广泛应用,但是在对黄土路基的防冻胀措施上还尚存在局限性,且没有系统性的研究出何种方法更加适用黄土类型。本文希望采用一种新的方式来代替传统方法,鉴于此,本文将通过采用相变材料(PCM,Phase change material)来解决黄土路基冻融产生的不利影响,在此基础上对其作更深入的研究。本文以山西省土壤作为研究对象,主要在以下几个方面进行研究并得出结论:(1)通过现场调查取土场的土样,进行常规土工试验测其基本物理性质,试验分析结果认为该土样为低液限粉质粘土。通过掺入两种PCM来研究黄土改良后的性能,首先从微观角度分析认为PCM对黄土的改良主要为物理作用,然后采用击实试验研究不同相态、掺量的PCM对黄土最优含水率和最大干密度的影响,得出结论:掺入液体石蜡改良黄土最大干密度随掺量的增加先增大后减小,最优含水率随掺量的增加不断减小;掺入相变微胶囊改良黄土最大干密度随掺量的增加不断减小,最优含水率随掺量的增加不断增大。(2)系统研究在冻融循环作用下PCM改良黄土物理特性和静力特性,研究抗压强度随相变材料掺量、相态的变化规律,并分析冻融循环次数、冻融温差等因素对改良黄土抗压强度的影响,得出物理特性和静力学相关结论:PCM改良黄土经冻融后物体表面析出的冰渍少于天然黄土,两种改良黄土的无侧限抗压强度随冻融循环次数的增加不断下降,并且在第一天时下降幅度最大,在第三天后强度下降趋势逐渐趋于稳定。PCM改良黄土随着冻融温差的增加强度逐渐减弱。此外,掺入PCM后改良黄土的无侧限抗压强度均得到了较大提升,与天然黄土相比,掺入8%液体石蜡和5%相变微胶囊可分别提高强度2.7倍和2.9倍。随着冻融循环次数的增加PCM改良黄土质量不断降低,这也可能是其强度不断下降的原因。综上,PCM对路基黄土具有改良作用,提高黄土路基强度可以通过添加PCM来实现。(3)系统研究在冻融循环作用下PCM改良黄土的动力特性,研究不同围压、循环动应力以及冻融循环次数对改良黄土的动回弹模量的影响,最后综合试验结果得到不同情况下两种PCM的最优掺量。本文认为,若综合考虑强度和动回弹模量因素,可选择8%掺量的液体石蜡来进行改良,在实际工程中,需要充分考虑不同因素,选择适合的相变材料来进行改良。另外,得出动力学相关结论:PCM改良黄土动回弹模量随围压增大而增大,随循环应力增大而减小,且回归关系曲线接近于线性;动回弹模量随着冻融循环次数增加不断下降,在经过第一次冻融循环后会有一个大幅下降,在第三次以后会逐渐趋于稳定。试验结果认为提高围压和降低循环应力可以降低冻融循环对PCM改良黄土结构的劣化作用。

关键词： 冻融循环   黄土蠕变   蠕变变形量   长期强度   蠕变本构模型  

摘要： 中国的黄土分布较为广泛,其特殊的工程性质在黄土滑坡的产生和演变过程中发挥着重要的作用,随着寒区基础工程的不断发展,黄土区的冻融循环作用成为了影响边坡、基坑等工程安全性和长期稳定性的重要因素。大量实例证明,边坡失稳造成滑坡是坡体随时间不断蠕变变形的一个过程,因此研究冻融区黄土的蠕变特性及其本构模型对冻土力学的发展及寒区工程的建设有着十分重要的实际意义和科学价值。本文以典型季节性冻融区黄土滑坡（兰州黑方台滑坡群）为研究背景,以研究区内原状黄土为研究对象,在室内试验和理论分析结合的基础上,研究了不同冻融循环次数后不同含水率、不同围压、不同角度不贯穿裂隙原状黄土的蠕变特性,分析了不同试验条件下的长期强度变化规律,并对原状黄土的蠕变本构模型进行了参数辨识,主要研究内容及成果如下:（1）通过一系列三轴蠕变试验研究了原状黄土的应变-时间曲线,结果表明:其他条件不变时,试样的变形量随着冻融循环次数的增加先增加后减小再增加,其中1次和10次的变形量最大;冻融循环次数为0时,试样的变形量随着含水率和不贯穿裂隙角度的增加而增加,随着围压的增加而减小;冻融循环作用对较小含水率、围压以及不贯穿裂隙角度原状黄土试样的变形量影响较大;相比于冻融循环作用,含水率变化（12%-20%）、围压变化（100-200k Pa）以及不贯穿裂隙角度变化（45°和60°）对原状黄土试样变形量的影响较小;冻融循环作用削弱了含水率和不贯穿裂隙角度变化对原状黄土试样变形量的影响,增强了围压变化对变形量的影响。（2）通过对原状黄土试样的蠕变数据进行分析整理,得到了相应的应力-应变等时曲线,通过分析可以得到以下结论:冻融循环次数为0时,试样的屈服应力随着含水率、不贯穿裂隙的角度的增加而减小,随着围压的增加而增加;冻融循环作用削弱了含水率和不贯穿裂隙角度变化对原状黄土试样屈服应力的影响,增强了围压变化对屈服应力的影响。（3）在原状黄土长期强度方面,对比了稳态蠕变速率法和应力-应变等时曲线法的优缺点,并采用应力-应变等时曲线法求取了不同试验条件下原状黄土的长期强度,结果表明,长期强度呈现出随着冻融循环次数的增加先减小后增加再减小,随着原状黄土试样含水率和不贯穿裂隙角度的增加而减小,随着围压的增加而增加的规律。（4）在Burgers模型和西原模型一维蠕变方程的基础上,推导了相应的三维蠕变方程并对冻融后原状黄土试样的蠕变曲线进行了拟合,结果表明,Burgers模型三维蠕变方程的拟合效果更好,但是这两种蠕变模型均不能较好地描述原状黄土试样的加速蠕变阶段,因此在分析黑方台原状黄土蠕变全过程曲线的基础上,通过串联一个由塑性元件和非线性化黏性元件并联组成的非线性黏塑性体,新建立了一种非线性化的Burgers模型并推导了相应的三维蠕变方程,和传统的元件模型相比,该模型可以较好地拟合原状黄土试样的加速蠕变过程。

关键词： 尾矿砂   冻融循环   三轴试验   宏-细观   损伤力学  

摘要： 尾矿坝是由尾矿堆积而成的坝体,它在矿山环境的保护和治理中起到了重要作用,尾矿坝会发生的事故往往是由微弱的损伤长期累积或其他多种因素复合而成的。在温度随季节转变发生周期性变化时,尾矿内部的水分不断发生相变,会导致尾矿的结构、水分场以及应力场等发生变化。所以本文以辽宁阜新某尾矿库的尾矿砂为研究对象,采用宏-细观相结合的研究方法,研究了冻融循环次数与含水率对尾矿砂应力-应变的影响规律;结合冻融循环作用下尾矿砂的细观结构变化特征,探究了尾矿砂的强度变化规律;并提出了冻融损伤的本构模型。论文主要研究成果包括:(1)对不同含水率的尾矿砂进行一系列的冻融循环试验和三轴压缩试验。结果表明:尾矿砂的应力应变曲线特征与普通土体相似,由弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段三个阶段组成。但是其峰值强度出现较晚,软化现象并不明显。尾矿砂的剪切强度随冻融循环次数的增加呈衰减趋势。此外,一定程度增加尾矿砂含水率,有利于提高尾矿砂的界面力学性质,含水率超过最优含水率时,不利于尾矿砂的稳定性。(2)通过电子显微镜获取尾矿砂冻融循环后的细观结构图像并利用软件对尾矿砂试样内部结构进行对比观察。结果表明:随着冻融循环次数的增加,冻胀作用会使尾矿砂内部产生不可逆变形,试样结构遭到破坏,孔隙的孔径整体水平变大,试样内部结构疏松,宏观力学强度下降,具体表现为抗剪强度降低。(3)基于损伤力学和尾矿砂宏细观试验结果,建立冻融过程中尾矿砂细观结构损伤本构模型,并通过试验数据对模型进行验证,其拟合结果的相关系数均超过0.920,说明拟合效果良好。尾矿砂冻融损伤变量随冻融循环次数增加逐渐增加;冻融循环次数相同时,尾矿砂的损伤变量随围压增大而减少;含水率的增加,也会加剧尾矿砂冻融损伤程度。通过上述研究,探究冻融循环作用下尾矿砂的力学特性,研究冻融循环作用对尾矿砂的强度损伤,对尾矿坝的安全稳定具有重要的科学价值和指导意义。该论文有图38幅,表14个,参考文献70篇。

关键词： 鲁西南黄泛区   盐碱土   冻融循环   饱和导水率   微观结构   BP神经网络  

摘要： 据相关统计,我国盐碱土面积约占国土总面积的10%,尤其在鲁西南黄泛区,土壤盐碱化严重制约着该地区农业的生产与发展。该地区土壤退化严重,具有结构致密、容重大和饱和导水率低等典型特征。冻融对土壤结构和理化性质的影响越来越频繁和剧烈,进一步影响了冻土区土壤排盐效率。研究鲁西南黄泛区盐碱土的基本理化性质,分析冻融循环对该地区土壤水力性质和微观结构的影响,将对黄泛区盐碱土的修复具有重要指导意义。本研究以鲁西南黄泛区典型盐碱土为试验材料,首先分析原状盐碱土的基本理化性质、粒度分布和矿物组成。其次,通过室内试验研究了不同含水率（13%、16%、19%）、容重（1.48 g·cm-3、1.53 g·cm-3、1.58 g·cm-3）和冻融循环次数（0、1、5、10、15、20）下的重塑土壤的饱和导水率和微观结构特征。最后,采用BP神经网络建立了该地区盐碱土渗透性预测模型。通过对试验过程的观察和试验数据的分析,主要研究结果如下:（1）鲁西南黄泛区盐碱土为粉质黏土,其饱和导水率为1.48×10-5 cm/s,属于弱透水类土壤,渗透性极差。土壤Cu=7.14＞5,Cc=0.33＜1,土壤粒度差异大,分布不均,颗粒以小颗粒（1＜d＜100 μm）为主,黏土颗粒（d＜0.002 mm）的含量占比仅为4.95%。通过X射线衍射试验可知,该地区土壤矿物主要以原生矿物为主,其黏土矿物含量仅占总矿物含量的9.55%。故该地区土壤的粒度分布和矿物组成均不是导致其低渗透性的主要原因。（2）冻融循环加剧了土壤样品表面的宏观裂纹分布。在冻融循环15次时影响最明显,E1（1.48 g·cm-3,13%,N=15）分形维数较未经冻融增大23.44%,复杂度最高。含水率的提高加剧土壤样品表面宏观裂纹分布,提高分形维数和复杂度,分形维数F7（1.48 g·cm-3,19%,N=20）较F1（1.48 g·cm-3,13%,N=20）提高13.47%。干密度的增大起反作用,随着干密度增大,分形维数降低。（3）冻融循环共20次,0-15次中,盐碱土饱和导水率随着冻融循环次数增加而线性增加,20次时略有下降。E1（1.48g·cm-3,13%,N=15）达到 5.91×10-5cm/s,较未冻融提高180.57%。含水率的提高相应提高土壤饱和导水率,冻融循环20次,干密度1.48 g·cm-3,F7（19%）较F1（13%）增大31.68%。干密度增大相应减小土壤饱和导水率,冻融循环20次,含水率13%,F3（1.58 g·cm-3）较F1（1.48 g·cm-3）减小71.19%。（4）盐碱土的渗透性与其微观结构密切相关。经历冻融循环后（N＞0）的土壤样品中含有较多的超微孔（＜0.05 μm）和微孔（0.05-2 μm）,大孔（≥20 μm）含量较少。随着冻融循环进行,土壤孔径分布曲线的峰值右移且增大,10次冻融循环后,曲线呈现双峰分布,第二峰的孔径分布范围大于10 μm,属中孔范围,对孔径分布的影响更为剧烈,冻融循环15次影响最剧烈。高含水率可以促进冻融循环的作用,高干密度的增加则有抑制效果。含水率增加,主导孔径由0.05-2 μm的微孔逐渐向2-10 μm的小孔转变,且含量增加,进而增大孔隙度。随着干密度增大,孔径分布曲线中主导孔径的分布范围几乎不会受到影响,但主导孔径的含量呈减小趋势,孔隙度随之减小。（5）通过扫描电镜试验观察发现,冻融循环次数增大了粒间孔隙直径,并且拓宽了颗粒间接触形式,由原来单一的面-面接触转变为面-面接触、点-面接触、点-点接触为主的多种接触方式共存。较高含水率会使土壤颗粒碎片化,产生“片”状结构,促进土壤孔隙发育。随着干密度的增加土壤颗粒会产生“板”状结构,从而导致土壤微观结构更加致密。（6）基于BP神经网络,建立鲁西南黄泛区盐碱土渗透性预测模型。该神经网络预测模型预测效果良好,可以利用该模型进行该地区盐碱土的饱和导水率预测。

关键词： 红黏土   含水率   冻融循环   力学参数  

摘要： 本文以山西长治某矿区红黏土为研究对象,以不同含水率为研究条件,采用试验与理论研究相结合的方法,首先进行胀缩试验和冻融循环试验,其次分别进行常规条件和冻融循环稳定后的反复直剪试验、三轴试验、固结压缩试验,最后进行理论分析得出土体相关力学参数的研究,研究结果表明:红黏土的胀缩变形与含水率和上覆荷载有很强的数学关系,并且随着含水率的提高,红黏土的膨胀变形减弱,收缩变形增强,上覆荷载有效抑制土体的膨胀变形,使膨胀变形变小,稳定时间缩短。含水率一定时,无荷膨胀稳定的时间基本达到20h以后,有荷膨胀稳定时间随含水率增大而减小,收缩变形增加呈线性增长;随含水率的提高,冻胀率逐渐增大,低含水率时冻融在6～8次达到稳定,高含水率时稳定次数在10次左右。反复直剪试验中,随着含水率的增大,红黏土的抗剪强度逐渐减小,常规条件下真黏聚力和黏聚力先减后增,内摩擦角逐渐减小且与拟合值近似接近;冻融稳定后,真黏聚力先增后减,黏聚力呈现减-增-减的趋势,新的内摩擦角与拟合值差异较大;利用黏聚力差异指数比得出常规条件下指数比在0.75～9.96之间,在含水率为19%时达到最小,冻融后指数比在1.30～7.13之间,在含水率为18%时达到最小。三轴试验中,应力-应变曲线为硬化型,随着含水率的增大,重塑红黏土的黏聚力和内摩擦角均在较小,并且常规条件的抗剪强度指标均大于冻融循环稳定后;含水率的提高以及冻融循环作用很大程度改变了红黏土的黏聚力,使其黏聚力产生明显的差异性,冻融稳定后的内摩擦角比常规条件下显著增大。固结试验中,施加的荷载以及含水率的变化,对重塑红黏土的固结稳定时间影响较大,随着荷载和含水率的增大作用效果越明显;压缩系数随含水率的增大呈现减小的趋势。随着含水率的增加,弹性模量、压缩模量、剪切模量均在减小,泊松比在逐渐增大,常规力学参数均大于10次冻融循环稳定;常规条件下,弹性模量最多降低了69.61%,冻融循环稳定后,弹性模量呈线性减小关系;泊松比在两种循环次数时分别为0.21～0.29、0.24～0.31;常规条件剪切模量是冻融循环稳定的1.86～1.16倍,含水率的提高使土体更加容易发生剪切变形。图:[37]表:[28]参考文献:[87]