重塑南宁膨胀土宏细观特征的各向异性试验

为了揭示膨胀土细观结构对宏观膨胀差异的影响规律,以南宁重塑膨胀土为研究对象,利用自研的三向膨胀仪开展宏观试验,获得干密度对于膨胀率的影响规律。通过CT扫描试验研究其细观孔隙和土颗粒结构;基于Avizo软件对孔隙和颗粒的细观特征、孔隙的分形特征进行系统分析;并结合三向宏观试验共同揭示了细观结构特征对宏观膨胀变形的影响规律。结果表明:试样的两个水平方向膨胀率基本一致,竖向大于横向;干密度增大,横、竖向膨胀率比值越趋近于1。竖、横向孔隙率之比随着干密度的增大而增大;当横、竖向膨胀率之比越趋近于1;竖、横向孔隙率之比越大,说明横、竖向孔隙率与宏观横、竖向膨胀率存在较好的关系;竖、横向土颗粒粒径之比随着干密度的增大而减小;横、竖向膨胀率之比越趋近于1,竖、横向土颗粒粒径之比越小,说明横、竖向土颗粒粒径与三向膨胀率也存在较好的关系;孔隙分形维数用来表征孔隙复杂程度,与三向膨胀率并无直接关系。

考虑孔隙细观特征的热障涂层脱粘缺陷超声检测数值模拟

为探究孔隙细观形貌对热障涂层脱粘缺陷超声检测定量精度的影响,基于电子束物理气相沉积法制备的厚度约为100μm的ZrO_2-7%Y_2O_3(7YSZ)热障涂层SEM形貌,建立了界面脱粘尺寸0.2~2.0 mm、孔隙率范围0%~5%、孔隙平均宽高比分别为4∶10、6∶10、8∶10和10∶10的多组热障涂层二维随机孔隙模型(Random void model,RVM),采用时域有限差分技术进行了超声检测数值模拟。结果表明:当涂层厚度一定时,涂层声压反射系数幅度谱极值与脱粘尺寸呈线性关系,脱粘尺寸超声定量误差随孔隙率和孔隙平均宽高比的增加而增大,当涂层孔隙率为5%时,超声测量最大相对误差已达到37.7%,孔隙平均宽高比增大为10:10时,超声测量最大相对误差达到36.9%。此外,由于受孔隙分布状态的影响,超声定量结果呈现出一定的波动性。

煤的热解破裂过程——孔裂隙演化的显微CT细观特征

利用μCT225FCB型高精度工业CT试验机进行了不同温度下褐煤、气煤细观结构演化的显微CT试验,发现煤在低温阶段(<300℃),由于煤中水分和自由气体的散失而产生大量裂纹;在高温阶段(>300℃),有机质的热解导致煤中大量孔隙裂隙的形成,煤的这种产生孔隙裂隙的方式与无机岩石(如花岗岩、砂岩等)明显不同,称这种因热解作用导致煤等一类富含有机质的岩石发生破坏的现象为热解破裂。与无机岩石的热破裂过程相比,煤的热解破裂在破裂机理、裂纹起始位置、裂纹形态方面具有显著的独特性。煤热解破裂过程中,当温度低于300℃时因煤中自由水和自由气体的散失而形成以细长裂纹为主的孔隙裂隙系统;当温度高于300℃时因煤中热解产物的逸出而形成以圆形或椭圆形孔洞为主的孔隙裂隙系统。300℃前新生裂隙不仅起始于煤中的硬质颗粒之间,更普遍的起始于有机质中;300℃后孔隙裂隙的形成主要起始于有机质内。

基于复数傅里叶分析的岩土颗粒细观特征识别与随机重构方法

岩土细观特征的识别与分析是岩土力学研究的重要内容。基于傅里叶变换原理,将任意岩土颗粒的二维轮廓变换为傅里叶描述符与相位进行分析,建立了基于复数傅里叶分析的细观特征表征与重构方法。通过两组不同颗粒的傅里叶细观特征统计,研究了不同阶傅里叶描述符与细观特征参量的对应关系。结果表明:-12~0及16~20阶对应的傅里叶描述符决定颗粒的形状;-23^-11及1~15阶对应的傅里叶描述符与颗粒粗糙度密切联系;傅里叶描述符曲线峰值与颗粒的粒径显著线性相关;高阶傅里叶系数与阶数近似呈对数线性关系,低阶系数则由不同颗粒形状决定。采用建立的傅里叶描述符对应关系进行颗粒相似重构研究,发现重构颗粒的外轮廓及傅里叶统计参量与实际颗粒十分接近,且反映颗粒的粗糙度、纹理等细部特征,其成果可用于大量岩土颗粒与力学特性的相关性研究。

金属橡胶材料压缩性能的细观特征研究

金属橡胶材料是一种典型的非线性材料,其压缩变形分为线性段,软特性段,指数硬化阶段3个特征阶段。笔者在自制的微位移进给测力机构上对金属橡胶材料压缩性能进行了试验研究。通过对金属橡胶材料细观结构和各变形阶段特点的对比分析,揭示了金属橡胶材料压缩变形的细观物理机制。分析表明:在材料的制备阶段,除了选择不同的物理特性和丝径的金属丝材料外,通过控制金属橡胶中线匝的排列方式,改变线匝相对运动的方式,进而也可以控制金属橡胶材料的刚度特征和能量耗散程度。

PBX切屑的细观特征及形成机理研究

采用激光粒度仪测试高聚物粘结炸药(PBX)切屑的粒径,表明相同工艺参数下加切削液的切屑平均粒径大于干车削的,同时粒径随进给量增大而增大,随机床主轴转数提高而减小,未体现出与车削深度相关的明显关系。利用SEM观测发现PBX切屑主要有针状、块状和鳞片状三种细观形态,切屑的形成体现为裂纹的成核扩展导致的宏观断裂,并主要表现为炸药颗粒的穿晶断裂。使用工业CT探测试样亚表面表明裂纹的扩展路径和刀具工件相对运动状态以及工件结构边界条件有关,方向指向较为薄弱的工件表面。建立的切屑形成过程唯象模型有助于理解切屑的形成机理。

三轴疲劳荷载下沥青混合料SMA-13细观特征动态变化分析

为了研究沥青混合料SMA-13细观特征随疲劳加载过程的变化情况,以揭示沥青混合料细观损伤及其影响其渗透性能的机理,利用马歇尔击实仪制备SMA-13沥青混合料试件,并利用自研三轴疲劳加载设备,针对不同空隙率的SMA-13沥青混合料进行CT动态扫描,提取并分析各试件空隙的数量、面积、等效直径和圆度等参数随疲劳加载过程的动态变化。研究表明:空隙率10%和8%的SMA-13,空隙面积随疲劳加载过程逐渐减小,试件两端的减小量大于试件中部;空隙率6%和4%的试件,两端空隙面积随加载过程逐渐减小,中间层位的先减小后增大。空隙数量随疲劳加载过程逐渐增加,试件中间部位空隙数量增加比较明显,最后阶段时空隙数量沿试件高度方向呈"中间多,两端少"的趋势。空隙等效直径随疲劳加载逐渐减小,疲劳加载后期的空隙圆度总体大于前期。4种空隙率试件的空隙等效直径随疲劳加载而减小,而空隙个数、空隙面积和圆度等参数随疲劳加载的进行变化规律差异性较大。

退火状硬铝合金平面复合型损伤、断裂的细观特征研究

本文利用紧凑试样在拉-剪复合加载下进行了断裂试验．对所研究材料的断口分析表明：在复合加载下，断裂机制为由裂端向外逐渐发展的空穴扩张与聚合，断裂角随剪切分量的增加而增加，而在接近于统剪加载下，空穴的活动几乎同时发生于断裂路径上，断裂角则随剪切分量的增加而减小．

岩石冻融损伤细观特征数值模拟研究

为了研究岩石在冻融循环作用下所产生的细观损伤,基于PFC软件,采用水颗粒体积膨胀所产生的膨胀力等效为冻胀力方法来模拟岩石冻融循环过程,结合岩石冻融循环后岩石单轴试验,从颗粒间的接触力、位移和微裂纹发展过程等细观层面对砂岩冻融损伤过程进行分析。研究结果表明:随着冻融次数的增加,试样边界区域相比中心区域更容易发生损伤,颗粒间接触量及接触力逐渐减小,导致裂纹数量增加,并以拉伸裂纹为主,但剪切裂纹占比在逐渐增加。研究结果可为寒区矿产资源安全开采提供理论依据。

基于细观特征的泡沫混凝土导热系数有限元模拟

在泡沫混凝土孔结构实测参数的基础上,基于随机算法构建了泡沫混凝土代表性体积单元(RVE)模型,结合voxel网格技术,在周期性边界条件下模拟了泡沫混凝土的传热。结果表明:基于球体随机产生算法构建的RVE模型与泡沫混凝土的实测孔结构特征高度一致,孔径分布平均偏差最高为-2.0%,孔隙率平均偏差为-0.1%;基于voxel网格技术在周期性边界条件下求解出的泡沫混凝土导热系数模拟值与实测值的平均偏差仅为-3.1%,具有良好的可靠性。

载荷谱细观特征量与截割性能评价的熵模型

为研究煤岩截割破碎载荷谱特征及性能的评价方法,通过对实验瞬态载荷谱及其细观特征量的提取,提出载荷谱能量积聚段梯度、幅值增量和能量的3种特征量的算法,给出载荷谱细观特征推演宏观截割性能评价的数学描述,采用熵理论对载荷谱进行关联性分析,建立了载荷谱特征量熵和综合加权熵的数学模型,以截齿截割煤岩的力学过程为例,在时域范畴内探讨不同滚筒转速的煤岩破碎载荷谱特征及效果。结果表明:在最大切削厚度相同的条件下,载荷谱熵随转速增大呈增大的变化规律,随转速的增大,载荷谱序列的无序度随之增大,表征煤岩破碎程度和粉尘量的相对变化趋势,载荷谱特征量熵和综合加权熵与比能耗和破碎程度等性能指标间呈正相关性。提出的载荷谱熵模型与算法可作为截割性能评价的一种有效方法。

单向带与织物碳纤维增强树脂基复合材料中孔隙的细观特征

研究单向带与织物碳纤维增强树脂基复合材料中孔隙的细观特征,主要包括孔隙的分布特征、形貌、位置、面积和长宽比等。采用金相显微镜、扫描电镜和超声C-Scan检测对不同孔隙率(0~5.0%)的复合材料层压板进行观测和表征,比较单向带和织物层压板中层中孔隙和层间孔隙的细观特征,并采用统计分析的方法研究孔隙面积和孔隙长宽比随孔隙率的变化趋势。研究结果表明:受纤维分布的影响,单向带层压板和织物层压板中孔隙有其各自的细观特征,且随孔隙率的增加呈现一定的规律,从细观尺度上为孔隙率检测评估和性能预测提供了更客观、更符合实际的物理描述。

非均质岩石动态断裂损伤细观特征模拟分析

为从矿物晶质尺度研究非均质岩石动态断裂损伤的细观发展过程,采用颗粒流程序-等效晶质模型构建能够反映微观结构特征的非均质岩石模型,同时利用有限差分法FLAC2D和离散元法PFC2D建立耦合分离式霍普金森压杆系统,对不同冲击载荷下非均质岩石的动态冲击破坏过程进行模拟分析。通过自编Fish语言,对动态破坏过程中矿物的晶内及晶间微裂纹进行细化分组及数量统计,从细观发展的角度剖析非均质岩石的动态断裂损伤演化过程。结果表明:在静态单轴压缩条件下,沿晶破坏是主导非均质岩石破坏的重要原因,晶间裂纹和穿晶裂纹逐步贯通,最终使试样展现出宏观的破坏模式;在动态冲击条件下,各矿物晶内及晶间的微裂纹增长过程均存在萌生期、快速增长期、缓慢增长期和停止增长期4个阶段;与静态单轴压缩条件下微裂纹数的增长模式相似,动态破坏初期晶间裂纹数明显高于晶内裂纹数,岩石主要发生沿晶损伤破坏,随着加载的进行和岩石破坏程度的提升,动态破坏的晶内裂纹数逐渐超过晶间裂纹数。此外,模拟中不同冲击载荷下峰值应变率与对应的峰值载荷以及动态峰值强度与对应的峰值载荷均表现出良好的线性关系,为快速确定岩石相关动态力学参数提供了简便的方法。

细观特征对混凝土力学特性影响试验研究

混凝土材料组分极为复杂,力学性质与其内部细观结构密切相关.为了研究不同细观特征对混凝土力学特性的影响,采用常规三轴压缩试验,对9组27个混凝土试样进行常规三轴压缩试验,对比了胶凝材料类型、骨料种类、骨料含量三种决定细观特征的因素对混凝土力学特性及变形破坏的影响.研究结果表明,水泥胶凝材料的胶结力远强于石膏的胶结力,P.O32.5水泥的胶结力低于P.O42.5水泥;不同类型粗骨料产生不同的混凝土强度,碎石骨料由于其棱角分明,胶结较好,故碎石混凝土拥有较高的强度.同时混凝土强度随粗骨料含量的增加而增加;研究结论可为深入探索混凝土的力学性质提供依据.

冻融与盐蚀耦合作用下混凝土的细观特征与损伤演化规律

通过快速冻融试验,结合X射线计算机断层成像(CT)扫描技术和三维重构分析,在细观尺度上研究了不同氯盐浓度环境与冻融作用下混凝土剥落深度、体积损失率、孔隙结构和CT值的变化规律。基于CT数据建立了混凝土的损伤演化模型,并与波幅和质量定义的损伤进行了对比分析。结果表明:冻融与盐蚀耦合作用下混凝土主要发生砂浆剥落破坏,剥落深度和体积损失率随冻融次数的增加而增大。冻融过程中混凝土的损伤由表及里,随着表面砂浆剥落,部分闭口孔逐渐转为开口孔,最终消失,试样孔隙率整体呈波动增大趋势。氯盐浓度对混凝土冻融损伤发展速度影响显著,随着氯盐浓度的增加,混凝土的剥落深度和体积损失率呈先增大后减小的趋势。混凝土的超声波波幅随冻融次数的增加逐渐减小,二者存在较好的指数关系。试验设计的4种浓度中,3.5%(质量分数)氯盐溶液中的混凝土冻融破坏最严重。基于CT数据定义的损伤演化模型与波幅和质量表征的损伤度线性关系良好,且与质量损失率吻合度更高,说明该模型较好地反映了混凝土的损伤演化过程。

循环载荷作用下煤岩复合结构宏-细观破坏特征及能量-损伤本构模型

煤炭深部开采过程中,周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用,因此,研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏-细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率,开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号),分析了煤岩复合试样的损伤失效特征;基于能量耗散原理,构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量-损伤本构模型,最后结合试验实测数据进行验证。结果表明:加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关,当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时,恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下,试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%;高加(卸)载速率下,试样的内部裂纹扩展越快,煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧,分形维数随之增大,试样的内部裂纹扩展越快;随着加(卸)载速率的增大,煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递,为试样内部裂纹的发育提供了有利条件,导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量-损伤本构理论曲线具有较强的一致性,表明所建的能量-损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

基于红外图像时域特征的沥青混合料细观裂缝评价研究

为优化沥青混合料中细观裂缝的快速评价方法与效率,首先通过室内试验设计沥青混合料细观裂缝制备及其评价方法,采用线激光对试件进行扫描并采集红外图像,通过对红外图像数据分析,建立基于时间序列的温度区间特征追踪方法,进而计算温度区间特征面积及其扩散速率与线激光位移的热特性变化关系,最后对试件中的细观裂缝位置和宽度进行定量分析。研究表明,基于温度区间热效应的扩散速率,可以增强试件中细观裂缝的空间分辨率,同时随着线激光逐渐靠近裂缝,温度特征面积扩散速率明显表现出先降低后增加的趋势,说明试件裂缝处的热扩散能量逐渐降低并趋近于零,当线激光远离裂缝时,试件表面的热扩散速率又逐渐增加,体现出很强的细观裂缝热阻隔现象。结果表明,在裂缝处温度区间B、C的特征面积始终位处于特征曲线的最低波谷位置,且温度区间B的裂缝定位误差小于5.61%;同时,在可靠度水平为95%条件下,通过亚像素算法计算的裂缝特征面积宽度与裂缝宽度的相关性达到0.9952,预测裂缝宽度的相对误差不大于4.13%。该评价方法显示了基于时序特征的温度区间对不同细观裂缝宽度均具有显著的敏感性,可为车载移动式热成像技术自动化检测沥青路面裂缝的应用提供理论基础和借鉴。

牛蹄塘组与龙马溪组页岩细观结构特征研究

我国页岩气储量居世界首位,随着能源的日益紧缺,页岩气开采日渐迫切。页岩内部的孔隙、裂隙结构不仅是页岩气的储存空间,更是影响页岩气产出的关键因素。针对湖南牛蹄塘组和四川龙马溪组页岩样品进行了细观观察,分析了两组页岩的层理、裂隙及孔隙特征,统计了两组页岩的孔隙尺寸及分布特征。实验结果表明:牛蹄塘组页岩层理特征更为明显,沿层理发育有少量大孔;龙马溪组页岩层理特征不明显,层理多发育小孔;牛蹄塘组页岩主要发育黏土矿物粒间孔和不同矿物粒间孔,龙马溪组页岩中主要发育不同矿物粒间孔;两组页岩内主导孔隙均为小孔孔隙,与龙马溪组页岩相比,牛蹄塘组页岩直径小于16μm与直径大于100μm的孔隙出现的频率较高,而直径16~100μm之间的孔隙出现频率较低。

矿粉填料细观特征对沥青胶浆低温黏结强度的影响分析

测试矿粉填料的细观特征,基于沥青拉伸黏结强度测试技术分析其对沥青胶浆低温黏结强度的影响效果。采用BT-1600颗粒图像分析系统测试矿粉细观级配、颗粒长径比、比表面积、颗粒圆形度,采用无压水浸润的方法测试矿粉细观空隙特征。试验结果表明:尽管3种矿粉初筛结果基本一致,但是由于3种矿粉的细观特征存在差异,导致3种沥青胶浆的低温黏结强度也有较大不同。以矿粉细观空隙特征为中间媒介,基于沥青胶浆中结构沥青与自由沥青比例特性,明确矿物填料细观粉体特征对沥青胶浆低温黏结强度的影响机理。

细观空隙特征对透水沥青面层去除径流中Pb^(2+)的影响机制研究

为探究多孔沥青混合料空隙结构特性对透水沥青路面去除路面径流重金属的影响机制,于细观尺度下,选用等效直径、空隙数量、面空隙率、单位比表面积和分形维数作为特征参数;采用室内人工模拟降雨试验,研究两种目标空隙率下,细观空隙特征对透水沥青面层去除径流中Pb^(2+)的影响机制。结果表明:面空隙率、比表面积、空隙体积、分形维数与多孔沥青混合料去除Pb^(2+)的能力呈正相关关系,参数值越大、混合料对Pb^(2+)的去除效果越好;等效直径与混合料去除Pb^(2+)的能力呈负相关关系,参数值越大、混合料对Pb^(2+)的去除效果越差;空隙数量则对沥青混合料去除Pb^(2+)的效果无显著影响。