关键词： 玄武岩纤维水泥粉砂土   冻融循环作用   静、动力特性   声发射特性   微观特性   损伤特性  

摘要： 季节性冻土区在我国广泛分布,约占国土面积的二分之一以上,季冻区路基不可避免地要经历冻融循环作用,因冻融循环作用造成的道路病害,既会严重影响道路使用寿命、增加后期维修和养护费用,又极大威胁着驾驶者的行车安全。季冻区道路病害成因的本质是路基土在长期服役状态且受外部环境影响下力学性能的衰减,对路基土进行有效改良从而获得性能稳定优良的路基填土是预防路基病害的主要措施,对季冻区道路工程建设、路基工程病害防治等意义重大。玄武岩纤维是一种具有抗拉强度高、化学稳定性好、耐高温、耐酸碱腐蚀等优良特性的新型高性能无机绿色环保型材料。吉林省玄武岩纤维制造业的发展如火如荼,对玄武岩纤维的推广和应用既有利于我省的经济发展,又能获得一种环境友好型路基填料。粉砂土作为吉林省西北地区普遍存在的路基填料,强度低、抗冻融稳定性差,采用水泥对其进行改良应用最为广泛,但水泥改良粉砂土的抗拉抗折强度低,在冻融循环作用下极易产生路基变形、路面车辙等道路病害。鉴于季冻区的特殊环境,本文采用玄武岩纤维对路基用水泥粉砂土进行改良,通过室内试验、声发射试验和扫描电镜试验,对比分析了粉砂土、纤维土、水泥土和纤维水泥土的冻融损伤特性及强度衰减规律,揭示了纤维的增韧机理。开展主要工作内容如下:(1)基于无侧限抗压强度试验(UCS)、劈裂抗拉强度试验(STS)研究了纤维掺量、纤维长度和养护时间对纤维水泥土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的影响,确定了纤维水泥土的最优配合比为纤维掺量0.2%,纤维长度12mm,养护时间14d。研究表明,随着纤维长度的增加,纤维水泥土的无侧限抗压强度减小、劈裂抗拉强度增大;随着养护时间的增加,无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均增大。无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度之间存在良好的线性相关关系。基于试验数据建立的纤维土和纤维水泥土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的预测模型,为路基填土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的估计提供了量化依据。(2)基于最优配合比,采用无侧限抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验、不固结不排水三轴试验(UU)和加州承载比(California bearing ratio,CBR)试验,系统地研究了改良土的路用性能及力学性能冻融损伤特性。结果表明,纤维水泥土的CBR值最大,膨胀量最小。改良土在压实度100%时的承载比大于压实度96%时的承载比,吸水率和膨胀量的变化规律与之相反。与单掺纤维或单掺水泥改良相比,冻融循环作用下纤维水泥土的力学性能增幅最大。基于Logistic模型对纤维水泥土损伤过程的研究结果表明,粘聚力的冻融损伤程度最大,静弹性模量的冻融损伤速度最快。(3)借助声发射(Acoustic Emission,AE)技术研究了不同因素对单轴压缩作用下纤维水泥土累积振铃计数和累积能量、能量、振幅和RA、AF值的影响,阐明了纤维的增韧机理。以声发射特征参数为依据对土体的损伤阶段进行了划分。结果表明:纤维的掺入能有效降低微裂缝的扩展速率,有助于缓解水泥土的脆性破坏,增强水泥土的延展性。随着纤维掺量和纤维长度的增加,改良土的损伤形成时间延后,临界破坏荷载增大且在最优配合比时最大;随着养护时间的增加,AE能量信号、幅度信号强度减弱。冻融循环作用使得纤维水泥土内部提前出现损伤,随着冻融循环次数的增加,AE能量信号、临界破坏点的AE幅值强度增大,可以将6次冻融循环后临界破坏点的幅值67d B作为损伤预警值。(4)采用分级加载动三轴试验研究了围压和冻融循环作用对改良土动应力―应变关系曲线、动弹性模量和累积塑性变形的影响。改良土的动应力―应变曲线均符合Hardin―Drnevich双曲线模型,以最大动弹性模量和最终动应力幅值作为模型参数,验证了Hardin―Drnevich双曲线模型对改良土动应力―应变曲线的适用性。基于非线性最小二乘法提出了不同因素作用下改良土的归一化最大动弹性模量、最终动应力幅值和累积塑性变形的预测模型,为改良土的动力反应分析提供了量化依据。(5)采用扫描电镜(SEM)获取了冻融循环作用下改良土的微观图像,用MATLAB对图像进行降噪、二值化及形态学处理,用Image-Pro Plus(IPP)软件进行颗粒和孔隙特征参数提取,并对其进行定量分析,同时定性分析了微观图像,明确了纤维和水泥的作用机制。随后,采用灰色关联理论分析了微观特征参数对宏观力学性能的影响程度并揭示了宏观力学性能冻融损失的微观作用机理。

关键词： 圆钢管混凝土   冻融循环   推出试验   本构关系   有限元分析  

摘要： 钢管混凝土由于承载力高、抗震性能好等优点被广泛应用于实际工程中。近年来,我国北方发生的多起钢管混凝土构件低温破坏事故表明,深入研究冻融环境下钢管混凝土结构的力学性能对于保证寒冷地区钢管混凝土结构的安全至关重要。钢管混凝土的界面粘结滑移性能是钢管和混凝土间共同受力与协调变形的基础。目前,国内外对钢管混凝土界面粘结性能的研究主要集中于常温、高温环境下,对冻融环境下钢管混凝土界面粘结滑移性能的研究鲜有报道。已有研究表明,冻融循环作用后,混凝土的材料性能会发生一定程度退化,导致钢管混凝土构件界面粘结性能出现损伤,从而对构件的承载力产生较大的影响。基于以上背景,本文对冻融循环作用后钢管混凝土界面粘结滑移性能进行了试验研究、理论分析与数值模拟。主要工作和成果如下:(1)对21根圆钢管混凝土试件进行了冻融循环试验与反复推出试验。基于试验数据绘制了各试件荷载-滑移曲线及钢管外表面不同位置纵向应变分布曲线,展现了冻融循环后试件的宏观受力情况,以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度等级以及反复推出次数为主要参数,探究了各因素对荷载-滑移曲线趋势及粘结破坏荷载的影响。试验表明:冻融循环作用后的试件与未冻融试件的破坏形态与荷载-滑移曲线趋势均相似,P-S曲线均可划分为上升段、下降段和残余段;钢管外表面不同位置处纵向应变曲线大致呈指数分布;试件界面粘结性能随冻融循环次数增加而降低;提高钢管壁厚及混凝土强度等级可改善界面粘结性能,有效提高试件承载能力;反复推出加剧了试件界面粘结性能的损伤。(2)绘制了各因素与界面粘结强度与滑移关系曲线,总结分析了各因素对界面粘结强度、滑移的作用机理与影响规律。分析结果表明,冻融循环次数增加使界面粘结强度逐渐降低、粘结滑移逐渐增大;增加钢管壁厚、提高混凝土强度,界面粘结强度与粘结滑移均呈增大趋势。在此基础上,通过回归拟合的方式,分别获得了界面粘结强度、滑移与冻融循环次数、套箍系数的计算公式,进一步提出了粘结强度、滑移受冻融循环次数和套箍作用耦合效应影响的计算方法,该方法可以对试验结果进行较好的预测;通过分析试件第一次推出界面平均粘结应力与加载端滑移关系曲线,建立了冻融循环作用后圆钢管混凝土粘结滑移本构关系模型。(3)利用ABAQUS有限元软件建立了考虑冻融循环影响的圆钢管混凝土推出试件数值分析模型,采用内聚力模型及库伦摩擦模型相结合的方式模拟钢管与核心混凝土间的粘结作用。将模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值分析模型的适用性。以该模型为基础,对冻融循环次数、钢管壁厚、核心混凝土强度、钢管屈服强度进行了参数分析,采用冻融折减系数描绘各参数对界面粘结性能的影响程度的差异,结果表明:影响界面粘结性能的主要因素为冻融循环次数,钢管壁厚次之,混凝土强度与钢管屈服强度的影响较小。

关键词： 季冻区   冻融循环作用   碳纤维石灰改良粘性土   静力特性   微观分析  

摘要： 粘性土在我国东北地区广泛分布,东北地区属于典型的季节性冻土区,由于该地区缺乏粗粒土,常被选作公路或高速铁路的填充材料。粘性土对冻结温度和水分变化很敏感,当温度降至0℃以下时,孔隙水部分变成冰晶,体积膨胀而引起冻胀。当温度升高到0℃以上时,土体中的冰晶融化,土体出现解冻沉降和弱化。这种重复的冻融循环可以改变宏观结构并改变力学行为。故本文选取我国东北地区的粘性土进行改良试验,这对季冻区粘性土路基具有实际的工程意义。具体工作如下:(1)通过查阅文献,石灰改良粘性土的最佳掺量在4～5%左右,故选取石灰梯度为0%,1.5%,3%,4.5%,6%;第1次冻融对土力学影响很大,并于6～8次冻融后趋于稳定,故选取冻融循环次数为0,1,2,6,8,12进行试验。(2)通过击实试验得到5种不同石灰掺量下的最佳含水率(w)和最大干密度,通过静三轴试验研究经历不同冻融循环次数下,不同石灰掺量在w及w±2%下的试件粘聚力和内摩擦角的变化规律,并计算出抗剪强度,石灰改良土的力学性能随石灰掺量增加而增大,石灰掺量大于4.5%时继续掺入石灰力学指标下降,冻融循环作用对石灰改良土力学性能影响明显;含水率增大抗剪强度显著下降,但粘聚力和内摩擦角变化规律不统一。(3)在所得最佳石灰掺量的基础上掺入碳纤维进一步对粘性土改良,在石灰掺量为4.5%的基础上分别掺入0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的碳纤维,在w及w±2%下同样通过静三轴试验获得改良土压实试件的抗剪强度指标,得出最佳碳纤维掺量为0.4%;再制备最佳石灰、碳纤维掺量下的粘性土压实试件,研究讨论其在w及w±2%下经历不同冻融循环次数的抗剪强度指标及变化规律,并与经历相同冻融循环次数下的最佳石灰掺量且未掺碳纤维的试件进行对比分析,碳纤维的掺入改善了石灰改良土冻融后的力学性能,混合的碳纤维会使土从脆性变成塑性,其影响机理主要表现在单根纤维的一维增强效应和纤维网络的三维增强效应两个方面。(4)采用电镜扫描试验,分别对经历不同冻融循环次数的素土、石灰改良粘性土及碳纤维石灰改良粘性土的颗粒、孔隙变化进行了定性和定量分析,通过对微观参数的分析来讨论宏观力学行为的规律,选用灰色关联分析法,找出对冻融作用下宏观力学行为有实质影响的微观参数,进一步揭示宏观力学行为的微观机理。

关键词： 冻融循环   含水率   损伤劣化   抗压强度   能量分析  

摘要： 我国寒区分布广泛并且拥有着极其丰富的资源,而岩石作为大部分工程建设的载体,受到冻融循环作用后会引起内部结构产生损伤,导致承载能力下降。并且在自然界中,大多数岩石的含水状态都不相同,在水冰相变的过程中体积会增大约9%,导致内部裂隙和孔隙进一步发育,对相关工程建设造成一定的安全隐患。因此为保证寒区工程建设的稳定、安全,对不同含水状态下冻融后岩石力学性质的研究是非常有必要的。通过对饱水砂岩以及不同含水率的砂浆进行吸水率、纵波波速、冻融系数和破碎形态等物理性质的分析,进行了静态的单轴抗压试验和动态的SHPB试验,分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的静动态力学特性,并结合SEM试验和XRD试验从宏观和微观两方面分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的损伤劣化机理。主要研究内容如下:(1)四组不同含水率砂浆试样与饱水砂岩试样经历过冻融循环之后波速都有所下降。对于干燥状态试样来说,在经历第一次冻融循环之后,波速的降低幅度比较大。各组试样波速随着冻融次数的增加呈现出不同程度的下降,但下降的趋势越来越平缓。(2)在单轴压缩试验中,试样的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而降低。饱水砂岩、干燥砂浆、含水率为1%的砂浆和含水率2%的砂浆强度曲线都有减缓的趋势,含水率为3%的砂浆在最后一阶段强度损伤较大,经历过30次冻融循环之后,强度降低最明显。(3)在单轴冲击试验中,试样经过冻融循环作用后,动态应力-应变曲线呈现3个阶段,分别为弹性阶段、非线性变形阶段和破坏阶段。在冲击气压相同的条件下,冻融次数越多,试样的抗压强度越小。在相同含水率的条件下,试样的峰值应力和冲击的气压呈正相关变化。对于试样的峰值应变来说,随着冲击气压的增大,试样的峰值应变也在变大。相同含水率状态下冻融循环次数较多,试样破碎后的的小尺寸粒径所占的比例就越多。(4)相同的冻融循环次数作用下,试样破碎时所吸收的能量与冲击气压呈正相关,冲击气压越大,试样所吸收的能量就越多。在冻融循环次数较少的情况下,砂浆的内部孔隙较少,力学性能也较好,所以在冲击荷载作用时,较多的能量被吸收用来扩展砂浆内部的裂缝直至试件破碎。在冻融次数不断增长的情况下,砂浆内部的裂纹越来越多,破碎时吸收的能量就较低。(5)从SEM图像可以看出干燥状态下砂浆内部结构排列紧密,裂纹和孔隙的数量相对较少。随着砂浆含水率的增加,内部结构变得越来越松散。经历15次冻融循环之后,可以明显的看出试样的表面已经出现了裂纹。经历30次冻融循环之后,砂浆表面的裂缝已经形成贯通,颗粒间的粘结力较小,颗粒脱落,最终导致承载能力的减小。(6)冻融循环过程中,高岭石、凌铁矿和伊利石的占比降低,石英的含量占比增加。高岭石和伊利石吸水后会产生不均匀的膨胀,从而产生微小的孔隙。水进入微裂隙与亲水矿物结合,形成水化粘土,水化粘土具有膨胀性、流变性、分散或絮凝性等特点,因此冻融作用加速了黏土矿物的崩解,岩石孔隙率也进一步增大。图49表5参考文献82

关键词： 改良PE-ECC材料   力学性能   冻融循环   微观结构   寿命预测  

摘要： 在我国严寒地区,混凝土结构受到冻融循环作用而产生的冻融损伤导致结构丧失工作能力重要因素之一,如何对产生病害的混凝土结构进行加固补强是一个重要的热点研究问题。纤维复合材料(Fiber Reinforced Plastics,简称FRP)相对于传统的加固方式具有质量轻、强度高、耐腐蚀、施工周期短等优越性能,能有效的改善混凝土各种性能损失的问题,但作为FRP粘结基体材料的环氧树脂系胶结剂受到低温等复杂环境影响易发生脆性破坏,使得FRP基体材料无法发挥极限承载力,为了改善这一情况,拟采用聚乙烯纤维增强复合基体材料(Polyethylene Fiber-Engineered Cementitious Composite简称PE-ECC)代替环氧树脂系胶结剂,使混凝土结构破坏时具有良好的断裂延展性、裂缝控制能力。目前对于PE-ECC-FRP网格布、PE-ECC-FRP-混凝土之间的冻融损伤研究尚不充分,因此,为了揭示冻融循环作用下PE-ECC-FRP之间的力学性能变化及微观结构演化规律,本文对PE-ECC、PE-ECC-BFRP网格布、PE-ECC-CFRP网格布等三种加固试件开展快速冻融试验研究,研究不同冻融循环次数下的单轴拉伸、三点抗弯、质量损失率、相对动弹性模量损失、SEM电镜、MIP孔隙率试验以及基于不同粗糙度下PE-ECC-FRP-混凝土试件的力学性能试验研究,并基于损伤变量提出了冻融循环作用下PE-ECC两参数Weibull冻融损伤寿命预测模型,可为寒区环境下的混凝土结构加固补强提供试验依据和理论参考。本文的主要研究内容及结论如下:(1)研究了冻融循环条件下PE-ECC试件的质量损失率以及相对动弹性模量损失。结果表明,由于水泥基体的收缩反应以及冻融损伤的累积,水分不断被吸收,质量损失率在50次冻融循环时出现负增长的情况。经过150次冻融循环之后,PE-ECC试件150次从同循环质量损失率为1.57%、相对动弹性模量损失率为14.6%。表明经过改良的PE-ECC材料具有良好的抗冻性。(2)通过SEM扫描电镜及孔隙率试验对不同冻融循环次数ECC基体材料试件进行微观结构演化规律分析。结果表明,试件在经历冻融作用后PE纤维与水泥基体材料粘结性良好;PE-ECC内部孔隙率随冻融循环次数的增加出现不断上升现象,150次冻融循环后PE-ECC试件相较0次冻融循环时孔隙率上升了15.7%,表明PE-ECC材料具有良好的抗冻性。(3)研究了不同冻融循环次数下PE-ECC、PE-ECC-BFRP网格布、PE-ECCCFRP网格布三种加固混凝土试件抗拉、抗弯强度变化规律以及时间破坏状态。结果表明,150次冻融循环后PE-ECC-BFRP、PE-ECC-CFRP网格布加固试件相比PE-ECC加固试件极限承载力分别增加了33.7%、49%,试件破坏极限应变分别增加了14.4%、6.2%。三点抗弯试验下极限承载力分别增加了18.2%、22%,试件破坏极限应变分别增加了39.8%、43.4%。三种加固试件试验过程中均出现了典型应变硬化、多缝开裂现象。(4)针对平滑面、高粗糙度两种工况,开展了不同冻融循环次数下PE-ECC、PE-ECC-BFRP网格布、PE-ECC-CFRP网格布三种加固混凝土试件单轴拉伸试验和三点抗弯试验,获得了不同工况下应力-应变曲线和荷载-挠度曲线。结果表明,150次冻融循环作用之后,高粗糙度下三点抗弯试验的PE-ECC、PEECC-BFRP网格布、PE-ECC-CFRP网格布的试件相比平滑界面试件极限承载力分别增加了9.5%、7.6%、23%,高粗糙度下限制裂缝发育效果更显著。高粗糙度下PE-ECC-混凝土试件相比平滑界面的试件极限承载力增加了40.4%。(5)基于测得的相对动弹性模量损失率,定义ECC试件的损伤变量以及PEECC试件冻融损伤下工作能力(存活率P),建立了冻融循环作用下两参数Weibull冻融损伤寿命预测模型,且拟合曲线相关系数超过0.95,能很好的契合PEPE-ECC水泥基体复合材料冻融损伤的演化规律,为寒区环境下混凝土结构加固工程提供理论指导。

关键词： 废弃轮胎橡胶   橡胶混凝土   冻融循环   性能   SEM微观  

摘要： 我国西北地区存在着较大的昼夜温差,冻融循环易对混凝土材料性能产生不利影响,而废弃轮胎的成分复杂、自然条件下分解时间漫长,不当的处理方式对环境有着较大污染,造成“黑色污染”。本文设计将废弃轮胎加工成橡胶颗粒(10目、20目、30目),以20%掺量加入混凝土中制备橡胶混凝土,对冻融循环0、25、50、75、100和125次时橡胶混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和动态压缩性能进行了测试,观察了质量损失率和相对动弹性模量的性能参数变化,并与普通混凝土进行对比。最后基于SEM电镜扫描技术从微观角度揭示了橡胶改善冻融循环环境下混凝土性能的作用机理,研究结果包括以下几个方面:(1)基于对冻融循环后普通混凝土和橡胶混凝土质量损失率和相对动弹性模量性能参数变化发现:橡胶颗粒能够提高混凝土抗冻性能,在一定程度上延缓质量和相对动弹性模量的损失,30目橡胶对混凝土抗冻性能影响最佳。(2)随着冻融循环次数不断增加,普通混凝土和橡胶混凝土强度均逐渐降低,但橡胶有效减缓了混凝土强度降低率,且30目橡胶对减缓混凝土强度降低最为有效。(3)利用SHPB试验装置对不同循环周期时普通混凝土和橡胶混凝土在0.3、0.45、0.6MPa气压进行了冲击。结果表明:橡胶能提升混凝土的动态压缩性能,同种橡胶混凝土随着冻融循环进行动态抗压强度逐渐降低,且随着冲击气压的增大,应变率逐渐变大,呈现出一定的应变率效应。(4)根据试件宏观破坏形态并基于SEM微观测试综合分析可知,由于橡胶填充了混凝土内部的密实度且增强了混凝土的和易性,减轻了混凝土内部冻融破坏,增加了混凝土韧性,试件破坏后整体性优于普通混凝土。综上所述,橡胶的加入有效改善了混凝土的性能,本文的研究可为废弃橡胶轮胎的再利用和西北地区橡胶混凝土的实际工程运用提供较大参考。

关键词： 岩石力学   冻融循环   动态劈裂抗拉强度   能量演化   孔隙度   砂岩  

摘要： 为研究冻融循环对砂岩动态抗拉性能的影响,利用Ф50 mm分离式霍普金森压杆(SHPB),以3种平均加载率(344.72,371.991和431.761 GPa/s),对经历6种不同冻融循环次数(0,20,40,60,80和100次)的砂岩进行动态劈裂抗拉测试,并利用核磁共振系统测试冻融循环后砂岩内部孔隙变化,分析冻融循环及加载率对砂岩的破坏特征、动态劈裂抗拉强度及能量演化规律的影响。研究结果表明:(1)冻融砂岩劣化模型满足指数函数关系,随着冻融循环次数的增加,孔隙度变大,动态劈裂抗拉强度减小,破碎程度增加。冻融循环80次后劣化速率最快。(2)加载率的提高将弱化冻融循环对砂岩的劣化作用使砂岩半衰期延后。(3)最大吸收能因加载率的提高而增大的速率随损伤状态的提高而降低。最大吸收能随冻融循环次数的增加呈指数下降,且与动态劈裂抗拉强度呈现良好的正相关。研究结果可为寒区工程中岩石的破坏机制研究提供理论基础。

关键词： 加气混凝土   冻融循环   孔结构   抗冻性能  

摘要： 为证明混凝土的毛细吸水系数可以作为其抗冻性能的表现形式,本工作通过蒸压加气混凝土和普通混凝土的冻融循环试验,共三组试件:B07、B08、C40普通混凝土,分别对其进行吸水率和毛细吸水系数的测定以及5次、15次、30次冻融循环试验,研究孔结构对混凝土抗冻性能的影响,通过数据分析和微观分析得出的结果:孔的数量越多,毛细吸水系数越大,在相同冻融循环情况下质量损失率、强度损失率越大,抗冻性能越差,证明了这一说法的可行性,为混凝土的应用提供了可靠的性能研究理论。

关键词： 土木工程   碳纤维复合材料   冻融循环试验   压力试验   微观分析   损伤模型  

摘要： 为了研究碳纤维复合材料(CFRP)对冻融损伤混凝土柱的修复效果,按照混凝土耐久性及碳纤维加固规范要求,对混凝土试件进行冻融0、50、100、150、200次后,采用不同修复间距、不同纤维量CFRP,对其进行修复,再进行轴压试验,以压缩荷载、竖向整体位移、膨压比等为参数研究试件微观结构下CFRP修复冻融损伤受压性能,提出了CFRP修复冻融损伤混凝土受压模型。试验结果表明:冻融循环对混凝土抗压性能影响很大,CFRP修复技术能够有效提高冻融损伤混凝土抗压承载力,最大可提高630.6%,同时,CFRP修复试件承载力的提高与修复间距无关,而与CFRP的纤维量有关。修复试件的竖向整体位移随着冻融次数的增加而增大,随着CFRP修复间距的增大而减小。膨压比随着冻融循环先减小后增大再减小,膨压比峰值从"凸"型逐渐变为"凹"的塌陷底峰值,且峰值距离逐渐减小。通过纤维修复混凝土冻融损伤微观分析,建立了混凝土粘塑性损伤模型,研究了混凝土破坏过程及荷载-应变关系,验证了模型合理性。