基于分形理论的古建筑青砖冻融损伤研究

研究了冻融循环作用下青砖的表观形貌、质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度及孔结构的变化规律,并结合分形理论建立了分形维数与抗压强度、孔隙率及抗冻性能的关系.结果表明:随着经历冻融循环次数的增加,青砖表面的小孔劣化为大孔,然后逐渐延伸形成裂缝,导致质量损失率不断增加,相对动弹性模量和抗压强度均呈下降趋势;经历冻融循环后青砖内部孔具有明显的分形特征,其分形维数在2.9642~2.9827之间;经历冻融循环后青砖的分形维数与抗压强度呈正相关,与孔隙率呈负相关,与抗冻性能具有高度的相关性;分形维数可用于评价青砖微观孔结构的变化,也可以反映经历冻融循环后孔结构对青砖宏观性能的影响;研究结果可以为寒冷地区古建筑青砖的保护及耐久性损伤研究提供理论依据.

复杂环境下隆盛庄古建青砖劣化机理与剩余寿命预测

隆盛庄古镇是我国首批传统村落及第六批中国历史文化名镇,位于内蒙古乌兰察布丰镇市东北部,是历史悠久的蒙汉文化交融的商贸关口.古镇内现存大量以青砖为主要建筑材料的古建筑,在当地自然环境影响下古建青砖产生了严重的劣化现象,影响古建筑的安全性和耐久性.针对隆盛庄古镇复杂环境开展青砖的耐久性研究工作,研究结果表明:隆盛庄严寒气候与盐渍土环境是造成古建青砖劣化的两个主要环境因素,古建青砖劣化原因以冻融循环作用为主,可溶盐的存在加快了青砖的劣化速度;0.5可靠度水平清水冻融、基准浓度盐溶液冻融、10倍基准浓度盐溶液冻融下青砖的耐久性寿命分别为96、90、75次循环;隆盛庄自然环境下,通过小样本预测古建青砖的剩余寿命在43年及以上的占比为77%,除部分损伤较为严重的古建青砖需要修复或替换,剩余大部分可以继续使用.

基于DIC古建筑青砖受冻融循环作用的损伤演化

以内蒙古隆盛庄古建筑青砖砌体为研究对象,通过数字图像相关(DIC)技术,研究古建筑青砖在冻融循环作用下的损伤破坏规律,采用双因子——损伤程度因子和损伤局部化因子来表征古建筑青砖的单轴压缩损伤过程,并根据双因子损伤演化曲线建立了不同冻融循环次数下的损伤演化模型.结果表明:古建筑青砖在单轴压缩下的破坏过程可分为初始损伤闭合阶段、线弹性损伤阶段、弹塑性损伤阶段和塑性损伤阶段4个阶段;随着冻融循环次数的增加,青砖表面应变集中程度增大,使其承载能力降低;冻融循环会缩短双因子曲线的线弹性阶段,同时利用双因子建立的损伤演化模型能有效反映冻融循环作用下古建筑青砖材料的损伤演化过程.

冻融循环作用下天然浮石混凝土孔隙结构演变特征

采用核磁共振技术,对冻融循环后的LC20和LC30强度等级的天然浮石混凝土进行孔隙结构损伤特性研究,得到两种强度等级的天然浮石混凝土不同冻融循环次数的孔隙度、横向弛豫时间T_(2)谱分布及孔径分布。结果表明:随着冻融循环次数的增加,天然浮石混凝土的孔隙度先经历一段比较平缓的阶段,出现“拐点”后便呈现上升趋势,LC20和LC30天然浮石混凝土在0~25次冻融过程中没有发生损伤,在冻融循环次数100次和150次时,出现大尺寸孔隙中填充了部分小颗粒现象;两种强度等级天然浮石混凝土在冻融环境下,孔隙占比规律均为多害孔>少害孔>无害孔>有害孔,变化范围最大的是多害孔。

粉煤灰泡沫混凝土墙体面外偏压承载力数值模拟及简化计算

目的 提出一种粉煤灰泡沫混凝土墙体结构,对墙体进行平面外偏压力学性能研究及参数分析,为该墙体在村镇低、多层建筑中的推广应用奠定基础。方法 设计3种粉煤灰泡沫混凝土墙体模型,采用ABAQUS有限元分析软件对墙体平面外偏压力学性能进行研究;建立104个墙体模型并展开参数化分析,研究高宽比、内置冷拔钢丝间距、冷弯薄壁C型钢厚度等关键参数对墙体平面外偏压力学性能的影响规律;最后建立适用于不同截面参数及高宽比的粉煤灰泡沫混凝土墙体平面外偏压承载力简化计算式。结果 有限元分析所得墙体损伤位置基本与试验结吻合,墙体极限承载力有限元分析值与试验值之比在1.114~1.147;墙体截面参数中冷拔丝间距对平面外偏压承载力相关曲线的影响为正相关,高宽比、冷弯薄壁型C钢厚度为负相关。结论 平面外偏压承载力简化计算式计算结果基本位于有限元分析曲线内部且曲线趋势一致,可以较为准确地预测粉煤灰泡沫混凝土墙体平面外偏压承载力,为墙体在工程实践中的设计提供一定理论依据。

新型粉煤灰泡沫混凝土墙体轴心受压性能试验研究

利用工业固废粉煤灰制备节能与承重一体的新型墙体,对无冷弯薄壁C型钢外包内置钢丝网片固废粉煤灰泡沫混凝土墙体FW、外包1mm厚冷弯薄壁C型钢内置钢丝网片固废粉煤灰泡沫混凝土墙体CW1、外包2mm厚冷弯薄壁C型钢内置钢丝网片固废粉煤灰泡沫混凝土墙体CW2分别在轴压作用下的破坏形态、荷载-位移曲线及墙体极限承载力进行试验研究。研究结果表明:从破坏形态度角度,FW、CW1及CW2在破坏时,冷拔钢丝、冷弯薄壁C型钢发生屈服,泡沫混凝土破裂;FW大面积泡沫混凝土挤压破碎剥落,破坏严重;CW2破坏时完整性优于FW、CW1。从变形角度,CW1、CW2外包的C型钢能够对墙体内部的泡沫混凝土起到约束作用,墙体的刚度得到提升。从承载力角度,CW2较CW1提升了17.4%,较FW提升了23.7%。对墙体的轴压承载力进行理论计算,与墙体轴心受压试验的实测值相比,二者误差在10%以内且小于实测值,满足国家现行规范、行业技术标准相关要求。

冲击荷载作用下橡胶混凝土的损伤研究

针对冲击荷载作用下橡胶混凝土的损伤问题,利用自动冲击球压仪对橡胶混凝土的动态冲击损伤行为进行研究,并应用激光共聚焦扫描显微镜(LSCM)和扫描电子显微镜(SEM)分析了其冲击损伤形貌及机理特征。结果表明:冲击荷载下橡胶混凝土抗冲击能力优于基准混凝土,且随橡胶粒径的减小抗冲击能力增强;随着冲击荷载的不断增加,橡胶混凝土的压痕增长速率小于基准混凝土,极限荷载值却大于基准混凝土,而橡胶粒径的减小,使压痕增长速率呈减小趋势,极限荷载值增大,表面抗塑性变形能力及试样表面动态力学性能增强;冲击荷载下材料表面形成球冠状小坑,压痕边缘出现不同程度的材料堆积,80目的橡胶在混凝土中分布更加均匀,且损伤区较为连续无明显微裂纹。研究结果为冲击荷载作用下对橡胶混凝土材料损伤研究提供依据。

钢纤维和聚丙烯纤维再生混凝土力学性能研究

研究了不同掺量的钢纤维和聚丙烯纤维对再生混凝土的轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量的影响。并给出了各个力学性能与纤维掺量的经验公式。试验结果表明:钢纤维和聚丙烯纤维的掺入对再生混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度及弹性模量均有不同程度提高,其中对劈裂抗拉强度的提升最为显著,对轴心抗压强度的提升不明显,对弹性模量的影响较小。钢纤维掺量为2%时,劈裂抗拉强度、抗折强度分别提高44.8%、34.0%,钢纤维掺量为1.5%时,轴心抗压强度、弹性模量分别提高19.4%、10.5%。聚丙烯纤维掺量为0.8 kg/m3时,轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量分别提高15.8%、40.5%、39.6%、7.7%。

输电塔既有涂层与新涂层受风沙侵蚀的损伤机理

对输电铁塔杆件新镀锌涂层和既有镀锌涂层进行风沙冲蚀磨损试验,对比分析了两种不同镀锌涂层的冲蚀损伤规律。采用扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜观测两种涂层的不同冲蚀磨损微观形貌,分析了两种涂层材料受风沙冲蚀的损伤机理。研究表明:冲蚀速度越高,两种涂层的冲蚀率越大,且既有涂层的冲蚀率在相同的冲蚀条件下比新镀锌涂层的冲蚀率要高500×10^(-5)～2 750×10^(-5)mg/g;两种涂层在冲蚀角度α为35～37°时出现了最大冲蚀率,分别为2.5×10^(-5)mg/g(新涂层)和0.014 mg/g(既有涂层)。两种涂层在冲蚀角度α=90°时冲蚀率最小,分别为0.5×10^(-5)mg/g(新涂层)和700×10^(-5)mg/g(既有涂层);两种涂层的冲蚀形貌是从低角度的犁沟型冲蚀沟发展到冲蚀沟和冲蚀坑并存,再到高角度仅存的冲蚀坑形貌。风沙流对输电铁塔杆件新镀锌涂层和既有镀锌涂层的冲蚀磨损过程大致相同,既有镀锌涂层的冲蚀坑和带状冲蚀沟比新镀锌涂层更深、更长,且表面更加粗糙。

改性橡胶混凝土在复合盐冻融循环-风沙冲蚀作用下损伤研究

使用15%(质量分数)NaOH溶液对橡胶颗粒浸泡改性处理,研究普通混凝土、未改性橡胶混凝土和改性橡胶混凝土力学性能变化,采用模拟风沙环境侵蚀实验系统对复合盐冻融循环后的混凝土试件进行冲蚀试验,探究改性橡胶混凝土在复合盐冻融循环-风沙冲蚀作用下的损伤机理。结果表明:15%(质量分数)NaOH溶液改性橡胶混凝土较未改性橡胶混凝土强度提高,弹性模量进一步降低,韧性有所提高;改性橡胶混凝土在抗风沙冲蚀性能方面仍表现出脆性材料特性;80目(0.18 mm)橡胶混凝土抗复合盐冻融循环性能最优,10目(2.00 mm)橡胶混凝土抗风沙冲蚀性能最佳,NaOH溶液对不同粒径橡胶混凝土不同性能的改性作用也不同;改性橡胶混凝土对抗复合盐冻融循环性能和抗冲蚀性能均有一定的改善作用,通过微观形貌分析其主要原因为改性橡胶颗粒与混凝土基体粘结作用更强,弹性变形更大。

田口方法下钢化玻璃的冲蚀性能及损伤形貌

根据内蒙古沙尘暴分布特点,采用田口正交方法,利用模拟风沙环境侵蚀实验系统,分析可控因素(冲蚀角度、冲蚀速度和沙流量)在冲蚀试验中的稳定性以及对钢化玻璃的冲蚀磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)和激光共聚焦显微镜(LSCM)对冲蚀形貌进行分析。结果表明:冲蚀角度和冲蚀速度越大,信噪比越大,在冲蚀试验中数据越稳定,沙流量则相反;冲蚀角度对冲蚀率的贡献最大,其次是冲蚀速度,沙流量的贡献最小。低角度时,钢化玻璃的质量损失主要由切削作用引起,SEM图中可见明显的犁沟;而高角度时,钢化玻璃的质量损失则由裂纹叠加引起,SEM图中显示为脆性断裂凹坑。随着冲蚀角度的增大,钢化玻璃表面损伤区域的深度和宽度相应增加;损伤区域形状由长条形趋向于圆锥形。

冲击荷载下盐腐蚀水泥砂浆接触损伤研究

利用冲击球压法研究标准养护条件和不同盐腐蚀环境(5%NaCl溶液、5%Na_2SO_4溶液和5%NaCl与Na_2SO_4混合溶液)下水泥砂浆受冲击荷载作用的表面损伤失效规律及损伤叠加效应。结果表明:盐腐蚀下水泥砂浆遭受小能量冲击时,表面损伤区压痕尺寸随冲击荷载值增加呈先快速后平缓的增长趋势,试样表面损伤越严重,压痕增长越快;在相同冲击荷载作用下,水泥砂浆表面力学性能指标(动态硬度值和恢复性系数)从高到低依次为标准养护砂浆、5%NaCl溶液中砂浆、5%NaCl与Na_2SO_4混合溶液中砂浆、5%Na_2SO_4溶液中砂浆;在冲击荷载作用下,短期盐腐蚀砂浆试样表面颗粒剥落,微裂纹不断扩展并合,损伤区三维形貌参数均大于标准养护砂浆。本文研究成果可为冲击荷载与腐蚀离子双因素作用下铁路桥梁工程材料的耐久性研究提供依据。

功能化氧化石墨烯/聚氨酯涂层抗风沙冲蚀性能

使用硅烷偶联剂对氧化石墨烯进行功能化改性,并采用傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和X射线衍射(XRD)来表征氧化石墨烯改性前后结构变化;对功能化氧化石墨烯/聚氨酯涂层与普通聚氨酯涂层进行力学性能测试以及模拟风沙冲蚀试验.结果表明:硅烷偶联剂成功对氧化石墨烯进行了共价键改性,且改性后的功能化氧化石墨烯在聚氨酯中具有良好的分散性与相容性;涂层的硬度随着功能化氧化石墨烯含量的增大而先增加后降低;当功能化氧化石墨烯含量为0.5%时,涂层的冲蚀率明显降低,抗风沙冲蚀性能显著增强,模拟特强沙尘暴冲蚀后涂层的使用寿命要比普通聚氨酯涂层延长至少0.8 a.

压剪复合作用下镁基盐发泡混凝土墙体力学性能试验研究

对镁基盐发泡混凝土试验墙体进行了压剪复合作用下的力学性能试验,研究了镁基盐发泡混凝土墙体不同轴压比工况下的力学性能,对比分析了三种轴压比和水平荷载组合作用下墙体的变形位移、破坏过程、破坏机理等性能。结果表明:在压剪复合作用下随着轴压比的增大,试验墙体的开裂荷载、开裂位移、极限荷载、极限位移、破坏荷载都相应增大,但破坏位移相对减小,墙体的弹性工作阶段可以得到延长且墙体的局部变形能力更强;在压剪复合作用下试验墙体的裂缝扩展形式为自截面边缘向内部逐渐发展的近似水平裂缝,为典型的正截面弯曲破坏;在压剪复合作用下试验墙体的破坏机理是当墙体内一点处最大拉应力超过材料单向应力状态下的极限拉应力,材料就会发生破坏;在压剪复合作用下试验墙体的变形能力较差,是一种脆性构件且总体应力与其材料强度相比一直处于低应力状态。

冲击荷载作用下钢结构表面涂层的接触损伤

针对内蒙古中西部地区钢结构涂层长期遭受风沙颗粒冲击损伤的问题,采用自动球压冲击仪研究了钢结构聚氨酯涂层与氟碳涂层在冲击荷载下的损伤行为,并应用体式显微镜和超景深三维显微镜研究了钢结构涂层的冲击损伤形貌.结果表明:随着冲击高度的增加,钢结构涂层的冲击荷载峰值增大,二次冲击荷载峰值增大,二次冲击的时间间隔延长;氟碳涂层冲击荷载峰值与二次冲击荷载峰值均小于聚氨酯涂层,氟碳涂层抗冲击能力优于聚氨酯涂层;氟碳涂层的压痕尺寸的增长速率小于聚氨酯涂层,所承受的极限荷载值却大于聚氨酯涂层;冲击荷载下氟碳涂层未出现材料的堆积隆起,无明显的环向裂纹,径向裂纹较聚氨酯涂层少,裂纹宽度较细;相同冲击高度(34cm)下,氟碳涂层冲击压痕深度较聚氨酯涂层下降76%,压痕宽度明显小于聚氨酯涂层.

盐侵蚀环境下浮石混凝土的冻融损伤模型

主要进行了LC20、LC30、LC40浮石混凝土在清水中和浓度为16.55%的氯化钠盐渍溶液中的快速冻融循环试验,计算出了各个强度浮石混凝土在不同冻融介质中的质量损失率和相对动弹性模量。利用origin对浮石混凝土在清水冻融和盐渍溶液冻融下的质量损失率和相对动弹性模量进行了拟合曲线分析,建立了以质量损失率和相对动弹性模量为损伤变量的冻融损伤模型,并预测了其剩余寿命,结果表明:浮石混凝土强度越大,抗冻耐久性寿命越长;清水冻融循环下浮石混凝土的抗冻耐久性寿命比盐渍冻融循环下更长。并且得出,相对动弹性模量比质量损失率更适合作为损伤变量来建立浮石混凝土的冻融损伤模型。

浮石混凝土抗氯离子渗透性能及孔结构试验研究

浮石混凝土作为轻骨料混凝土的一种,具有许多优良特性,如:轻质高强、抗裂性好、耐火性好、抗震性能好,同时它还具有较好的综合技术经济效益.因此研究混凝土的耐久性是一项长期且重要的课题和任务.采用RCM法对3种强度的普通混凝土与浮石混凝土对比分析,并通过孔结构试验观察二者的微观差异,结果表明:(1)混凝土的抗氯离子渗透性能与其强度成正相关:强度越大,其氯离子迁移系数越小,即抗氯离子渗透性能越强.(2)浮石集料质轻、多孔,其作为粗骨料的混凝土抗氯离子渗透性能劣与普通混凝土.(3)二者的宏观力学与一些微观孔结构参数存在关系。

微信公众平台在高校课程教学中的应用——以内蒙古工业大学结构力学课程教学为例

文章以内蒙古工业大学结构力学课程教学为例,对开发"IMUT土木结构力学"微信公众平台,并将其应用于结构力学课程辅助教学作了介绍。该平台由"基础知识""互动教学"及"结构百科"三大模块构成。该平台的应用可使课程教学突破时间、空间的局限,增强教师与学生之间的互动,在一定程度上弥补了传统课堂教学的不足,有利于提高课程教学效果。

内蒙古中部隆盛庄古建筑青砖墙体冻害损伤研究

经分析,冻融是造成隆盛庄古建筑墙体产生病害的主要原因。为了进一步研究严寒环境对古建筑墙体损伤劣化的影响,通过对青砖试样进行冻融试验,分析冻融前后质量、抗压强度和表面硬度的变化规律;基于Weibull分布,分别建立了质量、抗压强度和硬度3个指标下的冻融损伤模型,并通过统一3个损伤模型的形状参数(m)值对模型进行了修正。结果表明:青砖材料的抗压强度、质量损失量和表面维氏硬度随冻融次数的增加呈指数型下降;相同冻融循环次数下,表面硬度的损伤程度远比质量和抗压强度的损伤程度大;建立的Weibull损伤模型与试验曲线具有较高的吻合度,修正后的冻融损伤模型可以较好地反映青砖在严寒环境下的损伤规律。

盐冻环境下橡胶混凝土路面受风沙冲蚀性能研究

为了研究橡胶混凝土路面在盐冻和风沙侵蚀双重因素作用下的耐久性,根据内蒙古西部地区盐渍土和风沙环境特征,配制了复合盐溶液,对橡胶砂浆进行冻融循环作用,并利用模拟风沙环境侵蚀试验系统对盐冻后的橡胶砂浆进行风沙冲蚀试验,应用扫描电子显微镜(SEM)观测橡胶砂浆在盐冻条件下经风沙冲蚀前后的微观形貌。结果表明:当冻融次数大于15次时,橡胶砂浆的质量损失率小于水泥砂浆;随冻融次数的增加,水泥砂浆和橡胶砂浆低角度冲蚀时的冲蚀率先降低后增大,高角度冲蚀时的冲蚀率逐渐增大;相同冻融循环次数后,四种材料的抗风沙冲蚀性能为:80目橡胶砂浆<40目橡胶砂浆<水泥砂浆<10目橡胶砂浆。