基于宏微观试验与分子模拟的高黏沥青-集料界面黏附研究

本文结合宏观界面拉拔试验、优化水煮法试验和微观躺滴法试验,研究了高黏沥青和辉绿岩、石灰岩两种集料之间的界面黏附作用,所制备高黏沥青中高黏剂掺量为10%~15%且老化程度不同,并比较了宏微观试验结果的相关性。结果表明,高黏沥青与辉绿岩集料之间的黏附作用略好于石灰岩集料。随着高黏剂掺量的增加,界面拉拔黏结强度增大,水煮剥落率降低。老化后界面拉拔黏结强度降低,水煮剥落率增大。拉拔黏结强度随试验温度的降低而显著提升。高黏剂掺量的增加对界面黏附功的提升作用大于对界面剥落功的抑制作用。高黏沥青的老化对界面黏附功的降低作用大于对界面剥落功的提升作用。表征界面黏附作用的宏微观指标之间均存在较好的线性相关性。通过分子动力学模拟,进一步分析了含水与无水环境中高黏沥青与集料组分之间的相互作用能,以表征界面黏附状态。

宏微观试验融入土力学课程教学的探索

土工试验是揭示土体材料特性和工程问题的重要手段。传统的宏观试验是在土体为均质材料的假设条件下开展的,实质上就是宏观应力应变测试。但诸如土体的剪切、压缩等现象,都是介于宏微观之间的特性,受土微观性质影响。因此,在土力学课程教学过程中,仅依靠宏观试验的演示很难清晰地揭示土体微观特性,难以达到预期教学目标,学生也很难从根本上理解土体的相关工程特性。将宏微观试验融入土力学课程教学,从土体的微观结构描述入手,从本质上探究土单元体复杂宏观特性的微观机理,建立宏微观特性的跨尺度关联并进行分析,不仅可以提升教学效果,也可以开阔学生视野、激发学生学习兴趣,帮助学生建立完整清晰的土力学知识体系。

基于微观试验的硅改沥青改性机理

采用红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)分析的方法,对硅藻土改性剂、不同掺量硅改沥青以及不同种类硅改沥青进行了试验。分析了硅藻土微观结构对硅改沥青性能的影响,研究了两者之间相互作用的机理。结果表明,硅藻土与沥青能够均匀混合,并且形成稳定的整体,具有良好的相容性,有助于改善沥青的技术性能,为硅改沥青的进一步应用提供了微观理论上的依据。

振动采油机理的微观试验研究

振动采油机理的研究对于振动采油的可信性、可行性及其推广使用，具有重要意义。以自行设计加工的高频脉动压力伺服作为振源，利用真实岩心微观模型可见技术，研究了振动采油的降低残余油饱和度、解堵、除垢机理及其空化效应，观察到了振动条件下空化现象，残余油重新流动过程，微粒运移过程及垢层剥落现象。对这些现象、过程与振动参数之间的一些规律进行了定性分析。

高性能清水混凝土耐腐蚀性能及水化微观试验研究

高性能清水混凝土通过使用一些掺合料和外加剂来增强其抗物理侵蚀和耐化学腐蚀性能。通过分析高性能混凝土抗渗透、抗污染、抗干湿交替破坏、耐碳化、耐风化及耐氯离子和硫酸盐侵蚀性能,评价了高性能混凝土的优势,然后采用微观SEM试验对掺合料与外加剂对水化性能的影响进行试验分析。结果表明:将粉煤灰或者矿渣粉取代水泥可以提高水化程度,增大C—S—H凝胶含量,起到微孔隙填充和"微纤维配筋"效果,从而增大了混凝土的密实度和强度性能。

使用微观试验确定软土中晶质矿物的类型与含量

土中矿物成分的类型与含量是软土物理力学性质研究的基础,可以使用微观试验进行研究。本次研究以上海软土为例,使用X射线荧光(XRF)分析得到土中不同元素的含量,使用X射线衍射(XRD)分析和XRF分析得到了晶质矿物的类型,根据元素含量和矿物类型得到不同矿物的含量,对不同土层中矿物含量的分布特征进行了分析。结果表明,上海软土主要矿物中的元素为O,Si,Al,Fe,C,K,Mg,Ca和Na;所有土层中,元素含量最多的是O,其次是Si,主要矿物成分为石英、钠长石、方解石、白云石、伊利石、鲕绿泥石和黑云母,石英的含量最高、含量为35.8%~50.8%,其它矿物的含量均不超过21%;黏性土中,元素Al要略多于砂性土或粉性土,伊利石和鲕绿泥石含量明显高于砂性土或粉性土,钠长石和方解石含量要明显小于砂性土或粉性土。研究结果对从微观上研究不同土的物理力学性质有一定的参考价值。

基于微观试验的石英片岩区变质岩力学特性影响因素机理分析

为分析影响石英片岩区变质岩力学特性的主要因素,对5种不同的石英片岩区变质岩开展了单轴压缩试验,并基于偏光显微镜从微观角度对其形成机理进行解释。研究结果表明:不同石英片岩区变质岩中辉透石与黑云母含量差别不大,而石英和白云母含量差异较大,石英片岩区变质岩组成可分为3部分,即孔隙、坚硬部分和软弱部分,其中坚硬部分为受力骨架,其他两部分起充填作用,石英属坚硬部分而白云母属软弱部分,故石英片岩区变质岩力学特性主要由石英决定,试验条件下(石英含量42%～77%),随石英含量增大,石英片岩区变质岩的脆性、强度和弹性模量逐渐增大;石英片岩区变质岩胶结形式主要有两种,即环边状胶结和叶片状胶结,随石英含量减小,环边状胶结逐渐减少,叶片状胶结逐渐增多。

固化渣土材料力学性能试验与微观机理研究

城市地下空间的营造与开发会产生大量的盾构渣土,传统的渣土处理方式对生态环境和资源保护带来重大挑战,将胶凝材料和盾构渣土结合后制备的再生固化充填材料(RSS-ER)可有效地解决这一难题。在确定水固比为0.35前提下,选择矿粉、粉煤灰和硅粉进行不同的正交组合,并开展不同配合比RSS-ER的流动性试验、无侧限抗压强度试验及微观结构试验。研究表明:RSS的流动性可满足一般回填工程中对于充填材料的要求;RSS-ER的无侧限抗压强度与养护时间呈正向关系,且室内常温养护的试件强度高于水下养护的试件;渣土骨架间的孔隙被水化产物C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶充填,是RSS-ER整体性及强度得以提高的原因。

膨润土浆液及其自凝灰浆黏度微观机理研究

不同厂家生产的钠基膨润土在相同配比要求下制备的自凝灰浆黏度差别很大,其本质是材料微观组分、结构不一致。基于SEM、XRD、EDS与NMR等微观试验,对两个厂家生产的同类钠基膨润土(简称湘源土和玉龙土)及其所制自凝灰浆进行试验分析,并据此对其黏度微观机理进行研究。结果如下:湘源土和玉龙土浆液黏度具有触变性,“卡片宫”的建立与Q~4结构的生成会促使其黏度上升,剪切作用会破坏微观结构使其黏度降低;湘源土蒙脱石含量高于玉龙土的,所以其浆液黏度整体高于玉龙土浆液。搅拌与低剪切作用促进蒙脱石颗粒小片层分散,小片层分散越多,停止剪切后膨润土浆液黏度越高。对于膨润土所制自凝灰浆,其黏度的变化主要依赖于内部电荷吸附与水化反应的程度,水化反应生成的C-S-H凝胶会促进浆液黏度提高。自凝灰浆在凝结过程中生成的碳硫硅酸钙不利于C-S-H凝胶生成,湘源土自凝灰浆碳硫硅酸钙含量高于玉龙土自凝灰浆的,所以其整体黏度低于玉龙土自凝灰浆的。

泥炭土腐殖酸环境室内模拟试验研究

为能提供一种贴合天然环境的泥炭土腐殖酸环境,通过在冲洪积黏性土中掺入胡敏酸(Humic Acid, HA)试剂和富里酸(Fulvic Acid, FA)试剂人工制备泥炭土试样,并将试样浸泡在富里酸液中来模拟泥炭土腐殖酸环境。采用腐殖酸含量检测试验、扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)、X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)、X射线荧光光谱(X-Ray Fluorescence spectroscopy, XRF)和无侧限抗压强度(qu)试验来评估模拟效果及可行性。结果表明,在pH值为6.0的浸泡液中浸泡90 d后,试样中富里酸实测质量分数超过了初始掺量,而胡敏酸的实测质量分数相较于初始掺量表现出波动性。试样中孔隙随着腐殖酸掺量的增加而逐渐发育连通,试样所含的原生矿物主要为石英和云母,主要元素为O、Si、Al和Fe。通过与天然泥炭土环境对比分析,揭示了模拟的腐殖酸环境在微观特征上与天然腐殖酸环境具有相似性。宏观力学试验结果表明,模拟试样的qu随腐殖酸掺量的增加而降低,对比分析显示模拟试样的力学性能与天然泥炭土的力学性能接近。以上结果表明,采用所提出的方法可以模拟出与天然泥炭土环境相近的泥炭土腐殖酸环境。

水软化作用下页岩微观结构和力学性质演化特性

在雨水或者地下水的浸泡下,页岩力学性质会大幅度降低,容易导致泥石流、隧洞塌陷、滑坡等灾害。以页岩为研究对象,通过微观岩石力学试验研究了水软化作用下页岩的微观结构和力学特性演变规律。研究结果表明:在浸水10 d后,页岩表面粗糙度平均值和最大值分别增至259.1 nm和561.9 nm。页岩主要由石英、绿泥石、伊利石和钠长石组成,其中绿泥石为层状硅酸盐。在水软化作用下绿泥石发生崩解并且释放晶层间膨胀力,导致页岩样品粗糙度增加。随着浸水时间的增加,高、中、低3类强度矿物的弹性模量逐渐减小;低强度矿物的黏聚力呈现下降趋势,从16.7 MPa降低到6.0 MPa,而内摩擦角随浸泡时间轻微波动,其平均值为42.5°。

固化盾构渣土耐久性试验研究及寿命预测

为了研究岩溶地区固化盾构渣土(SSM)耐久性能及寿命预测,以盾构渣土为主要原材料,利用水泥、粉煤灰、矿粉等胶凝材料进行固化处理,开展了20组完全浸泡正交试验并进行无侧限抗压强度试验及微观试验。结果表明:SSM无侧限抗压强度的变化特性主要与浸泡龄期有关,主要变化特征是前期强度缓慢增加,后期下降较快;SSM的耐久性能受配合比的影响,当水泥、粉煤灰及矿粉的掺量分别为0.357、0.071、0.021 kg时,SSM表现出来的耐久性能最好;C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶改善了盾构渣土的内部结构,是SSM体系抵抗侵蚀作用的耐久性强度来源;由寿命预测可知:水胶比为0.29、0.31、0.25的固化盾构渣土试件浸泡90 d后的最小寿命预测值分别是6.69、6.79、6.27 a,浸泡360 d后的最大预测值分别是48.5、54.38、50.34 a。

自研发微晶蜡类温拌改性剂微观性能试验研究

借助微观试验对以费托蜡为主要原料的自主研发微晶蜡类温拌沥青改性剂性能进行评价,通过气相色谱、差热分析、红外光谱等微观试验表明,自研发温拌改性剂分子结构、化学组成和纯度较好;温拌改性沥青的基本性能试验与SHRP性能试验表明,相较于基质沥青,温拌沥青高温粘度降低,软化点显著提高,并使基质沥青提高了一个高温PG等级,说明自主研发的温拌改性剂具有较好的降粘与提高高温性能的功能。

水泥加固砂性土微观特征试验研究

通过电动体视显微镜微观试验手段,研究了不同水泥掺量下水泥加固砂性土加载前后微观特征,并分析了水泥加固砂性土孔隙的形状系数、定向角和孔径大小等参数的变化规律,揭示了水泥砂性加固土体强度及承载机制的演化特征。结果表明:(1)水泥砂性加固土在加载前后孔径分布和孔隙形状系数在水泥掺量5%~10%范围内同时存在剪缩和剪胀;但水泥掺量高(>10%)的加固土加载后整体宏观表现为剪胀;(2)在加载条件下,水泥加固砂性土体的颗粒或团粒会发生定向滑移或转动,并在一定程度上孔隙长轴的方向会发生改变。且孔隙定向角分布形式逐步由均匀向集中转变,孔隙分布呈现显著的定向性。

锰渣微粉改性沥青性能试验及微观机理分析

将粒径约为35μm的锰渣微粉,以粉油比分别为0%、3%、6%、9%、12%、15%掺入70#道路石油沥青中制备锰渣微粉沥青,进行针入度、软化点、延度试验,以对比不同粉油比对沥青改性的效果。同时,结合X射线衍射试验、红外光谱分析、扫描电镜分析和差示扫描量热分析,对锰渣微粉沥青改性效果及机理进行探究。试验结果表明:掺加锰渣微粉的沥青,高温性能提高,低温性能提升较小,温度敏感性降低,确定9%为其最佳掺量。锰渣中存有的N、P、S等原子与沥青中具有未共用电子对的原子形成弱氢键,使沥青的活性增强。锰渣微粉中Al2O3在高温条件下吸附脂肪烃、芳香烃中小分子组分进行氧化、交联、缩合反应,当高相对分子质量组分增多时,尚未反应的部分Al2O3将被低相对分子质量组分置换出来,继续发挥催化氧化剂的作用,使沥青组分中高相对分子质量烃含量增多,从而改善基质沥青的性能。

水泥胶结颗粒的微观力学模型试验

土体粒间胶结是建立天然结构性土本构模型的决定性因素之一,将胶结颗粒理想化为两铝棒,在指定位置处形成胶结。采用水泥作为胶结材料,对胶结颗粒进行了一系列简单加载试验(包括拉伸、压缩、压剪、压扭)和复杂应力路径试验,并与蒋明镜等所做的环氧树脂胶结试验进行对比。结果表明:胶结材料对胶结颗粒的力学性能存在一定影响,但基本规律符合蒋明镜等所提出的理想颗粒间胶结模型。水泥胶结抗拉强度低于环氧树脂胶结抗拉强度,但延性相对较好,抗压特性均呈塑性软化现象;二者的抗剪强度初始均随法向压力的增加而增大,当法向压力超过一定值时,又随法向压力的增加而减小(该压力称为界限法向压力),但水泥胶结的界限法向压力明显高于环氧树脂胶结,扭转试验规律与剪切试验规律类似。在三维应力空间中(法向压力-扭矩-剪力)水泥胶结的强度包线呈橄榄球状,环氧树脂胶结强度包线呈水滴状。

不同胶结物粒间胶结三维仿微观力学试验

离散单元法被广泛应用于颗粒材料的力学特性研究,建立合理的胶结微观接触理论对实现胶结型岩土材料宏观、微观力学特性的数值分析显得尤为重要.首先通过室内三维接触试验方法制备由环氧树脂和高铝水泥胶结的铝球试样,并使用辅助加载装置进行拉伸、压缩、剪切、弯曲及扭转5种加载方式下的接触力学特性测试,为建立三维微观接触模型奠定试验基础.结果表明,胶结铝球颗粒的接触力学响应及强度包线与胶结物类型有关.在峰值前,胶结铝球的力-位移与力矩-转角变化关系曲线表现为线弹性;在峰值后,表现为环氧树脂偏塑性、高铝水泥偏脆性;法向作用力对胶结接触力学特性有重要影响,不同胶结铝球的抗剪、抗弯、抗扭能力随着法向作用力的增大呈现先增大后减小趋势,存在临界法向应力比;在不同荷载空间下,不同胶结铝球颗粒的归一化峰值强度包线(剪切强度、弯矩、扭矩-法向荷载)近似呈抛物线型.

多层次微观结构试验提升建筑材料实验课程教学效果

该文创造性地在建筑材料实验中引入扫描电镜微观结构试验,并依据专业性及所需时间的不同,设置了基础型、验证型与探究型相结合的多层次微观结构试验模式,以满足拥有时间、兴趣、想法和能力不同的学生参与不同深度的微观结构试验。实践证明,多层次微观结构试验完善了建筑材料实验课程体系,提升了学生对课程的学习兴趣,进而增强了课程有效性;通过将微观结构与宏观性能相结合,促进了学生对建筑材料性能的全面理解,提高了学生的综合素质与科研能力;同时有利于大型科研仪器在本科教学中的运用,提升了大型仪器的使用效益与实验室管理水平。

PAM固化土体的微观特性试验分析

采用红外光谱、元素分析、XRD测试、比表面积测试、扫描电镜等微观试验,分析PAM固化剂的材料属性和固化土的固化机理。研究表明:PAM固化剂主要含有C、N、H 3种元素,其固化剂土体未产生新的矿物。PAM固化剂含有有利于土颗粒加固的链式结构,可以增强土颗粒间的粘结力。PAM掺量越多,比表面积减少,但固化土体的强度越强。

EN-1固化土体的微观特性的试验分析

为探究EN-1固化剂的材料属性及固化土的微观固化机理。本文采用IR spectrum、elemental analysis、X射线衍射测试、比表面积测试、SEM等微观试验来分析。研究结果表明:EN-1固化剂含有C、N、H三种元素,总含量很少,其固化剂土体未产生新的矿物。EN-1固化剂内含链式结构,可提高土颗粒的粘结力。随着EN-1掺量增加,比表面积减小,但固化土体强度增强。