关键词： 碳纤维增强复合材料   再生混凝土   分形理论   冻融循环  

摘要： 为响应国家“无废城市”政策[1],推进绿色发展、建设美丽中国，再生混凝土正广泛的用于工程结构，其承载性能、耐久性能特别是抗冻性能已成为目前科研热点。以碳纤维增强复合材料（CFRP）为代表的新型复合材料由于具有强度高、质量轻、耐久性好等优点，现已成为结构加固工程中理想的补强材料之一。虽然CFRP加固技术具有诸多优点，但在是实际工程中，CFRP加固再生混凝土结构在冻融循环条件下的耐久性研究还相对较少，由于再生混凝土吸水率、孔隙率通常相对较大,在冻融循环条件下会削弱CFRP与再生混凝土间的界面性能，进而缩短整个加固结构的服役寿命，所以对冻融循环地区内CFRP加固再生混凝土结构而言，长期耐久性能研究具有重要的现实意义。　　本文以冻融循环次数和CFRP加固层数为研究变量，对冻融循环作用下CFRP加固再生混凝土梁正截面抗弯性能进行研究，为了实现这一目标，本文开展了如下工作:　　（1）通过实测再生混凝土在冻融循环过程中的质量损失、相对动弹性模量损失、立方体抗压强度损失，分析了再生混凝土的冻融劣化规律。　　（2）通过对不同冻融循环次数后的再生混凝土各类标准试件进行抗压、抗拉试验，分析了冻融循环作用对再生混凝土的立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度、弹性模量的影响;通过实测再生混凝土单轴受压应力-应变全曲线，建立了冻融循环作用后再生混凝土单轴受压本构方程。　　（3）通过对不同冻融循环次数后的CFRP加固简支梁进行正截面抗弯性能试验，分析了试验梁的受力过程与破坏模式，建立了考虑冻融循环次数和CFRP加固层数的试验梁特征荷载影响系数方程。　　（4）基于《规范》法建立了冻融循环作用下再CFRP加固再生混凝土梁极限弯矩的计算公式，为冻区再生混凝土结构设计及加固提供参考。

关键词： 冻融循环   动态压缩   动态拉伸   能量耗散   分形维数   SHPB  

摘要： 在寒区,由于季节更替及昼夜温差较大,岩体受到水分以及冻融循环的双重影响。而寒区地下工程除了受到机械扰动外,还受到采用钻眼爆破产生的冲击。对此,研究岩石的静态力学特性对于寒区工程的研究已经不具有实际意义,而研究振动冲击对寒区岩石破坏形态以及波在传播过程中的能量变化对寒区工程具有重大的意义。同样,由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度,在冲击扰动的情况下极易发生脆性拉伸破坏,所以探究岩样在饱水条件以及冻融环境下的动态拉伸力学性能以及破碎机理和能量的变化对于寒区岩体工程的建设以及围护也同样重要。本文以安徽淮南八公山石灰岩为研究对象。测试了石灰岩在常温和经历冻融循环后试件的质量、体积、密度、纵波波速等基本物理指标,并对比分析了常温与经历不同冻融循环作用后石灰岩基本物理指标的变化规律。运用SHPB试验装置对不同冻融循环次数后的石灰岩试件进行了动态压缩以及动态拉伸动力特性试验研究。主要研究内容如下:1.研究不同冻融循环次数（0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100次）后试件的质量、密度、体积、开型孔隙率及纵波波速的变化规律,发现岩样的平均饱和质量增加率、密度呈持续增加的变化规律,平均体积变化率、纵波波速持持续减小的变化规律,开型孔隙率呈先增大后减小的变化规律。2.利用RMT-150B岩石力学测试系统对常温石灰岩试件进行静态单轴压缩试验,得到了静态应力-应变曲线图,并详细分析了应力-应变曲线的变化特征,与动态加载情况下全应力-应变曲线进行对比分析,发现动态加载情况下应变范围较小,未经历压密阶段就直接进入弹性阶段,塑性屈服阶段明显,岩样的破坏模式从脆性转变为弹性。3.利用SHPB试验装置开展了 8种加载速率的冲击压缩试验。分析了冻融循环作用次数对石灰岩物理性质的损伤演化特征,探讨分析了冻融循环作用后石灰岩试件的动态压缩力学特性和能量耗散规律,发现随着应变率的增大,动态弹模呈二次函数式增加,且岩样动态峰值强度随冲击速度增加呈三次函数式增加。发现岩样平均应变率与动态抗压强度均随着吸收能量的增大而增大。4.利用SHPB试验装置开展不同循环梯度相同冲击速度下的动态拉伸试验,探讨了饱水石灰岩试件的动态拉伸力学特性和能量耗散规律,分析加载率对冻融饱和石灰岩动态抗拉强度、破坏模式和耗散能密度的影响,发现饱和石灰岩动态峰值强度与加载率均随着冻融循环次数的增加而减小,而动态拉伸强度与加载率呈正相关。且随着加载率的上升,耗散能密度呈增长趋势,而动态拉伸强度也耗散能密度的增加而增加。5.利用高速摄影机观察分析了常温（25℃）和经历不同冻融循环次数作用后SHPB试验中石灰岩从变形到破坏的全过程,分析了其变形破坏特征,发现其破坏模式随着加载率的变化可大致分为两种,一种是岩样自中心位置沿着直径加载方向贯通出一条主裂隙,另一种是岩样的中心区域在剪切与拉伸裂纹的作用下形成了平行四边形。6.对冻融循环作用后石灰岩SHPB试验碎块进行筛分试验,得到了不同冲击气压下石灰岩试件的破碎块度平均粒径、分形维数,定量分析了石灰岩冲击破的特征,发现随着冲击气压的增大,岩样的破碎块度平均粒径呈持续下降趋势,而分型维数持续增大的变化规律。图[53]表[18]参[88]

关键词： 钢筋混凝土结构   疲劳荷载   冻融循环   损伤演化机理  

摘要： 寒冷地区的大坝、桥梁等钢筋混凝土结构物，一方面承受着复杂的荷载作用，另一方面还经受着温度变化导致的冻融循环作用，为了更好地研究荷载作用与冻融循环联合作用下钢筋混凝土结构的损伤特性，本文以100个尺寸为100mm×100mm×300mm的箍筋约束混凝土试件为研究对象，通过对单因素疲劳、单因素冻融、先冻融后疲劳和先疲劳后冻融四种不同情况下约束混凝土试件的单轴抗压破坏试验，研究了疲劳荷载或冻融循环单因素、疲劳加载与冻融循环联合作用对约束混凝土试件力学性能的影响，探究了经受疲劳荷载和冻融循环联合作用后约束混凝土试件的损伤演化机理，建立了单因素作用下的损伤演化方程和联合作用下约束混凝土的损伤本构模型。主要研究成果如下：　　（1）通过经历疲劳荷载作用或冻融循环作用后约束混凝土试件的单轴抗压破坏试验，研究了疲劳加载次数与冻融循环次数对约束混凝土各项力学性能指标的影响，建立了以相对动弹性模量为评价标准的疲劳强度损伤方程和冻融损伤后的质量变化方程。结果表明，疲劳强度损伤方程能较准确的预测约束混凝土试件的相对剩余强度，质量变化方程能较好的反映约束混凝土的质量变化情况。　　（2）通过先冻融后疲劳约束混凝土试件的单轴抗压破坏试验，探讨了冻融循环次数以及疲劳加载次数对应力-应变关系的影响，并利用疲劳强度损伤模型对经历不同冻融次数的后疲劳试件的抗压强度进行了预测。结果表明，当约束混凝土试件的疲劳加载次数与冻融循环次数增加时，其轴心抗压强度与静弹性模量均不断降低，峰值应变则在冻融0次~100次期间增大较快，冻融100次~200次期间变缓，冻融200次~300次期间再次加快。通过先疲劳后冻融约束混凝土试件的单轴抗压破坏试验，分析了疲劳加载与冻融循环作用对约束混凝土试件抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响，建立了约束混凝土的损伤本构模型。结果表明，当约束混凝土试件的疲劳加载次数与冻融循环次数增加时，其轴心抗压强度与静弹性模量不断降低，峰值应变不断增大，利用损伤本构模型对应力-应变全曲线试验数据进行拟合，有较好的拟合效果。　　（3）通过素混凝土与约束混凝土试件的无量纲化应力-应变全曲线对比，探讨了疲劳荷载与冻融循环不同作用次序下混凝土的箍筋约束效应，对比分析了素混凝土与约束混凝土的冻融与疲劳损伤机理，结果表明，约束混凝土试件无量纲化应力-应变全曲线的上升段较为饱满，而素混凝土试件的上升段则近似于斜直线，与素混凝土试件的下降段曲线相比，约束混凝土试件的下降段曲线斜率较小且较为平直。未经受冻融循环作用与疲劳荷载作用的试件箍筋约束效果最强，冻融循环作用与疲劳荷载作用对箍筋的约束效果有明显的削弱作用。　　（4）运用数学模型结合约束混凝土试件的试验数据，对不同地区经受疲劳荷载作用后冻融的混凝土使用寿命进行预测，结果表明，经受疲劳加载的次数与使用寿命呈负相关，历经的疲劳加载次数越多，使用寿命越短，当疲劳加载次数为2×104次时，使用寿命减小了12%～13%，当疲劳加载次数为4×104次时，使用寿命减小了20%～23%，当疲劳加载次数为6×104次时，使用寿命减小了29%～30%。

关键词： 路面材料   盐渍土   改良处治   冻融循环试验  

摘要： 盐渍土为各种类型盐碱化土壤的统一称呼。在铺筑道路过程中,集料中含盐量超标会加速公路发生盐胀、溶陷、侵蚀、冻胀、翻浆等盐害情况。而新疆地区盐渍化集料分布广、含盐量复杂,使用盐渍化材料是公路修筑无法避开的问题。另外,公路建设快速发展,建设所需集料短缺,对盐渍化材料进行改良处治的研究,可以将含盐材料重新用于道路建设,符合道路建设绿色可持续的理念。本论文以含硫酸盐集料为研究对象,用单掺氯化钡、单掺泥岩、复掺氯化钡和泥岩的方法,分别对含盐细集料、含盐无机结合料、以及工程应用三个层次来进行改良处治的研究。首先对硫酸盐细集料进行材料性能分析,掺加不同剂量的氯化钡、泥岩对细集料进行改良,通过改良前后含盐量分析、加州承载比试验、盐胀试验。得到经氯化钡和泥岩改良后,均会降低集料中的硫酸根离子含量;当氯化钡掺量增加时CBR值呈现增加的趋势,盐胀量呈现减少的趋势;当泥岩掺量为5%时会轻微提高材料的CBR值,降低含盐量和盐胀量。对含盐无机结合料进行配合比设计,按改良方法和改良剂含量不同分为9组试件,分别进行不同龄期的无侧限抗压强度试验,冻融5次、10次、15次的冻融循环试验。经过试验得出含盐试件的抗压强度会随氯化钡掺量的增加而增加,随泥岩含量的增加而减小,强度均符合规范要求;氯化钡的掺入会提高试件的抗冻性能,泥岩掺量在5%时,冻融循环后试件的质量损失率最小,强度降低也不剧烈;复掺1%的氯化钡和5%的泥岩对无机结合料的改良效果最佳。将氯化钡改良的方法应用于工程实例,检测其基层的压实度与弯沉值,检测结果均满足规范并优于未改良路段。综合对比改良前后的试验结果,表明经氯化钡和泥岩改良后,路面材料的大部分路用性能都有提高,具有一定的应用前景。

关键词： 马兰黄土   冻融循环   温度   强度   微观结构  

摘要： 黄土由于其特殊的结构性和水敏性,当其处于天然含水率以及未经冻融循环作用影响时,能长期保持较高的强度,而随着含水率增加或者经历冻融循环作用后,其强度将大幅降低。季节性冻土区的上部土在大气温度周期性波动和水分变化的影响下,进行周期性的冻结和融化,在这个过程中,土体内部的物理力学性质不断地发生着变化,这些变化直接影响着黄土边坡的稳定性。而目前对于冻融作用对黄土性质的试验研究,只关注极端冻融温度和含水率影响的试验研究相对比较简单,因为在实际一个冻融循环周期中,温度是处在一个动态变化的周期范围内。故本文研究了在实际温度路径冻融循环方式下,黄土强度随温度的变化规律以及反复冻融循环作用下黄土的抗剪强度参数变化规律和微观结构特性,为该类型黄土滑坡的防灾减灾提供借鉴作用。本文以吕梁地区原状马兰黄土为研究对象,通过收集资料和室内试验的方式,研究了当温度周期性变化的冻融循环方式下,不同冻融循环次数对黄土的物理力学性质的影响,具体工作如下:(1)收集了吕梁地区1960～2019近50年来的地表气温资料,并以五年为一个时间阶段点,得到了12个年最低最高温控制点。根据温度周期变化的特点,进行0、1、3、7、12次冻融循环。原状土在经过不同冻融次数后,其表面劣化严重,观察到土体表面的碎屑越来越严重,冻融作用叠加到一定程度后,土体表面出现了微裂纹和裂缝。(2)研究了温度的变化对土体强度的影响,将一轮循环分为不同阶段,分析不同含水率土样在每个阶段土体强度的变化。结果表明:土体的强度与设置的温度呈现明显的负相关关系。当温度由18℃升至最高温时,土体的强度下降,高温对土体强度影响较小,温度由最高温降至最低温时,强度持续升高,当土体中的水全部结为冰时土体的强度此时最大,当温度由最低温回升至18℃时,强度随之降低。试验结果表明当温度在0℃以上时,温度对土体强度影响较小,在0℃以下时,影响较大。(3)根据直剪试验结果,当不同含水率土样经过不同冻融次数的循环后,各含水率土样就均表现为首次冻融强度下降最大,随着冻融次数的进行降低幅度越来越弱。土体的黏聚力随着冻融作用的叠加呈指数型下降,冻融7次时基本稳定,高含水率黄土本身黏聚力相对较低,整个冻融过程减小程度远不如低含水率土样变化大。土体的内摩擦角随着冻融循环次数的增加整体变化幅度不大。(4)根据扫描电镜试验结果,冻融循环作用使得土体结构变得疏松,颗粒破碎化严重,土体内部孔隙发育,颗粒发生偏转,颗粒间接触方式由面面接触转为点点接触和点面接触为主要方式,粒间的排列方式由架空成孔和架空-镶嵌成孔为主转变为架空成孔为主要方式,对孔隙特征进行定量化分析表明,土体内中等孔隙数量增加,土体内微孔隙数量减少,冻融作用使得孔隙越来越不规则,即圆形度升高。土体孔隙平均分形维数规律不明显。

关键词： 冻融循环   砂岩   巴西劈裂   声发射   损伤演化方程   数值模拟  

摘要： 冻融岩石抗拉强度是寒区岩土工程结构稳定性评价的关键力学指标。本文以砂岩为研究对象,开展冻融循环作用下砂岩抗拉性能劣化机理研究,对于寒区岩土工程稳定性评判具有理论意义和实践意义。完成了两种粒径砂岩不同冻融循环次数巴西劈裂声发射实时试验。随着冻融循环次数的增加,两种粒径砂岩抗拉强度均减小;细粒砂岩破坏模式为中央劈裂,粗粒砂岩为非中央劈裂;冻融循环作用下砂岩巴西劈裂损伤具有连续演进的特征,关键时刻损伤发育速度有突变。冻融循环为5次时损伤速度增大,声发射能量与事件频率出现突增。随冻融循环次数增加,砂岩破坏呈现由脆性破坏向延性破坏转变的趋势。高能声发射事件多发于损伤快速扩展期,可作为损伤传导和加剧的重要参照。振铃计数和累计能量同步大幅度激增至更高数量级是冻融砂岩破坏失稳时间域的前兆信息。随冻融循环次数增加,b值先降低后增大,可反映出砂岩破坏模式,由内部大裂隙破坏转变为持续小裂隙破坏。完成了两种粒径砂岩在不同冻融循环次数下的细观损伤观测试验,实现了冻融岩石CT图像的伪彩色增强技术,伪彩色增强技术提高了 CT图像的视觉分辨率。伪彩色增强图像中的细观结构和损伤信息,表明冻融循环作用下砂岩损伤扩展始于初始损伤。在裂缝形成和扩展阶段之后,冻融损伤逐渐增大,岩石的有效承载面积不断减小。完成了两种粒径砂岩在不同冻融循环次数和不同加载速率下及三种粒径砂岩在0次冻融循环下的巴西劈裂破坏过程数值模拟。随着冻融循环次数的增加,抗拉强度呈现下降趋势;随着粒径的增加,抗拉强度呈现下降趋势;随着加载速率的增加,抗拉强度呈现增大趋势。细粒砂岩经历20次冻融循环后,加载速率效应不再明显,随加载速率增加抗拉强度变化很小。声发射事件初始位置与岩石裂纹扩展的初始位置相同,岩石声发射事件开始出现时,并没有明显的裂隙产生,裂纹扩展方向与声发射扩展方向相同,并且基本在同一路径上。

关键词： 裂隙岩体   冻融循环   孔隙率   弹性模量   抗压强度  

摘要： 对绿砂岩、花岗岩和红砂岩3种不同岩性岩石进行了冻融试验,并对冻融前后的试样进行单轴抗压强度试验,对比分析了试样外观和抗压强度变化情况,结果表明:冻融循环后,不同岩性、不同孔隙率的试样破坏情况不同,花岗岩试样的完整性最好,绿砂岩次之,红砂岩最差;冻融循环后,隙宽扩展情况与隙长成反相关;岩石的孔隙率和弹性模量很大程度上影响了冻融后岩石抗压强度的降幅,试验测得绿砂岩试样抗压强度降幅为76.24%,花岗岩试样抗压强度降幅为17.53%;残余应变使裂隙不断发育,裂隙端部应变峰值与温度变化峰值存在滞后效应。

关键词： 压实黄土   变形特性   干湿-冻融耦合循环   土-水特征曲线   微观结构  

摘要： 中国是世界上黄土分布最广的国家之一,黄土在我国的西北和华北部分地区大面积存在,这些区域又属于季节性冻土区,区域内的路基、边坡等与黄土密切相关的岩土工程不可避免受到干湿-冻融循环的劣化作用,产生复杂变形,严重时会诱发诸如不均匀沉降、边坡失稳等工程病害,严重威胁相关工程的安全性和稳定性,亟需对干湿-冻融循环作用下压实黄土的变形特性开展全面研究。本文依托于山西省吉河高速公路项目,针对该黄土路基随时间产生周期性隆起沉降的工程问题,对现场压实路基黄土进行取样,开展了相关室内试验研究,获得主要成果如下:（1）开展了非饱和压实黄土土-水特征曲线的试验研究。结合轴平移技术、滤纸法和饱和盐溶液法,对压实黄土的土水特征曲线进行测定,得到不同干密度下全吸力范围内的土水特征曲线,揭示了净平均应力、温度和干密度等因素对压实黄土持水特性的影响规律。（2）基于全自动固结仪,对经历过不同干湿循环次数的压实黄土开展了常规压缩试验和湿陷性试验,研究了干湿循环次数、初始含水量、初始压实度对其压缩特性和湿陷特性的影响规律。（3）基于三联温控非饱和土三轴仪,开展不同干密度下控制吸力的压实黄土干湿循环试验、三维冻融循环试验及干湿-冻融耦合循环试验,得到黄土试样孔隙比和体应变随循环次数变化的演化规律,并分析了不同循环工况对压实黄土变形的影响机理。探究了黄土试样在耦合作用过程中,干湿循环次数和冻融循环次数分别对其体积变形带来的影响程度,建立了考虑不同循环次数的压实黄土多元线性回归模型。（4）利用压汞试验掌握了压实黄土内部孔隙的分布特征。采用电镜扫描法（SEM）,定性地描述初始压实度、干湿循环次数以及冻融循环次数对黄土试样微观结构的影响,并利用微观结构特征对宏观规律进行解释,实现宏观变形特性和微观结构特性的结合。

关键词： 重塑盐渍土   冻融循环   超疏水材料   无侧限抗压强度   抗剪强度   本构模型  

摘要： 乾安县位于我国东北季冻区,且广泛分布有盐渍土。全球气候变暖,人民生活发展等问题导致当地土壤盐渍化问题日益严重,该地区盐渍化面积以每年1.4%速度增长。土壤盐渍化会破坏生态系统稳态,限制农业生产,造成工程建筑损坏等。吉林省为了降低土地盐渍化的发展、调整生态系统稳态,大力兴修了引嫩入白、哈达山水利枢纽等一系列工程。因当地工程建筑物土体长期遭受雨水冲刷,河流侵蚀以及冻胀融沉等影响产生破坏,为了加强土体疏水性能及承载力,增强工程稳定性,本文利用新型泥土超疏水乳液(简称CN)对乾安盐渍土进行了处理,研究了不同处理条件下CN对盐渍土土力学强度的影响,主要内容如下:(1)根据野外勘察以及室内试验得出的乾安盐渍土基本物化性质,判定乾安土类别为粉质黏土、含水率为16.80%、最大干密度可达1.794g/cm、含盐量达到0.25%。(2)考虑实际工程施工条件及工程所处地理环境为季冻区,本文设置了含水率、压实度、含盐量和冻融循环四个变量,通过无侧限抗压强度试验和直剪试验分别探究了不同试验条件下的未处理的素土与CN处理后的CN土的土体力学性质变化规律。(3)试验结果表明:在高含盐量下,CN土抗压强度会低于素土抗压强度。除了高含盐量条件外,其他各条件下CN处理对于盐渍土体抗压强度和抗剪强度有着程度不同的提高作用。在16.80～18.80%含水率范围内,存在一个含水率临界点,当含水率到达临界点是会引起土体破坏形式由软化型脆性破坏向硬化型塑性破坏转变。压实度越高,CN对于盐渍土体抗压强度提高率越小。在各压实度条件下CN对盐渍土内聚力提高率稳定在30～60%之间,内摩擦角提高率稳定在0～2.5%之间。0.0～1.5%含盐量区间内素土与CN土内聚力和内摩擦角随含盐量逐渐降低,1.5～2.0%含盐量区间内随含盐量逐渐升高。在0.3%含盐量附近CN土内聚力提高率取最小值,内摩擦角提高率取最大值。(4)通过扫描电镜试验,分析CN对土体微观结构的改变,定性分析CN改变强度机理。利用IPP图像处理软件,对两种土的SEM图像进行定量分析,探究CN对土颗粒结构单元体及孔隙单元体的影响。(5)讨论冻融循环作用下含水率梯度、压实度梯度及含盐量梯度的素土与CN土土体力学性质变化的机理,分析各梯度下土体强度随冻融循环的变化规律。(6)基于等效应变原理,建立服从Weibull分布的、随冻融循环次数变化的损伤本构模型,对模型的构建及推导做了详细的解释,并通过力学试验结果验证模型的有效模拟性。

关键词： 复合保温一体板   冻融循环   抗拉强度   衰减曲线   影响因素  

摘要： 随着经济发展,保温节能要求越来越高,复合保温一体板作为一种新型的复合保温板逐渐被大家认知并使用。此种保温板具有保温防火于一体的优良特点,由于是新型的复合保温材料,它的耐冻融性能没有相关研究。因此本文针对复合保温板的耐冻融性能进行研究。通过对华北地区市面上现有的复合保温一体板原材料及生产工艺等进行调研分析、归类,确定了冻融循环试验方案,主要包括保温板冻融循环次数的确定、试件组数的确定、保温板的冻融循环时间的确定等;在实验室对冻融循环后的试块进行拉拔试验,通过数据分析得到LS-1、LS-2型及沟槽复合保温板耐冻循环后的拉伸粘结强度衰减曲线都分为三个阶段,并根据试验数据分析并讨论了保温板吸水量、生产工艺、保护层材料、冻融循环时间等对耐冻融循环性能的影响。经过试验数据分析可得LS-1保温板耐冻融性能最好。通过研究复合保温板的冻融性能,为保温一体板在实际工程中的耐冻性、安全性提供理论依据。