冻融-硫酸盐腐蚀耦合作用下早龄期混凝土强度演变及预测模型研究

为了研究冻融-硫酸盐腐蚀耦合作用对早龄期混凝土力学性能的影响,基于新疆若羌地区实际环境条件,对三种水胶比的早龄期混凝土分别进行冻融循环、硫酸盐腐蚀、冻融-硫酸盐腐蚀耦合作用工况下的耐久性试验,分析不同环境作用工况与水胶比交互作用下早龄期混凝土强度经时演变规律和作用机制。同时,基于灰色系统理论与遗传算法,建立早龄期混凝土强度的变权缓冲GM(1,1)模型。研究结果表明:同环境作用工况下,随冻融循环次数增加,早龄期混凝土抗蚀系数均出现先增大后减小的变化规律,并且在腐蚀终期,水胶比与早龄期混凝土抗蚀系数呈负相关。在同水胶比条件下,相较于单一冻融循环工况,冻融-硫酸盐腐蚀耦合作用工况对早龄期混凝土抗蚀系数终值的影响程度更高。早龄期混凝土强度预测模型的最大平均预测误差仅为1.893%,具有较好的预测精度,可为寒冷、盐渍土地区混凝土结构服役状态评估提供参考;通过预测模型对不同环境作用工况下早龄期混凝土进行耐久性评估,可知:冻融循环作用下,0.26、0.32、0.38水胶比的早龄期混凝土预测服役寿命分别是75.3 a、24.6 a、15.3 a,而在冻融-硫酸盐腐蚀耦合作用工况下,同水胶比下早龄期混凝土预测服役寿命缩短至30.7 a、22 a、12.7 a。

冻融-干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应

冻融-干湿循环是引起硫酸盐渍土强度劣化的主要原因,而土体微观孔隙结构与强度之间有紧密的联系。通过无侧限抗压强度试验、压汞试验、电镜扫描(SEM)试验,采用全局优化法(UGO)分析数据,ImageJ2X处理SEM图像,探究了冻融-干湿循环下硫酸盐渍土强度劣化的宏微观响应关系。结果表明:①冻融-干湿循环作用下,无侧限抗压强度随含盐量呈现先增大后减小的变化趋势,当压实度较低时强度峰值对应的含盐量低;从孔隙分布得出,1~10μm的孔隙占比为强度劣化的阈值,当其占比>50%时强度出现劣化,且劣化现象不可逆。②冻融-干湿作用下的无侧限抗压强度值与微观参数的歪度、结构优度间存在相关性,无侧限抗压强度与歪度呈现正相关,与结构优度呈负相关,且结构优度比歪度对强度影响更加显著。③影响无侧限抗压强度宏观指标劣化程度的微观参数依次为结构优度、歪度、分选系数、平均孔喉半径。本研究从定量分析的层面探究了硫酸盐渍土的宏微观响应关系,为进一步研究盐渍土工程性质提供参考。

硫酸盐-冻融耦合环境下粉煤灰再生混凝土的耐久性研究

研究了不同粉煤灰取代率的再生混凝土在硫酸盐-冻融耦合环境下的质量损失率和相对动弹性模量的变化规律,并采用两参数Weibull函数建立了寿命预测模型。结果表明,在硫酸盐-冻融耦合环境下,随着冻融次数的增加,各组试件的相对动弹性模量和质量均呈现先上升后下降的趋势;当粉煤灰取代率为30%时,试件在硫酸盐-冻融耦合环境下的耐久性最优,最多可经受362次硫酸盐-冻融循环后才会失效。

盐侵-冻融-干湿耦合作用下天然浮石混凝土的耐久性分析

内蒙古河套灌区渠道“重灌轻排”导致土壤盐碱化严重,严重影响了水工建筑的使用寿命。研究河套灌区渠道中盐侵-冻融-干湿耦合作用下天然浮石混凝土耐久性,以天然浮石混凝土(natural pumice concrete,NPC)作为衬砌材料,模拟河套灌区渠道水工建筑实际排水工程环境进行室内加速试验。以相对动弹模量以及质量损失率为损伤评价参数,分析天然浮石混凝土的宏观损失规律;借助环境扫描电镜和能谱成分分析揭示其退化机理;最后采用Weibull分布对天然浮石混凝土的相对动弹模量的退化轨迹构建模型,获得寿命可靠度函数,并预测出其极限失效次数。结果表明:在盐侵-冻融-干湿耦合作用下天然浮石混凝土的质量损失率总体呈现上升趋势,相对动弹模量呈现出下降趋势;在多因素耦合作用下,盐溶液与混凝土水化产物进行化学反应形成侵蚀产物,侵蚀产物膨胀引起混凝土内部孔隙变大、裂缝扩展,天然浮石混凝土劣化速率提高;在多因素耦合作用下天然浮石混凝土的可靠度为三阶段退化模型,其失效机制为耗损型失效。研究成果可为天然浮石混凝土在河套灌区渠道水工建筑工程应用提供理论依据。

亚硫酸盐渍土各冻融周期盐-冻胀规律试验研究

为研究罗布泊地区天然亚硫酸盐渍土盐-冻胀各冻融循环周期内的变化规律及影响因素,采用控制初始含水率和干密度的方法进行冻融循环试验。试验结果表明:亚硫酸盐渍土各周期的盐-冻胀率为先增后减的二次函数状,在冻融循环作用下盐溶液浓度降低,土体内部结构达到临界点,4周期后各周期的盐-冻胀率开始降低;前4周期的盐-冻胀率呈先减速后加速,且随含水率的增大表现明显,土体结构性损伤是盐-冻胀增长加速的主要原因;随初始干密度的增大,盐-冻胀作用在改变土体的孔隙和结构时所需的能量增加,试验中各周期的盐-冻胀率表现出波动性的变化。研究结果表明:亚硫酸盐渍土各冻融周期的盐-冻胀率与土体在各周期所呈现的结构状态有密切关系。

硫酸盐侵蚀与冻融耦合作用下混凝土损伤研究

通过试验研究了先硫酸盐侵蚀后冻融、先冻融循环后硫酸盐侵蚀、硫酸盐侵蚀与冻融循环交互作用3种方式下混凝土质量损失率及相对动弹性模量的变化。结果表明,先硫酸盐侵蚀后冻融工况下混凝土劣化程度大于单一冻融工况,先冻融循环后硫酸盐侵蚀工况下混凝土劣化程度大于单一硫酸盐侵蚀工况,硫酸盐侵蚀与冻融交互作用工况下混凝土劣化程度大于2种工况分别作用下劣化程度的叠加。硫酸盐侵蚀与冻融耦合作用下混凝土劣化进程明显加快,硫酸盐侵蚀与冻融耦合作用过程中形成超叠加效应,二者相互促进,相互影响。

多因素耦合下天然亚硫酸盐渍土盐-冻胀特性试验

采用控制变量法,通过多次冻融循环试验模拟自然环境的变化,研究多因素耦合下艾丁湖地区天然亚硫酸盐渍土的盐-冻胀规律,得出细粒亚硫酸盐渍土盐-冻胀率与变量之间的交互回归方程.根据研究结果,得出以下结论:①当亚硫酸盐渍土体处于最优含水率状态时,其盐-冻胀作用最强烈,气相孔隙和水盐运移、聚集能力决定了盐-冻胀的作用效果;②随着冻融循环次数的增加,荷载对盐-冻胀的抑制能力先减弱后增强最后逐渐趋于稳定,50kPa的上覆荷载即可减少约60%的盐-冻胀量.③含水率和上覆荷载是影响盐-冻胀作用的主要因素,同时含水率和荷载的交互作用会影响土体盐-冻胀的发展,控制含水率、增加上覆荷载,可以有效抑制天然亚硫酸盐渍土的盐-冻胀作用.

荷载与腐蚀冻融耦合作用下再生混凝土耐久性能试验

现有的荷载与环境多因素研究大多是通过给试块设计安装一套夹具,然后拧紧螺丝或者用千斤顶对试块施加荷载(应力),再用此带着夹具的试块进耐久性试验,此方法操作困难、繁琐,极易发生应力损失,使研究的准确性急剧降低。该文提出了一种具有操作简便、控制精准等优点的耦合作用机制,采用先加载再腐蚀冻融,且以此循环作用的方式来模拟混凝土真实工作状态,并对普通混凝土及再生混凝土在多因素耦合作用下耐久性能进行研究。该文试验加载制度分别采用0、40%、70%应力水平的重复荷载与25次腐蚀冻融交替2次,并对此耦合作用下再生混凝土与普通混凝土进行了宏观和微细观试验研究。试验结果显示:在宏观方面,随着应力水平的从0增加至70%,再生混凝土和普通混凝土的抗压强度损失率分别增加27.2%和100%,再生混凝土在多因素耦合作用下的耐久性能表现更佳,荷载会使普通混凝土和再生混凝土的劣化速度加快;在微观方面,在腐蚀冻融50次后,再生混凝土和普通混凝土的显微硬度损失率分别为8.1%和23.8%,环境扫描电镜(environmental scanning electron microscope, ESEM)结果也可以看出界面过渡区是混凝土中较薄弱的环节,且在冻融循环作用前,天然粗骨料界面过渡区处黏结强度和塑性变形能力较强,冻融循环作用后,再生粗骨料界面过渡区处抗冻融腐蚀能力更好。该结果为普通混凝土耐久性改进及再生混凝土的推广应用提供理论参考。

水酶法-冻融耦合技术提取油莎豆油工艺优化

为提高油莎豆油提取率和油品品质,以油莎豆为原料,以油莎豆油提取率及理化性质为指标,借助气相色谱/质谱联用仪(GC-MS),比较分析溶剂法、水酶法、水酶法-冻融耦合技术3种提油方法的效果。并通过单因素试验和正交试验,优化了水酶法-冻融耦合技术提取油莎豆油的工艺。结果表明,采用碱性蛋白酶和纤维素酶复合酶,水酶法提取的最佳工艺参数为:料液比1∶7(g∶mL),酶添加量2.5%,酶解温度70℃,酶解时间6 h,然后经-30℃冷冻、室温融解、4 000 r/min离心分离20 min,在此提取条件下,油莎豆油提油率达74.92%,比单纯水酶法高,而且油脂品质较优。

基于湿载-冻-融耦合作用的黄土灵敏度特性研究

黄土的灵敏度是黄土结构特性的重要指标。为了研究湿载-冻-融耦合作用对黄土灵敏度特性的影响,取山西阳曲、陕西洛川、陕西宝鸡等地的黄土为研究对象,对经历不同湿载、冻结、融化过程的3种黄土的灵敏度变化规律进行研究。结果表明,湿载是黄土灵敏度变化的主要影响因素,冻融作用是黄土灵敏度的次要影响因素。塑限含水率时,黄土的灵敏度下降幅度最大;饱和含水率时,黄土的灵敏度达到最小值。3种黄土的灵敏度均与湿载-冻-融作用有着良好的函数关系。

冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土试验研究

通过在含有100%再生粗骨料的混凝土中同时掺入20%的矿渣和0%,15%,30%掺量的粉煤灰,并进行碳化、冻融和冻融-碳化耦合试验,研究冻融和碳化环境对再生混凝土耐久性的影响,对比分析试件抗压强度、质量损失率、相对动弹性模量、碳化深度的变化规律,建立冻融-碳化耦合作用下矿渣-粉煤灰再生混凝土抗压强度模型。结果表明:粉煤灰掺量为15%时,再生混凝土的抗冻性能最好,当冻融次数大于100次后,粉煤灰对再生混凝土抗冻性能的促进作用开始减弱;粉煤灰掺量越多,再生混凝土的抗碳化性能越弱,当粉煤灰掺量为30%时,其碳化深度是粉煤灰掺量为0试件的2倍以上;在冻融-碳化耦合环境中,冻融作用促进了碳化深度的增长,碳化作用加剧了矿渣-粉煤灰再生混凝土的冻融破坏;建立的矿渣-粉煤灰再生混凝土冻融-碳化耦合抗压强度模型能较好地反应冻融-碳化耦合环境下的抗压强度退化规律。

盐冻融-荷载耦合作用下高性能混凝土试验及损伤模型研究

通过对掺加粉煤灰、硅粉及矿渣的高性能混凝土在盐冻融-荷载耦合作用下的试验研究,提出了考虑多因素作用下混凝土疲劳损伤度模型。试验结果表明:荷载显著的影响盐冻融循环次数和破坏形态;不同应力状态下混凝土试件的质量变化率无明显差别。质量损失率是反映盐冻融-荷载耦合循环次数的主要参数,而相对动弹性模量是反映荷载影响的主要参数。提出的盐冻融-荷载耦合作用下的混凝土损伤度模型,可以反映出混凝土所受应力、相对动弹性模量、混凝土抗拉强度及循环次数对损伤度的影响。当耦合影响因子β接近零时,混凝土趋近疲劳寿命;所预测的损伤特性与实际损伤情况符合较好。

模拟冻-融过程的热-水-应力耦合模型及数值分析

考虑低温条件下出现水-冰相变并有潜热产生的特点,将所开发的热-水-应力耦合模型及其二维有限元程序作了改进,使之可用于岩土体冻融问题的分析.并以Neaupane等的岩石室内冻-融试验为对象进行了数值模拟,将计算、试验和Neaupane的计算中所得的岩石试样上特定点的温度-时间曲线、温度-径向应变曲线作了对比,看到三者的接近程度较好,同时考察了本计算所得的一个岩石试样中不同时刻的温度、位移及应力分布,得出了若干结论.

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。

腐蚀冻融耦合循环作用下碳纤维混凝土抗压强度性能试验研究

为研究碳纤维对混凝土力学性能的影响,首先分析了不同碳纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对混凝土抗压强度的改善规律;其次,分析在0.4 moL/L的NaCl溶液腐蚀环境下腐蚀时间对碳纤维混凝土力学性能的影响及在冻融循环作用下碳纤维对混凝土力学性能的影响;最后,基于两种试验构建了腐蚀冻融耦合循环试验,以此来分析碳纤维混凝土力学性能变化。试验结果表明,当碳纤维掺量为0.8%时,混凝土的力学性能提高最多;单一冻融循环对混凝土力学性能影响程度高于单一腐蚀环境对混凝土力学性能的影响程度;腐蚀和冻融环境对混凝土的破坏是相互的,即耦合环境下混凝土力学性能损伤要高于单一环境下混凝土力学性能损伤。

冻融-氯盐耦合作用下整体防水混凝土耐久性试验研究

在研究冬季北方除冰盐地区或近海环境,考虑冻融损伤和氯盐侵蚀耦合作用下整体防水混凝土的耐久性能。将不同水灰比和硅烷乳液掺量的整体防水混凝土试件置于3%Na Cl溶液中,进行加速冻融循环试验,测定不同盐冻循环次数下的相对动弹性模量、质量损失和渗透性,以综合评价整体防水混凝土耐久性。试验结果表明,在冻融-氯盐耦合作用下,整体防水混凝土冻融损伤和质量损失均随着硅烷掺量和冻融循环次数的增加而增加,降低水灰比可以有效提高整体防水混凝土抗冻性。但是,在相同冻融循环次数下,整体防水混凝土仍较普通混凝土具有更好的抗渗透性,并且抗渗透性随着硅烷乳液掺量的增加而提高。

高浓度盐侵蚀与冻融耦合作用下混凝土宏微观性能劣化规律研究

文中通过对比清水冻融与高浓盐侵蚀-冻融耦合作用下混凝土力学强度及宏、微观结构的变化,研究高浓度盐侵蚀-冻融耦合作用下混凝土宏微观性能的影响及劣化机理。结果表明,清水冻融与盐蚀-冻融循环作用下,混凝土力学强度始终呈现劣化趋势且盐蚀-冻融作用下劣化速度更快。盐蚀-冻融作用下,冰体冻胀应力及结晶膨胀压力使得盐蚀-冻融作用下混凝土产生大量贯通裂缝,加速混凝土损伤劣化,混凝土试样结构剥蚀更加严重,试样剥落量更大。

冻融循环与硫酸盐侵蚀损伤水工混凝土机理研究

文章采用超声平测法测量5%MgSO4、5%Na2SO4、1%Na2SO4溶液及水中引气混凝土快速冻融的损伤层厚度,揭示了随冻融循环次数变化不同溶液中未损伤和损伤层的超声波速及损伤厚度变化规律。试验表明:冻融-硫酸盐耦合作用下,可以利用损伤层厚度衡量混凝土损伤程度;硫酸盐既能促进又可抑制混凝土的冻融破坏,浓度较低时硫酸钠发挥促进作用而浓度较高时发挥抑制作用,硫酸镁的双重腐蚀作用使得其促进冻融破坏的作用最大。

动荷载-水-冻融共同作用下混凝土宏观裂缝扩展与演变的研究进展

混凝土是土木工程建设的重要材料。由于设计、施工、服役环境及其材料自身等原因,混凝土在投入使用时就存在部分非结构裂缝。工程实践发现,在长期动荷载作用下,混凝土裂缝会在长度、宽度和深度方向出现扩展和演变,而动荷载和环境共同作用将会加快裂缝的扩展,加速混凝土材料的劣化,导致混凝土力学和耐久性能降低,严重影响其结构安全。动荷载的长期作用将导致混凝土裂缝尖端附近的应力场和位移场出现复杂的变化,从而引起应力集中和应变能释放,当裂缝尖端应力强度因子大于材料断裂韧度时,裂缝将发生失稳扩展。动荷载对裂缝中的水产生动水压,动水压作用下水对裂缝内壁产生反复冲刷和溶蚀,导致裂缝内壁的集料和水化产物流失,从而加速了裂缝的扩展。低温冻融过程中,水在裂缝内壁反复结冰溶解,在裂缝内产生了冻胀应力,而动荷载作用使裂缝发生的体积变化增大了冻胀应力,同时冻融对裂缝内壁的集料和水化产物产生了剥蚀作用,加速了混凝土裂缝的扩展。动载-水-冻融共同作用对混凝土宏观裂缝的扩展演化更加复杂,目前尚无系统研究。本文归纳了目前对混凝土宏观裂缝在动载-水-冻融共同作用下扩展演变研究的最新进展,梳理了动荷载作用下水和冻融对裂缝扩展演化的加速机制、裂缝扩展与演化的计算方法和有效预测模型,并提出了该研究方向需要进一步解决的问题,以期为进一步掌握混凝土结构的长期服役性能、完善混凝土结构损伤理论及养护维修技术奠定基础。

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

我国是寒区面积分布最多的国家之一,随着寒区建设工程的日益增多,出现了大量的冻岩问题,而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题,本文以实验研究为基础,采用理论分析和数值计算相结合的方法,系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性,并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系,最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景,建立相应的温度–渗流、温度–渗流–应力多场耦合数学模型,采用有限元方法,进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下: