不同化学腐蚀下砂岩冻融力学特性劣化的试验研究

通过研究砂岩试样在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和碱性NaOH溶液中浸泡并经历冻融作用后的物理力学特征,分析了砂岩在不同化学溶液中腐蚀30d后及再经历不同冻融循环次数作用后其物理力学特征的变化规律,同时,借助于体视显微镜和SEM扫描电镜对试样微细观结构的损伤劣化进行了观察,并基于孔隙率的变化建立损伤变量来定量的描述试样的损伤劣化程度。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加,浸泡在不同化学溶液中砂岩试样的峰值强度及其弹性模量均呈现出指数函数的劣化趋势,而其峰值应变却按指数函数的趋势增加。不同化学溶液下砂岩试样的损伤程度随着冻融循环次数的增加而逐渐加剧,酸性溶液下试样的损伤程度大于中性溶液和碱性溶液下的损伤程度,碱性化学溶液下试样的冻融损伤程度最小。酸性溶液加剧了冻融作用下砂岩试样的损伤劣化程度,而中性至碱性溶液下起冻融损伤程度却得到一定的缓解。化学腐蚀作用与冻融循环作用相互促进、共同影响着砂岩试样的损伤劣化程度。     

不同化学溶液下砂岩I型断裂韧度及其强度参数相关性的试验研究

本文通过长期浸泡的方法,以陕西铜川新区龙潭水库典型的库岸边坡的砂岩为研究对象,研究了浸泡在不同化学溶液下砂岩的力学特性及其损伤劣化机制,分析了经不同化学溶液腐蚀后试样的物理力学特性随化学腐蚀时间的劣化规律。研究发现：化学腐蚀后砂岩的物理力学特性均发生不同程度的劣化,其随化学腐蚀时间的劣化规律基本一致;但不同化学溶液下试样物理力学特性的劣化程度有所差异,酸性溶液（pH=3.0）加剧了砂岩的劣化程度,中性化学溶液对其损伤劣化程度也有一定的影响,试验初期,强碱性溶液下砂岩的劣化程度最小,但随着化学腐蚀时间的加长,强碱性溶液下的劣化程度逐渐加剧,大于中性溶液下的,但仍小于酸性溶液。化学腐蚀后砂岩试样均呈现出明显的弱化趋势,其断裂韧度KIC、抗压强度和抗拉强度的劣化程度显著,但各力学特征的劣化程度存在明显的差异,其中抗压强度的劣化程度相对减小,而其KIC的劣化程度较大;同时,化学腐蚀后砂岩的断裂韧度与抗拉强度、抗压强度间的一致性比较明显,存在明显线性关系。可以利用不同化学溶液下砂岩的裂纹扩展半径r来间接说明其力学特征发生损伤劣化的程度。     

不同化学溶液下砂岩Ⅰ型断裂韧度及其强度参数相关性的试验研究

论文通过长期浸泡的方法,以陕西铜川新区龙潭水库典型的库岸边坡的砂岩为研究对象,研究了浸泡在不同化学溶液下砂岩的力学特性及其损伤劣化机制,分析了经不同化学溶液腐蚀后试样的物理力学特性随化学腐蚀时间的劣化规律.研究发现:化学腐蚀后砂岩的物理力学特性均发生不同程度的劣化,其随化学腐蚀时间的劣化规律基本一致;但不同化学溶液下试样物理力学特性的劣化程度有所差异,酸性溶液(pH=3.0)加剧了砂岩的劣化程度,中性化学溶液对其损伤劣化程度也有一定的影响,试验初期,强碱性溶液下砂岩的劣化程度最小,但随着化学腐蚀时间的加长,强碱性溶液下的劣化程度逐渐加剧,大于中性溶液下的,但仍小于酸性溶液.化学腐蚀后砂岩试样均呈现出明显的弱化趋势,其断裂韧度KIC、抗压强度和抗拉强度的劣化程度显著,但各力学特征的劣化程度存在明显的差异,其中抗压强度的劣化程度相对减小,而其KIC的劣化程度较大;同时,化学腐蚀后砂岩的断裂韧度与抗拉强度、抗压强度间的一致性比较明显,存在明显线性关系.可以利用不同化学溶液下砂岩的裂纹扩展半径r来间接说明其力学特征发生损伤劣化的程度.     

冻融循环和干湿循环作用下砂岩断裂韧度及其与强度特征相关性的试验研究

以三峡库区岸边坡消落带的典型砂岩为研究对象,针对其实际的赋存环境设计了干湿循环和冻融循环2种试验方案,分别研究了2种试验方案过程中砂岩试样的力学特征,分析了浸泡在不同化学溶液中的砂岩试样经历不同循环次数后各力学参数的变化规律。试验结果表明：干湿循环和冻融循环作用下砂岩试样具有明显的“弱化”趋势,其断裂韧度、抗压强度和抗拉强度劣化趋势基本一致,但试样各力学参数劣化程度却存在差异。其中,断裂韧度KIC的劣化程度最大,抗拉强度次之,抗压强度最小。干湿循环和冻融循环作用过程中砂岩试样各力学参数的劣化程度均非常显著,该现象说明在模拟库岸边坡消落带岩体遭受化学溶液作用时,干湿循环和冻融循环作用均是不可能忽视的影响因素。但比较而言,在冻融循环作用下砂岩试样各力学参数劣化程度更加显著。不同的化学溶液对砂岩试样力学特征的损伤劣化程度的影响有所不同,酸性化学溶液加剧了砂岩的劣化程度,而SO42-离子对砂岩劣化的影响大于HCO3-离子的。     

冻融环境下混凝土损伤劣化机制的力学试验研究

通过对自然状态以及饱水状态下的混凝土试样分别进行冻融循环试验,并在不同冻融循环次数后对混凝土试样进行单轴压缩强度测定,研究了材料弹性模量、抗压强度、应力应变关系等力学特性的变化规律,以此分析了在冻融环境下混凝土材料的损伤劣化机制。结果表明:混凝土冻融损伤劣化模式具有多样性,随着冻融循环次数的增加,混凝土试样逐渐呈现出颗粒脱落、微裂纹萌生扩展、剥蚀和块落等多种形式相结合的损伤劣化模式;而试样弹性模量及强度明显减小,且强度受水影响非常显著。该研究从试验角度解释了在冻融环境下混凝土力学性能的变化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测、防治提供了较可靠的试验与理论依据。     

冻融环境下红砂岩力学特性试验及损伤分析

将实验研究与损伤力学理论分析相结合,对红砂岩进行饱水状态下的冻融循环试验及不同冻融次数下的力学特性试验,分析了岩石的冻融损伤劣化过程,系统研究了岩石的变形破坏规律及损伤扩展力学特性.研究表明:红砂岩呈现出剥落和断裂的冻融损伤劣化模式;随着冻融次数的增加,岩石的强度及弹性模量急剧降低,并表现出压密性增大、弹性减弱、塑性增强的特征;岩石初始细观结构的缺陷经过损伤的非线性演化,表现出宏观力学性能的劣化.     

化学腐蚀对混凝土材料力学特性影响的试验研究

对不同水化学环境腐蚀过程中砂浆试样物理力学性质进行了试验研究,分析了溶液pH值、浓度及水化学成分对砂浆的腐蚀程度,探讨了砂浆试样的化学腐蚀机制。试验结果表明:在相对封闭的环境条件下,无论是哪种水化学溶液,随着化学侵蚀时间的加长,溶液的pH值均趋于碱性;同时,溶出的Ca2+、Mg2+离子具有累积性特点。在其他条件相同的情况下,水化学溶液的离子成分对砂浆试样的腐蚀程度各不相同。酸性条件下,Na2SO4溶液砂浆试样物理化学性质的影响要比NaHCO3溶液大;中性条件下,与纯净的蒸馏水相比,Na2SO4溶液对砂浆试样的腐蚀作用要强一些。     

酸性与高温环境下花岗岩力学性能试验研究

在各种复杂环境下,冻融循环作用后岩石的力学特性是岩石力学与工程中的一个重要课题.作者用四种不同浓度的硝酸溶液模拟实际工程中的工业废水,用400°高温处理后的岩石模拟实际工程中的高放射性核废料中的岩石.通过花岗岩在0％、1％、3％、5％四种浓度硝酸溶液和一组高温共同作用的冻融腐蚀循环实验,研究了岩石质量、峰值应力和峰值应变随酸性溶液浓度变化的规律,发现岩石在酸性环境下的冻融循环损伤更为严重.基于Rabtnov损伤力学的概念,得出损伤变量D变化曲线,揭示了花岗岩力学性能劣化与溶液浓度的关系,为今后冻融腐蚀循环条件下岩石力学性能的研究提供一定的试验、理论基础.     

水化学-冻融循环作用下砂岩三轴蠕变及细观损伤试验研究

为了研究化学溶液侵蚀和冻融循环耦合下西南地区砂岩的蠕变特性,研究了不同化学溶液浸泡的黄砂岩试样经0次、15次、30次、45次和60次冻融循环后的三轴蠕变性质,结合SEM和核磁共振成像分析了劣化细观特征。结果表明:同一化学溶液侵蚀下随着冻融循环次数的增加,岩样的瞬时应变和稳态蠕变率呈指数形式增大,长期强度逐渐降低;相同冻融循环次数下,H_2SO_4溶液对岩样的损伤程度最大,NaOH溶液次之,NaCl溶液最小;在冻融循环60次之后,岩样的长期强度总体降幅为9.47%;NaCl与H_2SO_4侵蚀效果比较,岩样的长期强度总体降幅为4.33%;相同冻融循环次数下,不同化学溶液侵蚀下岩样孔隙度P_(PH=4)P_(PH=10)P_(PH=7),且岩样损伤是由表及里,由两端向中部发展的。研究结果为进一步研究多场耦合作用下岩石工程长期稳定性提供理论依据。     

考虑岩石微元强度呈对数正态分布的冻融岩石损伤特性

冻融环境下准脆性岩石损伤力学特性对寒区工程建设有重要影响。由于准脆性岩石存在特征长度，其尺度效应不再符合Weibull尺度效应统计理论。本文以准脆性岩石为研究对象，考虑准脆性岩石微单元强度服从对数正态分布的条件下，依据D-P破坏准则，运用损伤力学理论建立了围压作用下冻融准脆性岩石的损伤本构模型，对冻融准脆性岩石损伤力学特性进行了探讨。研究表明，（1）采用对数正态分布建立的冻融准脆性岩石损伤力学本构模型与试验结果一致，该模型反映出冻融环境下准脆性岩石总损伤沿应变、围压和冻融循环路径相互作用，能够揭示出准脆性岩石损伤演化的本质特征。（2）冻融与围压共同作用下，准脆性岩石应力-应变变化关系可划分为线弹性阶段、非线性强化阶段、应力减弱阶段以及应变衰退阶段。（3）当准脆性岩石所受围压一定时，冻融次数是使准脆性岩石冻融受荷总损伤增大的关键因素。冻融循环次数对准脆性岩石的损伤劣化起促进作用；当准脆性岩石所受冻融循环次数不变时，冻融受荷总损伤随围压增大而减小，即围压对准脆性岩石力学性能劣化起抑制作用。相关研究成果对寒区岩体工程安全稳定性评价有一定的理论参考价值。     

水分及冻融循环对红砂岩物理力学特性的影响

将干燥红砂岩进行饱水及开放系统下的冻融循环实验,并对干燥、饱水及经历一定冻融次数后的试样进行单轴压缩实验,系统地研究了红砂岩的遇水软化性及冻融损伤劣化特性,分析了岩石的弹性模量、强度、应力-应变关系的变化规律。结果表明：在水分的作用下,红砂岩的弹性模量及强度显著降低,且强度受水分影响引起的损伤较弹性模量大;水分及软弱结构面的存在促进了岩石的冻融损伤劣化,并伴随着岩石延脆性性质的改变,最终在冻融循环的作用下完全崩解;在寒区岩体工程设计和施工过程中,必须考虑水分和温度对工程稳定性的影响,采取加强防排水及隔热保温技术等综合防治措施减少冻融灾害。     

长期冻融循环引起黄土强度劣化的试验研究

以陕西杨凌地区黄土为研究对象,进行了不同含水率、不同干密度的黄土在不同冻融循环次数作用下的直剪试验,探索出进行黄土反复冻融循环试验的方法和控制标准,探讨了封闭系统下黄土在反复冻融循环作用下的抗剪强度劣化特性规律。试验结果表明:黄土在反复冻融循环作用下,表面破坏比较严重; 随着冻融次数的增加,黄土的黏聚力先减小后增大,最低值发生在10次冻融循环之内; 内摩擦角基本不变; 反复冻融循环作用在3～5次对黄土强度有较大的影响,会导致黄土强度的劣化现象发生,但长期冻融作用则会主要体现在对黄土表面的变形破坏等其他方面。     

片岩损伤裂隙系统生成及裂隙率间接定量表征方法研究

在岩石试验机上对标准片岩试件进行轴向预压,使试件内部微裂隙自由扩展、连通,以模拟工程扰动形成的损伤裂隙系统．采用纵波波速间接定量表征片岩试件的损伤,从而得到含有一定损伤裂隙系统的标准片岩试件,用于研究经受一定损伤作用后岩石的物理、力学等特性．对预压后的试样进行冻融循环试验,并对不同冻融损伤状态下的试件进行超声波测试和单轴压缩。经非线性回归分析发现,纵波波速和单轴抗压强度之间相关性显著．研究方法和成果对于岩石损伤的定量表征和含一定损伤岩石试件的制备具有指导意义．     

考虑冻融和紫外线双因素影响的寒区混凝土坝抗震性能研究

为分析冻融循环和紫外线对寒区混凝土坝抗震性能的影响，进行了双因素下坝体材料动力性能试验研究和高坝动力特性分析。考虑寒区紫外线辐射量及冻融循环次数，使用紫外线老化箱和冻融循环试验机模拟实际工况，得出紫外线辐照时间及冻融循环次数与寒区混凝土材料动态性能的影响规律；基于试验结果，利用数值方法分析了双因素对大坝动力损伤的影响。结果表明：与理想环境相比，紫外线辐射会降低混凝土的抗压强度和弹性模量；与单一冻融循环因素相比，紫外线与冻融循环双因素加剧了混凝土劣化；强震时，冻融和紫外线对混凝土的劣化影响，增加了大坝的损伤破坏程度。上述试验结果有助于更好地研究多因素对混凝土高坝动态力学性能的影响，可为寒区大坝抗震设计提供参考。     

冻融循环作用下再生混凝土砖砌体通缝受剪试验研究

本文报导了对冻融循环作用下96个再生混凝土砖砌体抗剪试件进行的沿通缝抗剪试验。研究涉及冻融循环对再生混凝土砖砌体抗剪力学性能的影响,对比分析不同胶结材料试件的破坏形态及其抗剪强度,揭示冻融损伤对再生混凝土砖砌体抗剪强度的影响规律,并从微观角度探讨砂浆孔隙变化对砖砌体抗剪承载力的影响,建立再生混凝土砖砌体抗剪强度冻融损伤衰减模型。结果表明:砖砌体抗剪强度受冻融环境影响非常明显,其抗剪强度随冻融循环次数的增加而降低,降低的速度呈现出先慢后快的趋势;粉煤灰的加入有助于改善冻融环境下砖砌体的抗剪能力;对于石灰砂浆抗剪试件,初期的抗剪能力及冻融后的抗剪能力均下降;建立了考虑冻融损伤影响的砖砌体抗剪强度衰减模型,试验数据与计算结果吻合较好。     

化学腐蚀后砂岩三轴压缩力学特性及其能量机制的试验研究

为研究不同化学溶液对砂岩力学性质及能量特征的影响,采用不同的水化学溶液对砂岩试样进行腐蚀,利用WDT-1500多功能材料试验机对化学腐蚀后饱和状态与自然状态的试样进行常规三轴压缩试验。试验结果表明:化学腐蚀后砂岩试样的强度及其抗变形能力呈现不同程度的劣化;化学腐蚀后砂岩试样的峰值应变小于相同围压下自然状态试样的峰值应变,与单轴压缩条件下不同,这可能是由于围压和化学溶液共同作用的结果;砂岩试样的似软化系数与围压之间呈现负相关性,同时,其降低速率随着围压的增加而降低。砂岩试样峰值前吸收的能量绝大部分是以可释放弹性应变能Ue形式储存下来的,而化学腐蚀后砂岩试样以Ue形式储存下来的能量占其总吸收应变能的百分比却有所下降;同时,围压与试样的可释放应变能/应变能比值之间呈负相关性,而与耗散能/应变能比值存在正相关性;岩石脆性指标修正值呈现不同程度的增加,试样的脆性减弱延性增强,即塑性变形增加,塑性变形与耗散能之间具有很好的线性特征。溶液的pH值、浓度和化学成分对砂岩试样峰值处各部分应变能的影响显著。     

冻融循环作用下沥青混凝土分形断裂特性研究

沥青混凝土作为一种主要的路面材料，暴露于外部寒冷环境下冻融损伤是不可避免的。通过对经历不同冻融循环次数的沥青混凝土试件进行CT扫描，采用数字图像处理技术对CT灰度图像进行处理分析，可获得其内部冻融损伤情况。基于分形理论量化表征了冻融循环作用下内部裂纹扩展的几何特征。沥青混凝土经过冻融循环后的断裂韧性被认为是决定其力学性能损伤程度的关键指标，建立了考虑分形特征的临界裂纹应力、应力强度因子和断裂韧性方程。研究发现：平均分形维数反映了冻融循环过程中的波动特征；断裂韧性由裂纹几何参数决定；弹性模量、临界开裂应力及断裂韧性等力学参数随冻融循环次数的增加而逐渐减弱。     

不同粒径砂粒水泥砂浆冻融破坏实验研究

为研究颗粒粒径差异对水泥砂浆冻融破坏的影响,对不同粒径砂粒水泥砂浆试件进行冻融循环实验,测试不同冻融循环周期后水泥砂浆立方体抗压强度,并利用扫描电子显微镜(SEM)对不同粒径砂粒试件破坏面进行观察,分析冻融循环条件对不同粒径砂粒试件破坏形态及其物理力学性质变化规律的影响。结果表明:随冻融周期增加,粒径30目试件表面以颗粒脱落为主,粒径40目试件表面以片状剥落为主。纵波波速以及单次冻融前后质量差值均随冻融周期增加而降低。在冻融循环前期,水化反应对试件力学性能影响占主导地位,造成试件抗压强度、弹性模量增加,冻融循环后期,冻融损伤加剧,微裂纹、微孔洞扩展造成抗压强度、弹性模量降低。相同冻融周期后,纵波波速、抗压强度和弹性模量随粒径减小而降低。提出改进的微观颗粒胶结物理模型,解释了不同粒径水泥砂浆冻融破坏机制。     

冻融循环作用下不同埋深的嵌贴CFRP-混凝土界面粘结性能的试验研究

通过18个表层嵌贴CFRP-混凝土拔出试件的试验,考察了不同冻融循环次数下有着不同CFRP埋深的试件的粘结承载力、破坏模式以及CFRP的应变分布等,分析了不同冻融循环次数下嵌贴CFRP-混凝土界面的粘结行为;以及在冻融循环作用下,不同CFRP板条埋深对嵌贴CFRP粘结性能的影响。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,试件的破坏模式由CFRP板的拉断破坏转变为试件粘结界面的破坏,试件的粘结承载力呈下降趋势,冻融侵蚀对CFRP-混凝土界面粘结性能产生了明显的劣化作用;在室温环境下,CFRP埋置深度对CFRP-混凝土界面粘结性能影响不明显;在冻融循环作用下,CFRP板条埋置深度为10mm时,其CFRP-混凝土界面粘结性能受冻融循环侵蚀的劣化作用较其他试件更明显。     

基于核磁共振的冻融片麻岩蠕变特性试验研究

为探讨寒冷地区隧道围岩的长期稳定性,选取吉林省辉白隧道中的片麻岩进行冻融循环后三轴蠕变试验,分析讨论了冻融循环作用对片麻岩蠕变特性的影响机制。并对不同冻融循环后的同一岩样进行核磁共振(NMR)检测,得到同一岩样不同冻融循环次数后的横向弛豫时间T_2分布。试验结果表明:随着冻融次数的增加,岩样经历的蠕变时长缩短,承受的加载等级逐渐减少。同时冻融循环温度的幅度对片麻岩的各蠕变参数也有一定影响,冻融后片麻岩在长期荷载作用下的破坏模式为剪切破坏,随着冻融次数的增加,岩石的破裂程度越来越严重。本文研究结果对于寒区工程的全寿命周期评价具有参考意义。