典型硫酸盐固废复合胶凝材料制备与微观特性研究

硫酸盐类工业固废造成的环境污染和资源浪费问题引起了国内外学者的广泛关注,当前中国两种典型的硫酸盐类固废(电解锰渣和磷石膏)堆存量巨大,造成严重的环境污染,其无害化与资源化利用刻不容缓。依据电解锰渣、磷石膏两种固体废弃物的特性,利用电解锰渣和磷石膏结合矿渣制备复合胶凝材料,探究了磷石膏和水泥不同掺量对复合胶凝材料硬化体力学性能的影响。通过XRD、SEM和EDS分析了硬化体的物相组成和微观形貌变化特征,同时对硬化体进行毒性浸出测试。结果表明:硬化体各龄期强度随着水泥掺量增加而增大,硬化体各龄期强度随着磷石膏掺量增加而减小。复合胶凝材料较优配合比(质量分数)为电解锰渣为50%、磷石膏为20%、矿渣为30%,水泥外掺12%的硬化体28 d抗压强度为27.1 MPa,硫酸盐固废复合胶凝材料的水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)。养护至28 d的硬化体浸出液中可溶性Mn^(2+)、NH_(4)^(+)-N、PO_(4)^(3-)和重金属离子浓度稳定后满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》的排放要求。

川藏过渡区不同气温和风速下沥青混合料降温与压实特性

川藏过渡区气温和风速复杂多变,在进行沥青混合料摊铺碾压时难以有效控制其压实质量.为此,以川藏过渡区德昌至会理高速公路LM3标段为依托开展现场铺筑试验.首先基于理论分析和现场实测对SMA-13、 AC-20C及AC-20共3种不同沥青混合料在铺筑过程中的降温规律进行分析.然后对气温、风速及混合料类型共3个因素开展SPSS正交分析,从而获得其对有效碾压时间的影响性排序.进一步根据降温规律建立沥青混合料的碾压温度估算模型,同时开展室内变温击实试验对其最佳击实温度进行估算.结果表明:当风速小于6 m/s且气温大于5℃时,AC-20C与AC-20的碾压质量较好;当风速大于3 m/s且气温为5~15℃时,SMA-13的碾压质量欠佳;对有效碾压时间的双因素影响性排序为气温&风速>气温&混合料类型>风速&混合料类型;SMA-13、 AC-20C及AC-20的最佳击实温度分别为169℃,166℃,152℃.最后基于分数阶理论,给出了不同气温、风速下不同类型沥青混合料的现场摊铺和碾压温度建议值.

基于截尾分布的永久路面结构可靠度分析

为建立基于实测参数变异范围的永久路面结构可靠度分析方法,首先基于概率等效原则和逆变换法建立参数“有界”性的双侧截尾分布随机数抽样方法;然后选取现行沥青路面设计规范中面层、基层和路基结构的验算指标建立极限状态方程并开发多指标可靠度计算程序,将分析结果与理论分布随机变量可靠度程序对比;最后结合实测参数变异性水平,使用建立的可靠度分析方法评估京德高速永久路面结构的工后可靠度。结果表明:截尾分布更符合工程参数的真实分布,计算的可靠度更准确;中等交通荷载等级下,京德高速的路面结构可靠度为95.2%~98.7%;在累计当量轴次失效点后,永久路面结构面层、基层和路基的可靠度值均随轴次的增大而减小,且荷载越大,可靠度值下降速率越快,可靠度也越低。

基于YOLO v5-IBX网络模型的公路隧道衬砌裂缝检测方法研究

目的 针对传统隧道衬砌裂缝检测效率低、成本高、周期长以及当前基于计算机视觉、图像处理技术的裂缝智能检测方法效率低、精度低、检测结果不准确等问题,提出一种改进的网络模型YOLO v5-IBX对公路隧道衬砌裂缝进行智能检测。方法 在原始YOLO v5网络模型的检测层中新增一个低维尺度和在特征提取层中融入注意力机制,提高特征融合利用和对小目标的检测精度,降低网络参数的计算量,达到减少裂缝细节信息丢失的目的;对采集到的公路隧道衬砌裂缝图像,通过图像翻转、裁剪、调整图像饱和度、对比度等随机转换方式来进行数据增强,增加数据特征样本,建立数据集,以满足模型检测的需求;在建立的隧道衬砌裂缝数据集上进行试验,以精确率、召回率、计算平均精度及平均精度均值作为检测精度的综合评价指标,将笔者提出的网络模型YOLO v5-IBX与原始的YOLO v5等其他网络模型进行对比。结果 采用改进的网络模型YOLO v5-IBX检测隧道衬砌裂缝,在迭代300次的情况下,训练损失可以降到0.014,裂缝检测精度率达到97.8%左右,召回率达到97.7%左右,精度均值达到98.6%左右,均优于其他模型,检测精度得到有效提高。结论 相比较传统的人工检测方法和原始YOLO v5检测算法,改进的网络模型YOLO v5-IBX可以更快速、准确地识别出隧道衬砌裂缝,为隧道衬砌裂缝检测提供新的更加实用的检测方案。

基于聚合物合金材料钢桥面铺装结构性能研究

基于聚合物合金材料轻质高强的特点,该文提出3种基于聚合物合金材料的新型钢桥面铺装结构,考察其高温性能、界面黏结性能、抗疲劳性能及抗滑性能等,并与传统铺装结构的路用性能做对比。试验结果表明:铺装层厚度对“聚合物合金材料+高弹改性沥青混凝土SMA10”的高温性能影响较大,而对“聚合物合金材料+高韧性环氧沥青混凝土EA10”和“浇注式沥青混凝土GA10+聚合物合金材料”的高温性能影响较小。聚合物合金铺装结构具有良好的高温性能、界面黏结性能和抗疲劳性能,整体性能与浇注式沥青混凝土及环氧沥青混凝土铺装结构相似,完全能满足钢桥面铺装对材料及结构的要求,并降低了铺装层的自重,实现了钢桥面的轻质高强铺装目标。

基于数字图像的排水沥青路面抗滑性能衰变研究

文中借助小型四轮加速加载试验装置对设计的不同级配排水沥青混合料,采用数字图像处理方法进行试件表面纹理三维重构,构建了表征排水沥青路表面纹理的特征参数灰度值及抗滑衰变Asymptotic指数模型,同时将灰度值与抗滑指标进行了相关性分析.结果表明:2D、3D两种模式下得到的三维重构图像均能很好反映排水沥青路表面三维纹理特征.加速加载作用0.5 h后试件表面形成了明显轮迹带,对应三维重构图像灰度值也出现最大幅度衰变,PAC-16降幅最小.灰度值与作用时间整体相关性均较好,指数模型可用于分析排水沥青路表面灰度值衰变规律.数字图像重构技术可用于获取排水沥青路面平均构造深度和车辆高速行驶下的动摩擦系数.

雨天沥青路面能见度影响因素分析

在降雨情况下,汽车行驶过程轮胎所溅起的水花极易形成水雾,前方能见度会显著下降,人体主观的识别距离也随之迅速减小,甚至出现对行车间距的错误判断,易造成交通事故,研究雨天沥青路面能见度影响因素意义重大.以米氏理论为基础,利用能见度的气象学定义,并采用MATLAB软件进行蒙特卡罗数值模拟,提出了用车速、水膜厚度和路面设计参数表征的能见度计算模型,进而对能见度影响因素进行了分析.结果表明:在雨天,沥青路面水膜厚度低于5.873 mm时,水雾引起的能见度会随车速和水膜厚度增加而不断减小;路面设计参数中,排水路径长度、路面构造深度与能见度呈正相关性;路面坡度与能见度呈负相关性;在水膜厚度为5.873 mm时能见度达到极小值;进一步提出了用降雨强度、路面构造深度、路面坡度、排水路径长度和车速表征的沥青路面能见度改进计算模型.

多孔沥青路面抑制水雾安全性能评价

为了对多孔沥青路面在雨天提高能见度方面进行安全性能评价,采用MATLAB软件对能见度进行蒙特卡罗数值模拟,提出了不同路面结构的能见度计算模型.利用模型对比分析多孔沥青路面在抑制水雾方面的优越性,并在广西南宁绕城高速公路进行了实证,对能见度预估模型进行了评价.研究结果表明:多孔沥青路面比相同降雨强度下的密级配沥青路面能见度提高了1.9倍以上;车速越大,能见度提高比值越大;在降雨强度低于0.83 mm/min的天气情况下,实测多孔沥青路面能见度达到1 km以上,满足高速公路行车安全性要求;在强降雨地区实测能见度与数值模拟结果较为接近,模拟值要比实测值偏大,且车速越高偏差越小,模拟值越接近实测值.

大风低温环境下热拌温铺技术降温特性研究

为解决大风低温环境下沥青路面施工压实度不足的工程问题,依托德昌至会理高速工程,采用热拌温铺技术并通过延长有效压实时间来保证压实度。先介绍了大风低温环境下热拌温铺技术,后通过室内马歇尔变温击实试验、车辙试验、浸水马歇尔试验及小梁弯曲试验探究了热拌温铺沥青混合料的碾压温度和路用性能,再通过现场试验分析了热拌温铺沥青混合料的降温规律并对路面检测结果作出评价。研究结果表明:1)热拌温铺沥青混合料具有更低的可压实温度,同时其综合路用性能可以得到保证;2)相较普通热拌沥青混合料,热拌温铺沥青混合料具有更为缓慢的降温速率,可获得更长的有效压实时间;3)路面检测结果显示,大风低温环境下热拌温铺沥青混合料铺筑效果良好;4)热拌温铺技术拓宽了混合料的碾压温度范围,可有效解决大风低温环境下沥青路面施工压实度不足的难题。

施工参数变异对永久路面半刚性基层无侧限抗压强度的影响

研究了水泥剂量、集料级配、含水率和压实度对水泥稳定碎石基层不同龄期无侧限抗压强度的影响,分析了影响无侧限抗压强度的关键施工参数及规律,并依托河北京德高速公路永久路面半刚性基层建立施工参数变异水平与无侧限抗压强度的响应面模型。研究结果表明:水泥剂量为水稳碎石基层各龄期无侧限抗压强度的最显著影响因素;施工参数变异水平对7 d无侧限抗压强度的影响排序为水泥剂量均值>压实度均值>水泥剂量变异系数>压实度变异系数;7 d无侧限抗压强度与施工参数及变异性的响应面回归模型的F值为203.82,P值小于0.0001,精度较高,可用于实际工程半刚性基层无侧限抗压强度的预测和控制。

再生沥青自愈合影响因素及疲劳性能分析

为研究再生沥青自愈合影响因素及自愈恢复后的疲劳性能,试验选择指标HI_6表征材料自愈性能,选择指标N_(f50)表征材料疲劳性能,利用动态剪切流变(DSR)仪以时间扫描模式进行疲劳-愈合-疲劳循环加载测试,分析了愈合温度、愈合时间、老化程度、损伤程度、再生剂种类和再生剂掺量对再生沥青自愈合性能及疲劳寿命的影响,并通过灰关联理论进行了自愈合关键影响因素分析.结果表明:较长的愈合时间、较高的愈合温度和再生剂掺量对再生沥青自愈度有促进作用,原沥青的老化、再生沥青的损伤均不利于再生沥青的自愈恢复;同种再生沥青之间,自愈度越高则疲劳寿命越长,不同再生沥青之间,自愈度与疲劳寿命之间没有绝对关系;再生沥青自愈合关键的影响因素为愈合温度,其次分别是愈合时间、再生剂种类、原沥青老化程度、损伤程度和再生剂掺量.

开级配沥青磨耗层降低路面噪声优化

为了评估开级配沥青磨耗层(OGFC)在降低路面噪声方面的性能,采用击实法制备了20种集料级配组成的OGFC混合料(OGFC-16、OGFC-13、OGFC-10和OGFC-5)马歇尔试件,利用驻波管按1/3倍频测得了不同试件的吸声频谱,并与密级配沥青混合料(AC-13)进行了对比.结果表明:OGFC混合料的吸声频谱近似呈现出先升后降的变化规律,AC-13混合料的吸声频谱没有明显起伏变化,OGFC混合料的吸声系数要远大于AC-13;随着空隙率的增加,OGFC混合料的平均和峰值吸声系数逐渐增大,峰值频率向高频方向移动,并得到了吸声系数和降噪值随空隙率变化的数学表达式;对于空隙率相近的OGFC混合料,平均吸声系数几乎不受级配组成的影响,峰值频率随着公称最大粒径的增加向高频方向移动;随着试件厚度的减小,同一OGFC混合料试件的峰值吸声系数略有增加,峰值吸声频率向高频方向移动,但平均吸声系数明显衰减.因此,在满足路用性能和排水性能的前提下,降噪效果可作为优化OGFC混合料的依据,其空隙率宜为20%~23%.

考虑自愈补偿的再生沥青疲劳性能分析

为研究自愈补偿对再生沥青疲劳性能的影响,通过动态剪切流变试验,对比分析了9种再生沥青在考虑自愈补偿前后的疲劳性能.采用动态剪切模量降低至初始值50%时的加载次数Nf50来评价再生沥青疲劳性能,采用疲劳寿命变化率HI来评价再生沥青的自愈合性能.结果表明:考虑自愈补偿前,各再生沥青疲劳寿命均与原沥青老化程度、应变大小呈反比,与再生剂掺量呈正比;考虑自愈补偿后,再生沥青疲劳寿命明显增长,间歇时间对疲劳寿命的增长有促进作用,应变大小对疲劳寿命衰减程度影响基本不变,再生剂掺量对疲劳寿命增长的影响显著.考虑自愈补偿前后,再生沥青的疲劳曲线存在明显差别,建议在研究沥青疲劳性能时应考虑自愈补偿的影响.

涵洞-填土-地基共同作用的涵洞减载效应研究

为缓解高填方盖板涵顶部竖向土压力集中的状况,进行了室内填土-涵洞-地基模型试验,通过监测涵洞顶部与底部竖向土压力,验证了FLAC数值模型的精度与可靠性,然后在该数值模型的基础上,对涵底地基压缩减载、涵底地基与涵顶联合压缩减载时各工况进行了数值模拟.结果表明:在涵底地基上设置固定尺寸的地基压缩区,可在不显著增加涵洞竖向沉降的情况下,有效减小涵顶竖向土压力;当仅在涵底地基上设置压缩减载区,压缩区深度为0.5 D(D为涵洞高度),宽度为2B(B为涵洞基础宽度)时,对缓解涵洞顶部土压力集中效果最好;当为涵顶与涵底联合压缩减载时,在保证最优的涵底地基压缩减载情况下,涵顶压缩区厚度为0.6 m时对应的涵顶竖向土压力减小最显著;当涵顶上方填土高度为28 m,且在最优的联合减载情况下,涵顶竖向土压力与涵底竖向压力的最大减载率分别为61.13%和45.42%.

级配参数对沥青稳定碎石疲劳性能的影响分析

沥青稳定碎石基层疲劳性能直接影响柔性路面的使用寿命。为分析集料级配对沥青稳定碎石疲劳性能的影响,基于ATB-25和ATB-30两种类型的9种不同级配的沥青稳定碎石疲劳试验数据,利用灰关联分析方法分析了不同集料级配参数对沥青稳定碎石疲劳性能影响的显著程度。通过回归分析的统计学方法,分别建立灰关联分析方法得到的关键因素与沥青稳定碎石疲劳性能代表值之间的回归曲线关系。结果表明:在最佳沥青用量条件下,沥青稳定碎石混合料的2.36 mm筛孔通过率、4.75 mm筛孔通过率、0.30～1.18 mm及0～0.30 mm筛孔区间集料质量分数是影响沥青稳定碎石疲劳性能的4个关键因素,当2.36 mm筛孔通过率为27%,4.75 mm筛孔通过率为34%,0～0.30 mm筛孔区间集料质量分数为11%,0.30～1.18 mm筛孔区间集料质量分数为9%时,沥青稳定碎石混合料疲劳性能最佳。

多孔沥青混合料矿料间隙率物理模型的构建

为了解多孔沥青混合料(PAC)的主骨架结构和矿料间隙率,针对多孔沥青混合料的多空隙特点,将所有矿料划分为较大粒径集料(LSA)、主集料(DASR)、干涉集料(PDA)和间隙集料(ICA)四部分,分析主集料形成的主骨架空隙结构,确定各部分集料的粒径范围,并提出了主骨架空隙率的计算方法。基于体积法,考虑ICA的填充作用、PDA的干涉作用和LSA的取代效应,构建PAC混合料矿料间隙率的物理模型,并通过PAC-13和PAC-10击实试验验证该模型预测效果。结果表明:对于DASR形成的主骨架空隙,ICA主要起填充作用;PDA的干涉作用虽然会占据DSAR形成的部分骨架空隙,但一定程度上也会增大主骨架的空隙;粒径较大的LSA取代部分DASR后也会使得主骨架的空隙率有所增大;对于DASR形成的主骨架空隙率,LSA、PDA和ICA对矿料间隙率的影响具有不同的方向性;在PAC级配设计初始阶段,无需制作混合料试件,仅依据级配曲线确定四组分集料的分界粒径即可预估相应的矿料间隙率,方便确定最佳级配,在很大程度上减少了PAC混合料配合比设计的试验量。综上,所建模型具有合理性和有效性,有较好预测效果。

沥青老化及再生对自愈合性能的影响

通过动态剪切流变仪(DSR)进行“疲劳-愈合-疲劳”试验,分析原样沥青、老化沥青及再生沥青在不同间歇时间下的自愈合性能,并结合红外光谱分析沥青老化、再生过程中官能团与自愈合性能的相关性.结果表明:老化过程中沥青发生了氧化反应,羰基和亚砜基官能团指数增大,极性氧化物含量增加,最终导致自愈合性能降低;添加5%Y型再生剂后沥青自愈合性能明显恢复,经旋转薄膜烘箱老化85、170、340 min的70#基质沥青再生后平均愈合指数恢复至70#基质沥青的100.9%、96.4%、63.2%,愈合速率分别恢复至基质沥青的89.7%、94.7%、40.7%,3种再生剂中Y型再生剂效果最好;沥青自愈合参数与亚砜基、羰基官能团指数线性相关性良好.

结构参数与填料特性对盖板涵洞土涵作用影响

为精确地计算涵洞顶部竖向土压力集中系数,进行了土石混合体填料—涵洞室内模型试验。利用试验结果标定了FLAC数值模型,运用该数值模型研究了结构参数与填料性质对涵洞力学特性的影响。结果表明:在侧墙顶部以下0.35D(D为侧墙高度)处出现最大水平负弯矩,在0.67D处出现水平弯矩反弯点;含石量对侧墙上水平土压力影响显著,含石量为50%和70%时,侧墙上产生的侧向水平土压力更大;随着涵洞顶板厚度的增加,涵顶边缘竖向土压力随之增加,涵顶中心竖向土压力随之减小;随着泊松比的增加,侧墙上正负弯矩的反弯点位置逐渐下移,反弯点的位置变化区间为[0.49D,0.71D];数值模拟结果得到的涵顶边缘竖向土压力集中系数大于相关规范与研究成果的上限值,涵洞结构边缘所受竖向土压力大于理论计算得到的竖向土压力。

基于波速衰减的混凝土损伤声发射定位优化算法试验研究

为研究声波在混凝土内部的衰减规律并提高声发射定位精度,对混凝土梁进行波速衰减试验,计算波速随距离的变化并给出波速随距离的衰减公式,建立基于波速衰减的声发射源定位穷举算法,进行了三点加载模式下的水泥混凝土小梁损伤断裂试验,采用声发射采集仪采集各项声发射参数,利用基于波速衰减的穷举定位算法对加载过程中损伤点进行定位,并与原有恒定波速的损伤点定位算法进行对比。研究结果表明:标准声发射信号波速在混凝土内部随距离增大衰减现象较为严重,初始的基准速度为4745 m/s,在传播600 mm时已降至2124 m/s;在脆性破坏阶段,声发射优化算法定位点数量由4个上升至16个,占比由17.4%上升至70.0%,精度较时差定位法明显提高,对混凝土损伤的定位与检测具有重要意义。

埃洛石纳米管协效阻燃改性沥青性能及机理研究

为研究埃洛石纳米管(HNTs)协效常规阻燃剂(CFR)改性沥青的阻燃性能及机理,首先采用极限氧指数仪、克利夫兰开口杯和锥形量热仪对SBS改性沥青、常规阻燃改性沥青和埃洛石纳米管协效阻燃改性沥青进行阻燃性能测试;然后采用热重-差示扫描量热仪(TGA-DSC)研究沥青燃烧过程的质量损失和热量变化,采用傅里叶红外光谱仪(FTIR)和热重-红外联用技术(TG-FTIR)研究沥青燃烧过程中固相物质和气态产物的时程变化,采用数码相机(DC)和场发射扫描电镜(FESEM)表征沥青残渣的宏微观形貌,来探寻HNTs协效CFR改性沥青的阻燃机制。研究结果表明:1%HNTs复配8%CFR(质量分数,下同)改性沥青的极限氧指数(LOI)和自燃温度(SIT)分别为25.5%、441℃,说明添加阻燃剂使沥青变为难燃物质;同时阻燃沥青的热释放速率峰值(PHRR)和烟释放速率峰值(PSPR)也明显降低,说明HNTs协效CFR改性沥青具有良好的阻燃性能和抑烟性能。通过热重及热量变化发现了阻燃剂靶向分解的吸热阻燃机理,通过固相物质的转变规律发现了磷酸催化沥青成炭的凝聚相阻燃机理,通过气态产物的转变规律发现了磷系自由基淬灭燃烧的气相阻燃机理,通过沥青残渣的形貌表征分析发现了阻燃剂增强残渣完整性和致密程度的阻隔层阻燃机理,最后基于全相态物质变迁规律揭示了HNTs协效CFR改性沥青的阻燃机制。