煤矸石粉混凝土冻融损伤模型与劣化机制

为促进寒区煤矸石在混凝土中的利用,通过快速冻融实验,研究了冻融循环作用下,不同取代率的机械-微波活化的煤矸石粉混凝土(Coal gangue powder concrete,CGPC)冻融损伤规律,依据波速损失对损伤层厚度进行修正,建立了基于修正后损伤层厚度的冻融损伤方程,并对冻融作用下CGPC的孔结构参数、微观形貌和水化产物进行了测试分析。结果表明:10%和20%掺量的活化煤矸石粉(Activated coal gangue powder,ACGP)能提高混凝土力学性能和抗冻性能,掺量达到30%后的抗冻性能提高效果显著减弱,力学性能有所降低;冻融300次20%和0%掺量组抗压强度分别下降了16.4%和26.5%,质量损失率分别为1.77%、4.03%,相对动弹性模量分别为68.940%、91.321%,损伤层厚度分别达到了11.9 mm和17.4 mm;基于波速差异修正后的损伤层厚度能更准确地表征CGPC损伤程度;ACGP的微粒填充作用以及二次水化作用提升了CGPC的强度和抗冻性能。

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土冻融损伤试验研究

为研究混杂纤维对高性能混凝土抗冻性能的改善效果,对普通素混凝土、钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土开展快速冻融循环试验,对冻融作用下试样的各项强度指标进行了检测,并对其质量损失率及相对动弹性模量的变化规律进行了分析。研究结果表明:掺加纤维有利于改善高性能混凝土的抗冻性能,钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗冻性能最好,经过200次冻融循环,其质量损失率,相对动弹性模量损失率和强度损失均最低;基于三次多项式建立的纤维混凝土冻融损伤模型比基于指数函数建立的纤维混凝土冻融损伤模型精确度更高,在描述纤维混凝土的冻融损伤程度上适用性较强。

冻融损伤过程中纤维加筋土的抗压性能与裂隙演化

冻融损伤土的微观结构,土中产生微裂隙,宏观上表现为土的力学性能下降。文章完成了石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的冻融试验、无侧限抗压强度试验、CT扫描试验,分析冻融损伤过程中石灰固化土和纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与裂隙演化特征,评价纤维对提高土的抗冻融性能的积极作用。结果表明:石灰固化土、纤维与石灰加筋固化土的抗压强度与破坏应变均随冻融次数的增加呈阶段性下降,即降幅较大阶段、降幅较小阶段和强度基本稳定阶段,纤维加筋显著提高了土的抗变形性能;土的压实度越大,纤维加筋提高土的力学性能就越明显;冻融过程中,裂隙主要分布在试样的表面、上部和下部,面裂隙率随扫描层数的增加呈先减小后增大的变化规律;纤维与石灰加筋固化土的体裂隙率、裂隙长度均值、裂隙宽度均值均小于石灰固化土,纤维加筋延缓了裂隙的形成、发展与连通。纤维与石灰加筋固化土的抗压性能与抗冻融性能显著优于石灰固化土,纤维加筋减弱了冻融土的微观结构损伤程度。

环境作用下混凝土冻融损伤特性研究

混凝土的冻融损伤表现为表面剥落、裂缝形成和强度下降,当水分在混凝土孔隙中结冰时,会产生显著的体积膨胀,以对孔隙壁施加压力。随着循环次数的增加,这种压力会逐渐破坏混凝土的微观结构,从而导致宏观层面的破坏。文章对混凝土的冻融损伤特性进行了深入探讨,通过分析和对比气冻气融和水冻水融两项试验得到了环境因素对混凝土冻融损伤性的具体作用,从而为混凝土材料的发展与应用提供了指导。

基于压电传感器的纤维陶粒混凝土冻融损伤检测

针对纤维陶粒混凝土低温下受到冻融损伤导致影响结构安全性问题,基于压电陶瓷传感器进行损伤检测。利用压电传感技术对冻融后的纤维陶粒混凝土试件进行检测,获得不同冻融次数下的应力波信号。当冻融次数增加,试件相对动弹模量和抗弯强度下降,压电陶瓷检测到的应力波信号幅值相应减小,基于应力波的衰减,采用小波包能量分析法将其转化为损伤指数,与冻融试验评价指标损伤程度和抗弯强度损失率进行拟合,吻合度较高。结果表明,纤维陶粒混凝土损伤指数与冻融损伤程度和抗弯强度损失率相关性较强,该纤维陶粒混凝土冻融损伤无损检测方法具有良好可行性。

基于离散元的岩石冻融损伤劣化机制研究

冻融损伤岩石的劣化机制研究对于认识冻融灾害机制、灾变预测与寒区隧道防护体系设计具有重要理论意义。基于体积膨胀理论,建立了冻融过程中不可逆体积增加与冻融次数的关系方程,推导了冻融循环过程中圆柱形试样热量径向传递规律。考虑饱和试样冻融损伤过程,建立了基于离散元的岩石冻融损伤模型。开展了不同冻融循环次数的砂岩物理力学性质测试,通过应力-应变曲线及单轴抗压强度验证了该模型的有效性。在此基础上,分析了冻融循环过程中岩石试样中裂纹生长规律及层进式分布特征,研究了冻融-应力耦合条件下岩石试样裂纹扩展过程。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,裂纹的发育经历了缓慢增长、快速增长及趋于稳定3个发展阶段。裂纹数沿径向方向由内而外层进式增加,80%左右的冻胀裂纹分布在距离试样轴心10~25 mm的圆环柱区域内。当冻融次数小于80次时,裂纹数随距圆心距离的增加呈指数函数关系;当冻融次数大于80次时,裂纹数与距圆心距离呈对数函数关系。冻融循环过程中,试样内的破坏以拉伸破坏为主,岩石的冻融损伤过程受初始孔隙结构控制。

不同介质环境下改性再生混凝土冻融损伤分析及寿命预测

为探究不同冻融环境下改性再生混凝土耐久性问题,该文选取5%水玻璃溶液和8%硅烷溶液分别对再生骨料浸泡进行单一改性和复合改性。对改性后的再生混凝土分别置于清水、3.5%NaCl溶液和5%Na2SO4溶液3种介质环境中进行快速冻融试验,通过再生混凝土质量损失和相对动弹性模量变化分析其劣化机理,并引入Weibull模型对再生混凝土进行损伤和寿命预测。结果表明:相同冻融环境下,再生骨料经过改性处理后的再生混凝土抗冻耐久性改善明显,且复合改性改善效果优于单一改性效果。同一试验组在不同冻融环境下的损伤程度依次为3.5%NaCl溶液>5%Na2SO4溶液>清水。引入Weibull模型能较好地反映不同环境下改性再生混凝土的冻融损伤和预测寿命,为改性再生混凝土应用于实际工程提供理论基础和参考依据。

玻璃纤维再生混凝土冻融损伤及寿命预测研究

采用GM(1,1)模型的4种形式建立了玻璃纤维再生混凝土抗冻性能预测模型,预测了玻璃纤维再生混凝土在各地区的抗冻使用寿命。引入相关系数对比和分析了各形式模型的精度和长期预测结果,并与Weibull预测模型进行了比较。结果表明,玻璃纤维再生混凝土的质量和相对动弹性模量的衰减速率随着冻融循环的进行而逐渐加快,掺入玻璃纤维可以有效减缓质量和相对动态弹性模量衰减速率,延缓再生混凝土失效。4种形式的GM(1,1)模型在玻璃纤维掺量为0~1.0%时预测精度均为Ⅰ级,掺量为1.5%时预测精度均为Ⅱ级。DGM模型精度最高,相关系数最大,建议采用DGM模型进行抗冻性能预测。从寿命预测方面考虑,DGM、Weibull模型的预测结果基本相似,但两种模型侧重点不同,DGM模型所需样本容量较小,Weibull模型寿命预测更精准。

基于易损性的冻融损伤圆形桥墩抗震能力评价

为研究寒冷气候条件下的冻融循环作用对桥墩抗震性能劣化的影响,文中基于地震易损性分析理论,引入抗震能力裕度比这一概念,提出了冻融损伤桥墩抗震能力评价方法,并据此研究了冻融损伤对圆形桥墩抗震能力的影响程度。结果表明抗震能力裕度比可直观反映冻融损伤对桥墩抗震能力的影响程度;随着冻融损伤程度增加,圆形桥墩的抗震能力裕度不断降低;冻融损伤对桥墩抗完全破坏能力的储备程度影响最为显著。研究可为实际中考虑冻融损伤桥墩设计提供理论依据。

裂隙岩体冻融损伤关键问题及研究状况

工程岩体冻融损伤问题是寒区常见的工程难题,其主要诱因是岩体中水分的冻胀融缩作用。目前国内外学者关于冻岩问题的主要研究内容可大体归纳为冻岩物理力学性质、相变过程、低温多场(THM)耦合、冻融损伤模型及数值分析等4个大方面。几十年来,国内外学者通过理论分析、数值模拟、现场及室内试验等多种途径对冻岩问题展开研究,取得了丰硕的成果,但目前对冻岩问题的研究远未成熟,很多研究尚停留在试验探索阶段。要真正意义上揭示冻岩损伤机制,应以水冰相变为切入点,立足细观尺度,充分考虑冻胀融缩作用与裂隙扩展的相互影响,进而拓展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响。

风积沙轻骨料混凝土冻融损伤及寿命预测研究

基于浮石轻骨料混凝土为基础,将不同质量的风积沙作为细骨料替代部分河砂,研究风积沙轻骨料混凝土冻融损伤机理及服役寿命.通过室内快速冻融循环试验,定量分析风积沙轻骨料混凝土的抗冻耐久性能.在整个冻融循环期内,相对动弹性模量的变化规律可分为直线下降阶段、直线+曲线下降阶段、曲线下降阶段.以此为基础,建立轻骨料混凝土直线和曲线双段式相对动弹性模量衰减方程,依据5组混凝土的抗冻试验结果对方程进行了验证,并预测其在西部地区的服役寿命.结果表明:直线和曲线双段式的相对动弹性模量衰减方程能够准确的反应混凝土冻融损伤劣化规律.风积沙最优替代率为20%,可以满足25 a的使用寿命.损伤模型可为沙漠地区混凝土使用提供一定的理论依据.

大坂山隧道围岩冻融损伤的CT分析

为了研究大坂山隧道围岩的抗冻特性，将采自隧道 Ｋ１０６＋４００截面处的岩样加工成 ２４块样品，样品的高度和直径均为 ５０ ｍｍ。将样品分成 ４组，每组 ６个样品、根据《公路工程石料试验规程》中的岩石抗冻性试验方法进行了隧道围岩试样的冻融损伤试验。４组样品分别进行了０次，７次， １４次和 ２５次冻融．试样冻融后的抗压强度分别为 ７７．７１， ６８．９５， ６３．７７和 ５０．７７ ＭＰａ．实验结果表明，该隧道围岩抗冻性能良好，不会由于冻融产生过快的风化，力学性能较稳定．此外，还利用ＣＴ对冻融前后的试样进行了检测，检测结果表明，冻融使试样的强度、密度和ＣＴ均值降低，ＣＴ的均方值增大、这种现象说明冻融损伤使试样的物理性能分布变得更加不均匀．冻融对试样的表层损伤较大。

混凝土冻融损伤本构模型研究

基于各向同性连续损伤力学理论,以损伤条件下的弹性模量和泊松比为变量,基于Ottosen理论模型建立了混凝土冻融损伤破坏准则,并以Ottosen本构理论模型为基础,利用建立的冻融损伤破坏准则构建了混凝土冻融损伤本构模型,并编制了本构模型有限元程序,经过试验验证模型计算结果较为准确,为有限元计算和冻融作用后混凝土结构模拟应用提供参考。

基于冻融损伤的混凝土寿命预测研究进展

正负温交替变动会引起混凝土的结构发生冻融破坏,使其出现裂缝、破损和剥落,影响混凝土的力学性能,甚至严重影响其使用功能。冻融是造成混凝土损伤和劣化的最重要因素之一,冻融损伤作用下的混凝土寿命预测已成为目前研究的重点。混凝土的使用寿命可以从不同的角度予以定义和分类,国内外的研究学者已从多方面提出寿命预测的基本方法和评估准则。基于冻融损伤的混凝土寿命预测取得了很大的进展,这不仅表现在对冻融单因素作用下的损伤机理和损伤模型的研究不断深入,还表现在对冻融与其他因素耦合作用下的混凝土寿命预测的研究日渐增多。与计算机模拟技术和数理科学更加紧密地结合必将促进混凝土寿命预测的更深入研究,从而实现根据预期使用寿命对混凝土进行耐久性设计的目标。

冻融损伤混凝土重复受压本构关系

为研究冻融损伤对混凝土重复受压力学性能的影响,完成了两种强度等级混凝土试块的快速冻融及重复受压试验.结果表明,冻融损伤混凝土重复受压力学性能显著降低,动力本构特征曲线也发生改变,包络线及再加载曲线在峰值应力之前因存在明显压实效应而表现出下凹形态,卸载曲线应变滞后现象严重且曲线逐渐趋于重合.在试验研究基础上,探讨了冻融循环次数、混凝土强度等级与冻融后混凝土力学性能参数及本构模型参数之间的关系,建立了冻融损伤混凝土动力本构模型.

冻融损伤岩石的强度准则研究

强度准则在理论研究和工程应用等方面都具有重要意义。将损伤力学和细观统计方法相结合,考虑岩石缺陷的随机性,建立了冻融岩石的损伤本构模型,并推导出模型参数的表达式;根据模型最大主应力点的极值条件,建立了冻融损伤岩石的强度准则,并通过实验结果验证其合理性。研究表明:文中所建立的冻融损伤岩石强度准则能够表征不同冻融循环次数下的极限应力状态,反映岩石强度莫尔包络线的曲线特征;模型参数的理论表达式可反映冻融损伤与岩石变形破坏的一般变化规律,增强了模型的普适性,可为寒区岩土工程材料和结构强度研究提供理论基础。

混凝土冻融损伤后的吸水特性

对掺与未掺引气剂的混凝土进行了冻融破坏,通过吸水试验和中子辐射试验,研究了冻融损伤对掺与未掺引气剂混凝土吸水特性的影响.结果表明,中子成像技术能够实现对非透明性混凝土材料吸水演进过程的可视化观测和定量分析.未掺引气剂的混凝土其抗冻性较差,在10次冻融循环后动弹模量损失14%的情况下,其水分渗透深度约增30%;掺加引气剂后,即使遭受200次冻融循环,混凝土的整体动弹模量也无明显损失,但200次冻融循环后,混凝土表层出现部分剥落,水分渗透速率及深度均相应增大.在评价混凝土冻融损伤时,除整体动弹模量损失外,还需考虑冻融损伤对混凝土吸水性能的影响.

海底隧道衬砌混凝土在多种因素下的冻融损伤

调查了胶州湾海底隧道衬砌混凝土面临的气候环境,提出了隧道洞口段衬砌混凝土抗冻指标要求。以水和海水为冻融介质,对标准养护和现场养护的胶州湾海底隧道衬砌混凝土施加应力比为0,25%和50%的弯曲荷载,进行快速冻融试验。研究结果表明:胶州湾海底隧道洞口段衬砌混凝土快速冻融循环次数应大于300次,且应通过防水处理提高其抗冻性能。相比于标准养护,现场养护劣化了混凝土的抗冻性能,经过300次冻融循环,混凝土质量损失和相对动弹性模量损失分别提高了1.5%和15%。海水中的氯盐和硫酸盐使得混凝土表面剥落程度增加,但内部损伤程度却相应下降。弯曲荷载劣化了混凝土抗冻性能,且随应力比增加而增加。对胶州湾海底隧道200m施工里程内混凝土抗冻性能调查表明:衬砌混凝土质量稳定,抗冻性能良好,满足设计要求。

冻融损伤喷射混凝土本构关系及微观结构

采用棱柱体试件,通过快速冻融试验方法,对冻融损伤后同配合比普通混凝土、喷射混凝土及钢纤维喷射混凝土单轴受压应力应变全曲线进行研究。对应力应变关系中相关参数进行回归分析,得出冻融循环后试件应力应变全曲线方程。结果表明:随着冻融循环次数增加,受压应力应变曲线趋于扁平;峰值应力降低,峰值应变增大,分别与冻融循环次数呈线性和指数变化。与普通混凝土相比,喷射混凝土峰值应力下降速率小,而钢纤维喷射混凝土的下降速率进一步减小。而后,采用扫描电子显微镜及压汞法,对损伤后试件微观结构和孔结构进行观察分析,发现随着冻融循环次数增加,在渗透压和冻胀压力综合作用下,试件内部微裂纹及气孔增多,孔径增大,试件密实度显著降低;而钢纤维喷射混凝土中仅出现少量连通毛细孔,这与宏观力学性能变化呈现一致性。

白垩系砂岩宏细观冻融损伤特性试验研究

为研究人工冻结对白垩系砂岩物理力学特性的影响,以粗粒、中粒砂岩为研究对象,分别开展了一次冻融前后砂岩饱和吸水率试验、氮气吸附实验;并进行20,-30,20℃等不同冻结过程下的强度测试。试验结果表明:2种岩石经历冻融作用后饱和吸水率均有所增大,粗粒砂岩饱和吸水率增加幅度较大。一次冻融循环后粗粒砂岩比表面积和孔容都增大而平均孔径减小,而中粒砂岩区别于粗粒砂岩的是,其孔容呈现减小趋势。冻融作用下两种岩石单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的降低,粗粒砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低幅度大于中粒砂岩。低温冻结提高了试验岩石的单轴抗压强度,粗粒砂岩单轴抗压强度提高幅度大于中粒砂岩。揭示了饱和砂岩物理力学特性劣化内在机理,指出了岩体结构特征及饱和状况是控制不同冻结过程损伤状况的主要指标。