冻融循环作用下泥岩的力学特性及损伤机理研究

为研究冻融循环作用下岩石的损伤特性及发展规律,以泥岩为例,对泥岩在不同次数冻融循环条件下进行了单轴压缩和超声波检测试验,并分析在不同冻融循环条件下泥岩的力学特性。结果表明:随着冻融循环次数的增加,试样的原生裂隙受到反复冻胀荷载的作用引起损伤,试样脆性减小、延性增大,单轴抗压强度、弹性模量以及纵波波速均减小;对各力学参数的劣化规律及损伤机理进行了研究,建立了呈指数型衰减的模型,结果表明单轴抗压强度、弹性模量和纵波波速的劣化随冻融循环次数的增加而增大,但增大速率却逐渐减小,趋于稳定;最后,基于波阻抗为损伤变量,建立泥岩的冻融损伤方程,结果表明泥岩的损伤随着冻融循环次数的增加而增大,但增大速率逐渐降低。     

三种不同粒径砂岩的强度与破坏特征

为研究三种不同粒径砂岩在受载条件下的强度变化和破坏特征,选取同一地区的三种不同粒径的砂岩,分别进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,借助基恩士超景深显微系统观察三种砂岩在受压、受拉破坏后裂隙周围岩石结构。试验结果表明：（1）砂岩随着粒径减小,颗粒比表面积增大,胶结及结构排列越密实,抗压（抗拉）强度越高,破坏形式由延展性逐渐转为脆性;（2）砂岩抗压强度随着粒径增大而降低,细砂岩较粉砂岩抗压强度降低了24.1%,粗砂岩较粉砂岩抗压强度降低了49.4%;（3）砂岩抗拉强度随着粒径增大而减小,细砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了33.2%,粗砂岩较粉砂岩抗拉强度降低了52.3%;（4）砂岩抗压、抗拉强度随着粒径增加分别呈指数、幂函数减小的演化规律和变化特征。     

干湿循环对不同密度砂岩强度劣化的影响

揭示干湿循环过程中砂岩强度的劣化规律对防治失稳岩质边坡具有重要指导意义.以兰州市岩质边坡的砂岩为研究对象,通过抗压、抗拉试验及电镜扫描观察,分析干湿循环对不同初始干密度砂岩强度的劣化影响.研究结果表明,砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度及其劣化速率与干湿循环次数成负相关,单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度与干湿循环次数具有良好的指数关系.同一强度参数中,不同初始干密度砂岩强度参数值的差别随干湿循环次数的增加呈减小趋势.干湿循环次数相同时,随初始干密度的增大,单轴抗压强度、弹性模量和抗拉强度及其劣化程度呈递增趋势.在干湿循环递进的过程中,砂岩的微观结构发生显著改变,不同初始干密度砂岩的微观结构差别逐渐减小.干湿循环对砂岩强度的劣化与循环次数和初始干密度密切相关.     

冻融和疲劳作用下约束混凝土抗压性能试验

为研究疲劳荷载与冻融循环作用下箍筋约束混凝土的单轴抗压性能,对历经不同冻融循环次数与疲劳加载次数下的约束混凝土试件进行单轴受压破坏试验,得到了其应力-应变全曲线,分析了其抗压强度、峰值应变与弹性模量的变化规律,并与经受冻融循环作用与疲劳荷载作用的素混凝土的无量纲化应力-应变全曲线作对比,探讨了箍筋对混凝土的约束效应。结果表明:约束混凝土的抗压强度与弹性模量随疲劳加载次数与冻融循环次数的增加而不断降低;峰值应变则在冻融0～100次期间增大较快,冻融100～200次期间变缓,冻融200～300次期间再次加快;冻融循环作用和疲劳荷载作用一定程度上削弱了箍筋的效果,但经受冻融循环作用与疲劳荷载作用后的约束混凝土,箍筋的约束效果仍较为明显。     

冻融循环对绿砂岩动态抗压性能影响的试验研究

冻融循环对岩石材料的性能有着至关重要的影响.为研究冻融循环对绿砂岩物理及动态抗压强度特性的影响，对冻融0、25、50、75、100次的绿砂岩开展了应变率范围为55.98～151.84 s^-1的动态压缩试验.研究发现，随冻融循环次数增加，质量、纵波波速减小，孔隙率以及饱和吸水率增大. 50次冻融循环后绿砂岩内部损伤严重，饱和吸水率增速逐渐降低，穿晶裂纹及裂纹簇增多.冻融次数对动态抗压强度起劣化作用，应变率对动态抗压强度起强化作用，两者影响机制相反，而冻融次数和应变率增加均会提高砂岩的破碎程度.综合纵波波速和孔隙率建立冻融损伤因子，给出了考虑冻融损伤、应变率的动态抗压强度经验方程.基于纵波波速、孔隙率分别建立的强度衰减模型均能够很好地反映动态抗压强度的劣化规律；动态抗压强度均随纵波波速变化量、孔隙率变化量增加而减小.     

经受疲劳荷载与冻融循环作用后混凝土动态性能研究

采用微宏观结合的方法来研究疲劳荷载与冻融循环作用下混凝土动态性能的劣化规律和损伤机理,对混凝土试件先分别进行冻融循环、疲劳加载和先疲劳加载后冻融循环等3种损伤试验,再进行不同应变率下的单轴动态抗压试验.研究不同应变率下试件的表观损伤、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度的劣化,并结合扫描电子显微镜(SEM)对损伤后的微观形貌进行机理分析.研究表明:仅受冻融作用和先疲劳后冻融作用时,随冻融次数的增加,试件的质量均呈先增后降的趋势,相对动弹性模量均呈逐渐降低趋势. SEM微观试验结果表明先疲劳后冻融作用下,冻融循环使得混凝土内部裂缝数量和宽度均有明显增加,导致混凝土抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低.先受疲劳荷载再受冻融循环作用的混凝土,在冻融次数和疲劳次数相同时,抗压强度随应变率的增加逐渐增大.相比混凝土仅受冻融循环作用,疲劳荷载历史对混凝土的抗冻性有显著劣化作用.受疲劳荷载和冻融循环作用后的混凝土具有明显的应变率效应,而且混凝土损伤越严重,其强度对应变率越敏感.     

基于Weibull分布的冻融循环下纤维混凝土损伤模型

对聚丙烯纤维混凝土（PFRC）、钢纤维混凝土（SFRC）、普通混凝土（PC）进行冻融循环试验,经过冻融循环后,得到PFRC、SFRC、PC的相对动弹性模量、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度,分析冻融循环过程中PFRC、SFRC、PC的冻融损伤率、强度衰减率的演化规律和冻融损伤机理,提出基于Weibull分布的纤维混凝土冻融损伤演化模型,并与推导出的力学性能衰减模型联立得到PFRC、SFRC、PC的相对抗压强度、相对抗拉强度与冻融损伤度的演化模型。结果表明:纤维的掺入能有效减小混凝土的强度衰减和冻融损伤,基于Weibull分布建立的两种冻融损伤模型,可以分别通过冻融循环次数、相对强度预测PFRC、SFRC、PC的冻融损伤度。     

干湿循环下宁明粉砂岩宏微观损伤劣化规律研究

为揭示干湿循环下广西宁明地区粉砂岩损伤劣化规律,首先通过干湿循环试验模拟了岩石失水-吸水过程,分析了干湿循环作用下粉砂岩饱和含水率、纵波波速变化规律,并研究了干湿循环后粉砂岩的单轴压缩力学参数劣化特性以及微观结构变化,然后以弹性模量定义干湿循环后粉砂岩损伤,并基于Weibull分布定义受荷后粉砂岩的损伤,耦合得到了干湿循环作用下受荷粉砂岩的损伤演化方程。研究表明：随干湿循环次数增加,粉砂岩饱和含水率呈非线性增大,纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量呈非线性减小,可采用指数函数进行拟合,且变化趋势均呈现出3个阶段;干湿循环作用对弹性模量劣化程度较单轴抗压强度劣化程度更为显著;阶段劣化度随干湿循环次数的增加而减小,总劣化度随干湿循环次数的增加而增大;峰值应变逐渐增大,岩样塑性得到了显著发展,破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。     

氯盐侵蚀和冻融循环耦合作用下保温混凝土的耐久性

通过混凝土抗冻性能试验,对保温混凝土(TIC)进行氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的耐久性能研究。本文以质量分数3.5%的氯化钠溶液为冻融介质,对保温混凝土的相对动弹性模量、质量损失率、抗压强度、劈裂抗拉强度及氯离子侵蚀情况进行了测试分析。结果表明:氯盐侵蚀加剧了冻融循环的破坏程度,250次冻融循环后TIC的相对动弹性模量降低至60%以下。随着冻融循环次数的增加,TIC的抗压强度和劈裂抗拉强度与冻融次数呈线性关系。氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下,TIC中氯离子扩散规律满足Fick第二定律。     

水化学及冻融循环对砂岩物理力学特性试验研究

以寒区砂岩为研究对象,考虑水化学溶液的侵蚀和冻融循环的影响,开展不同酸性条件下岩石冻融循环试验,引入岩石损伤变量,定量分析砂岩力学损伤规律。结果表明:随着酸性增强及冻融循环次数的增大,砂岩的弹性模量、抗压强度逐渐减小,砂岩内部损伤逐渐增大;酸性条件与冻融循环的耦合作用加剧岩石的损伤,酸性最强条件下(p H=2),经历60次冻融循环试件弹性模量、抗压强度下降55.70%和54.57%;分析砂岩的弹性模量、抗压强度及损伤变量与冻融循环次数关系,定量关系可表征为指数变化关系。建立岩石力学参数损伤变量,对水化学冻融循环耦合机理进行研究,探究岩石力学性质的劣化机制。研究成果将为不同水化学条件下寒区工程长期稳定性分析提供试验依据。     

冻融循环条件下风化花岗岩物理特性的实验研究

为研究风化岩石在冻融循环作用下物理特性的变化情况,选取风化花岗岩为试样,在冻结温度为-40℃,融解温度为20℃条件下分别进行0,10,20和30次冻融循环实验,并进行单轴抗压强度测试。研究结果表明:风化岩石的质量在冻融后增大,且每组岩样的平均质量变化率随着冻融次数的增加而增大;随着冻融循环次数的增加,风化花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量、冻融系数、风化程度系数都逐渐降低;在30次冻融循环作用下,岩样由中等风化岩变为强风化岩。     

冻融循环对混凝土静动力特性的影响

为了解冻融循环对混凝土材料静、动态力学性能的影响规律,在清水和盐水中采用"快冻法"对C60混凝土进行了不同冻融次数后的单轴静压试验和霍布金森压杆冲击试验,分析了混凝土强度变化的原因。试验表明,清水和盐水条件下,混凝土试件的质量损失和相对动弹性模量的损失率随冻融次数的增加而增大,盐水环境中更明显。清水环境下的冻融循环对混凝土的静态抗压强度具有显著影响,但对其动态抗压强度影响不明显;盐水环境下,当冻融次数较少时,混凝土的动态强度表现显著的应变率效应且不受冻融循环次数的影响,但在冻融循环次数达到240次时,混凝土的动态强度显著下降且对冲击速度不再敏感。不同冻融环境对混凝土静、动态强度影响的差异显著。     

白垩系砂岩宏细观冻融损伤特性试验研究

为研究人工冻结对白垩系砂岩物理力学特性的影响,以粗粒、中粒砂岩为研究对象,分别开展了一次冻融前后砂岩饱和吸水率试验、氮气吸附实验;并进行20,-30,20℃等不同冻结过程下的强度测试。试验结果表明:2种岩石经历冻融作用后饱和吸水率均有所增大,粗粒砂岩饱和吸水率增加幅度较大。一次冻融循环后粗粒砂岩比表面积和孔容都增大而平均孔径减小,而中粒砂岩区别于粗粒砂岩的是,其孔容呈现减小趋势。冻融作用下两种岩石单轴抗压强度和弹性模量均有不同程度的降低,粗粒砂岩单轴抗压强度和弹性模量降低幅度大于中粒砂岩。低温冻结提高了试验岩石的单轴抗压强度,粗粒砂岩单轴抗压强度提高幅度大于中粒砂岩。揭示了饱和砂岩物理力学特性劣化内在机理,指出了岩体结构特征及饱和状况是控制不同冻结过程损伤状况的主要指标。     

水泥砂浆冻融循环后单轴抗压强度试验研究

水泥砂浆在使用过程中经常会受到冻融循环的影响。本文通过模拟试验的方法,探讨了不同水灰比水泥砂浆在不同冻融循环次数下的单轴抗压强度和应力应变关系：试验结果表明,随冻融循环次数的增加,水泥砂浆应力应变关系曲线逐渐扁平,峰值应力点明显下降和右移,表明抗压强度降低,峰值应力点的应变成倍地增大。同时,本文得出了冻融循环腐蚀下水泥砂浆抗压强度随冻融次数变化的近似计算模型,对水泥砂浆在复杂环境中的应用有重要的参考价值。     

水环境与冻融共同作用下混凝土力学性能研究

基于不同pH值水环境下冻融循环对混凝土断裂性能影响的研究现状和发展方向,采用加速腐蚀试验、单轴压缩试验与三点弯曲试验,对在酸碱中性溶液中浸泡、再经不同次数的冻融循环后的混凝土的断裂性能及宏观力学特性进行研究。此外,利用IPP（image-pro plus）软件对由电镜扫描获得的混凝土SEM（scanning electron microscope）图像进行分析,并对损伤劣化规律,以及微观层面混凝土腐蚀及冻害破坏机理等方面进行研究。结果表明：虽然水环境的pH值对冻融前的混凝土各力学性能影响不尽相同,但随着pH值的减小,冻融循环作用对混凝土力学性能的破坏趋于严重。不同pH值溶液浸泡后混凝土试件的内部微观劣化规律相似,损失变量与冻融循环次数存在二次函数关系。由此推导出不同pH溶液下不同冻融循环次数后的损伤变量公式。     

基于CT技术的混凝土孔隙结构冻融损伤试验

运用电子计算机断层扫描(CT)技术对经历冻融循环后的混凝土试样细观损伤过程进行实时扫描,获得二维断层扫描图像。在此基础上,运用图像处理技术对孔隙结构进行三维重建,得到不同冻融循环次数下试样内部孔隙结构的空间分布特征与演化规律,以此分析孔隙结构与单轴抗压强度之间的关系。运用分形理论对冻融环境下试样孔隙结构与冻融循环次数的关系进行定量化描述。研究结果表明:试样内部孔隙的结构分布特征和演化规律与其力学性质和宏观破损特征密切相关。在冻融循环作用下,混凝土孔隙率随冻融循环次数的增加而逐渐增大,并与单轴抗压强度呈负相关;混凝土试样孔隙盒维数呈现初期降低后期增加的变化规律,即在孔隙结构的扩展经历了复杂无序—单一有序—复杂无序的演化过程。     

青藏高原片麻岩宏微观冻融损伤特性试验研究

为研究青藏高原等高寒山区岩体在冻融循环作用下的损伤特性,对西藏林芝地区分布广泛的片麻岩开展了不同循环次数下的冻融试验：通过扫描电镜与核磁共振试验,分析了岩样微观孔隙结构的扩展发育特征；采用单轴压缩试验结合声发射技术,获得了岩样宏观力学特性的劣化规律。结果表明：片麻岩微观结构的冻融损伤主要表现为颗粒剥落与微裂纹扩展两种模式,且同一位置处的损伤程度随冻融循环次数的增加先增强后减弱；片麻岩的孔隙度随冻融循环次数的增加而增大,但不同孔径孔隙的变化规律表现出一定的差异性；冻融损伤片麻岩在单轴压缩试验中的声发射活动均可以分为平静期、增长期与陡增期三个阶段,各阶段的声发射信号密度随冻融循环次数的增加而变大,但累计振铃计数和累计能量随着冻融循环次数的增加呈现先增加后减小的趋势；片麻岩试件表面颗粒大面积脱落的阶段与其抗压强度明显降低的阶段相对应。     

砂岩冻融劣化机理的多尺度试验研究

在寒区的工程建设中，冷暖交替所产生的冻融循环是寒区岩石材料劣化的主要原因之一。为了得到寒区环境下岩石的冻融劣化机理，本文选用砂岩作为研究对象，对其开展不同循环次数的冻融循环试验，并进行了一系列宏、细、微观多尺度试验研究。研究结果表明：随着冻融循环次数的增多，砂岩的纵波波速、横波波速与抗压强度均随之降低。冻融循环会粗化砂岩的孔隙结构，循环次数越多，砂岩孔隙粗化的现象越严重，孔隙率也越大。砂岩的孔隙率与孔径分布区间会从0次时的2.17%与0.00028～13.33984μm变为90次时的5.11%与0.00455～43.42236 μm。此外，由于孔隙体积的增大，孔隙之间相互连通会致使砂岩中的孔隙数量随着冻融循环次数的增多而减小。正是因为冻融循环劣化了砂岩的孔隙结构，砂岩试样在宏观尺度上会表现出波速与力学性能的劣化，并使得应力应变曲线中的孔隙压密段应变与峰值应变均随着循环次数的增多而增大。综合多尺度试验结果发现，冻融循环对砂岩的劣化速率随着循环次数的增多而不断加剧。研究成果可为寒区的工程建设提供参考。     

冻融损伤后引气混凝土三轴强度准则研究

青岛海湾大桥为我国北方冰冻海域建设的第一座跨海大桥,为了有效评估冻融后承台引气混凝土的力学性能,开展了引气混凝土在冻融作用后各项基本力学性能衰减规律的试验研究。研究了海水冻融循环次数分别为0、100、200、300次的混凝土应力一应变关系,基于大型动静载伺服刚性试验机,测试受海水冻融后的混凝土应力应变曲线关系,根据混凝土应力应变曲线,总结混凝土弹性模量、抗压强度的衰减规律。根据试验结果建立了引气混凝土考虑冻融循环次数的OTTOSEN强度准则模型。试验现象表明：随着冻融循环次数的增多,混凝土轴心抗压强度、弹性模量等力学性能指标的下降程度均逐渐加大。该强度准则可为建立符合实际工程的混凝土结构冻融后抗裂设计理论提供基础资料。     

冻融作用下聚氨酯透水混合料性能衰减规律

为研究冻融作用对聚氨酯透水混合料（PUPM）性能的影响,通关相应宏观试验对PUPM冻融损伤特性进行多尺度表征。首先测定PUPM质量损失率、吸水率、劈裂强度随冻融次数变化的衰减规律;在不同冻融阶段进行拉拔试验,分析冻融过程中界面抗拉强度的衰减规律及界面破坏形态的变化。试验结果表明,冻融过程中,相比于OGFC ,PUPM质量损失率较大;PUPM吸水率先增大后减小,之后趋于平缓; PUPM的劈裂强度与胶石界面抗拉强度前期衰减较快,后期衰减减缓;冻融初期,胶石界面从粘聚破坏转变为粘附破坏,水的侵蚀是造成界面损伤的重要原因。