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关键词： 图像处理   结构健康监测   混凝土裂缝   深度学习   眼动追踪  

摘要： 混凝土在众多工程建设领域中都有着广泛的应用，包括但不限于工业、民用建筑以及道路建设等。然而，由于受到外界环境的不利影响，长期承受高强度负荷以及内部钢筋锈蚀等问题，混凝土结构常常会产生裂缝。裂缝的存在会对混凝土的品质和使用寿命造成负面影响，严重危及混凝土结构的安全性和稳定性，甚至有可能引发坍塌事件，对人民的生命财产安全带来威胁。因此，为确保建筑物的牢固和安全，必须进行混凝土裂缝检测。针对检测混凝土裂缝的任务，传统的人工检测虽然泛化性高，但效率较低。而计算机视觉检测算法虽然精度高，但模型泛化性较差。因此，研究的重点是探索混凝土裂缝辅助识别方法、裂缝语义分割模型以及裂缝测量，以提高检测的准确性和效率。　　首先，为了融合人工检测和计算机检测方法的检测优势，提出一个基于眼动追踪和深度学习的混凝土裂缝辅助识别方法。该方法提出了一种眼动裂缝特征提取算法，利用人眼眼动数据计算注意力系数，确定人眼对各区域的兴趣程度。然后，使用在公共数据集CODEBRIM和人眼兴趣程度高的小块区域图片中训练ResNext分类模型进行分类。最后将分类为裂缝的图片输入到U-Net图像分割模型中提取裂缝目标，实现对混凝土裂缝的辅助检测。通过在数据集的测试集上进行眼动交互定位实验和裂缝识别实验，验证该方法的有效性。　　其次，针对复杂场景中裂缝图像分割模型泛化能力差的问题，提出融合空间通道注意力的多尺度特征级联语义分割网络模型。该模型首先通过带有深度可分卷积和逆瓶颈结构的ConvNext网络，提取更丰富的裂缝特征。然后，基于ASPP模块和yolo-v7的SPPCSPC模块，通过模拟人眼视觉的策略调整模块的空洞卷积比率，提出ASPPCSPC模块，用于增强模型对特征细部的感知。最后在特征金字塔的横向连接中加入空间通道注意力机制，提升模型对于低阶特征空间与通道信息的感知，使分割目标边缘更平滑。通过在CRACK500和DeepCrack开源数据集上对比主流语义分割模型性能并进行模块消融实验，验证该模型的分割精度和泛化能力。　　最后，提出了一个混凝土裂缝混合测量算法，解决了最短距离法重复测量和正交投影法过量测量的问题。该算法对裂缝分割图进行形态学分析，提取裂缝的轮廓和骨架，并对骨架冗余分支进行剪枝，通过主成分分析获取裂缝骨架的传播向量和正交向量，提高算法对裂缝传导方向的敏感性。此外，利用二维码对裂缝局部区域定位并计算像素与真实尺寸的比值，经实验验证可以实现对真实裂缝尺寸的精细化测量。

关键词： 高贝利特硫铝酸盐水泥   酒石酸   柠檬酸   碳酸锂   硼酸  

摘要： 传统硅酸盐水泥在生产过程中不仅会消耗大量能源,同时还会排除大量CO2,这不利于实现我国提出的“双碳”目标,而高贝利特硫铝酸盐水泥的生产相较于普通硅酸盐水泥其CO2的排放更少,同时高贝利特硫铝酸盐水泥具有早强高强、快凝快硬、微膨胀、低干缩、抗冻抗渗、抗腐蚀等优异的性能。但高贝利特硫铝酸盐水泥依旧存在一些不足,例如初凝过短不易施工、生产成本偏高、后期强度发展缓慢、流动度不足等缺点。为了进一步扩大高贝利特硫铝酸盐水泥的应用,研究改进高贝利特硫铝酸盐水泥的相关性能将对高贝利特硫铝酸盐水泥的推广与应用有着重要的意义。本文研究了碳酸锂、酒石酸、硼酸、柠檬酸对高贝利特硫铝酸盐水泥凝结时间、抗压强度、流动度的影响,同时测试了水泥不同龄期的水化产物。研究表明:在单掺碳酸锂时水泥28 d随着碳酸锂的用量增加而增加,而凝结时间和流动度却随之减少,当碳酸锂的用量达到0.1%时其初凝与终凝时间仅有25 min与33 min。当加入酒石酸、硼酸、柠檬酸的水泥强度则呈现先增加后减少的趋势,而当这些缓凝剂加入过量后会大幅度降低水泥强度。在凝结时间方面柠檬酸、酒石酸和硼酸都会随着其用量的增加使水泥的凝结时间也增加,只不过硼酸的掺量只有达到0.5%才能看见明显的变化。在流动度方面掺入酒石酸和柠檬酸的水泥流动度呈现先增加后减少的趋势,而硼酸却是一直增加。为了将这些外加剂的优点结合起来得到所需的性能,本文通过将碳酸锂分别和酒石酸、硼酸、柠檬酸复合掺入水泥观察其性能,研究得出以下结论:（1）酒石酸和碳酸锂复配对水泥的凝结时间影响最大。当碳酸锂掺量为0.05%酒石酸的掺量为0.25%时水泥的初凝时间达到298 min终凝时间达到了323 min,这使得在现场施工的时间得到了很大的提升,而强度相对于未加入外加剂的水泥提升了10 Mpa以上。（2）柠檬酸和碳酸锂复配对水泥的强度提升最大。当碳酸锂掺量为0.1%柠檬酸的掺量为0.3%时该水泥1 d、7 d和28 d的抗压强度相对于空白对照组（未加入任何外加剂的水泥）增加了17.9 Mpa、23.3 Mpa、28 Mpa,其初凝时间从对照组的30 min提升到104 min、终凝时间从60 min增加到114 min,这既增加了水泥初凝的时间又减少了初凝时间与终凝时间之间的间隔,同时流动度在原有基础上也得到了提升。（3）硼酸和碳酸锂复配对水泥的影响相对上面两组来说波动比较大。在凝结时间方面当硼酸的用量超过0.5%时水泥的凝结时间才得到显著提升,在抗压强度方面当硼酸掺量为0.1%时强度达到最大,可其掺量一旦超过0.1%那么水泥的早期强度就会急速下降,且其流动度变化却不大。本文通过外加剂对高贝利特硫铝酸盐水泥宏观性能影响,发现其内在规律并通过X射线衍射（XRD）与扫描电镜（SEM）分析产生宏观现象的微观原理。并在理论上为高贝利特硫铝酸盐水泥改性提供相应的参考和为高贝利特硫铝酸盐水泥的实际应用提供理论支撑与技术指导。

关键词： 橡胶混凝土   力学性能   抗冻性   抗渗性   硫酸盐侵蚀  

摘要： 随着经济社会的发展,普通混凝土材料已经越来越满足不了建筑工程的要求。将废弃的橡胶颗粒掺入到混凝土中制备橡胶混凝土,相较于普通混凝土,橡胶混凝土的力学性能有所降低,但其耐久性能、韧性、抗冲击性能、降噪隔声等性能都会有不同程度的提高,同时也解决了废弃橡胶的回收问题,降低了环境污染,有益于环境的可持续发展。目前对于橡胶混凝土的研究较少,无法使橡胶混凝土广泛的应用到实际工程当中。本文以60～80目、30～40目、20～30目3种粒径及5%、10%、15%、20%4种不同掺量的橡胶颗粒掺入到混凝土中制备橡胶混凝土,研究其力学性能和耐久性能,具体研究结果如下:(1)掺入橡胶颗粒后混凝土的力学性能有所降低。将橡胶颗粒用等体积取代法取代混凝土中的细骨料,分别测试各组混凝土试件的抗压强度及抗折强度。研究结果表明,橡胶的掺入会使混凝土的抗压强度和抗折强度降低,掺量为5%时,橡胶混凝土的抗压、抗折强度最高,掺量增加时,强度也随之下降,5%掺量时,3种粒径的抗压强度较基准混凝土分别降低了16.4%、26.42%、30.05%,抗折强度较基准混凝土分别降低了1.69%、2.75%、3.81%,相同掺量下,粒径越大,强度下降越多,对混凝土强度影响也越大。(2)掺入橡胶颗粒后混凝土的抗冻性能提高。橡胶掺量为15%时,冻融次数分别在50、75、100次时,其质量损失率为0.16%、0.31%、0.38%,相较于其他掺量质量损失最低,动弹性模量下降较小,抗冻性能的改善效果更好。(3)掺入橡胶颗粒后混凝土的抗氯离子渗透性能在一定掺量范围内有所提高。随着橡胶掺量的增加,混凝土的抗渗性能先提高后降低,橡胶掺量为5%时,电通量最小,抗渗性较好,超过5%后,电通量又会增加,故掺量在5%时对抗渗性的改善效果最好。(4)掺入橡胶颗粒后混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能在一定范围内有所改善。采用干湿循环法进行试验,侵蚀前期混凝土质量有所增加,但变化不大,强度较基准混凝土也有所改善,60次干湿循环抗压强度较未进行干湿循环时分别增加了7%、12%、21%、4%、6%、11%、12%、3%、10%、13%、14%、24%,此时强度达到最高,后期强度下降较快,达到150次干湿循环时,强度较未进行干湿循环时分别降低了4.8%、4.1%、0.9%、15.7%、16.1%、8.6%、8.8%、20.7%、18.9%、8.5%、9.2%、22.0%、10.3%,在一定范围内,掺量增加时,强度也会有所提高,橡胶混凝土抗硫酸盐侵蚀性能提高,若掺量过多反而会引起强度下降,同时随着侵蚀周期的增加强度也跟着下降,粒径在60～80目范围内改善效果最好。

关键词： 水性环氧涂层钢筋   耐久性   电化学测试   Wiener过程   寿命预测  

摘要： 严酷环境下混凝土结构中钢筋锈蚀严重,这将直接影响结构的安全性及服役寿命,应用环氧涂层钢筋是提升严酷环境下混凝土结构耐久性的重要手段。传统熔结型环氧涂层钢筋普遍存在脆性大、耐候性差等问题,对此本课题组自制了聚氨酯增韧水性环氧涂层钢筋,其具有低成本、高延性及绿色环保等优点。本文针对严酷环境下水性环氧涂层钢筋混凝土的耐久性问题,开展了加速腐蚀试验,并利用一元Wiener随机过程建立了基于钢筋腐蚀电流密度的寿命预测模型。主要研究内容及结果如下:（1）针对海洋环境,选用人工海水对涂层钢筋混凝土试件进行长期浸泡和干湿循环加速腐蚀试验,应用电化学方法测定不同混凝土强度及保护层厚度下涂层钢筋的腐蚀电流密度值(Icorr)及阻抗谱（EIS）变化,分析水性环氧涂层钢筋混凝土在氯盐环境下的耐腐蚀性能。试验结果表明养护28 d后裸钢筋的腐蚀电流密度就已超过0.1μA·cm-2,即钢筋已处于非钝化状态。长期浸泡270 d后,当混凝土强度为C30时无论保护层厚度为25 mm还是40 mm,裸钢筋Icorr均已超过0.5μA·cm-2达到中度锈蚀状态,而涂层钢筋在C30混凝土中Icorr仍维持在0.02μA·cm-2左右。混凝土强度为C60时,裸钢筋Icorr超过0.2μA·cm-2,涂层钢筋Icorr仍维持在10-3μA·cm-2～10-4μA·cm-2之间。干湿循环40个周期后,在保护层厚度为25 mm的C30混凝土中,裸钢筋Icorr为2.14μA·cm-2,钢筋已严重锈蚀,水性环氧涂层钢筋Icorr为0.0622μA·cm-2,钢筋仍处于钝化状态;C60混凝土中,EIS阻抗图谱显示水性环氧涂层钢筋在|Z|0.01m Hz处阻抗值在10～7Ω·cm2,比裸钢筋高3个数量级。结果表明,水性环氧涂层在氯盐侵蚀环境中对钢筋具有优异的防护效果。（2）针对盐渍土环境,采用2%Na2SO4+3.5%Na Cl腐蚀溶液进行烘浸循环加速腐蚀试验。40个周期后,在保护层厚度为25 mm的C30混凝土中,裸钢筋Icorr超过1μA·cm-2达重度锈蚀状态,而水性环氧涂层钢筋Icorr为0.019μA·cm-2,市售粉末涂层钢筋为0.0108μA·cm-2;C60混凝土中,涂层钢筋Icorr远低于裸钢筋,表明涂层能够长久有效地避免钢筋锈蚀,提升钢筋混凝土寿命。（3）选择钢筋腐蚀电流密度为耐久性退化量,利用Wiener随机过程对钢筋腐蚀电流密度的退化过程进行建模,采用极大似然法进行参数估计,建立了基于腐蚀电流密度的钢筋混凝土寿命预测模型。采用MATLAB软件编制了可视化寿命预测程序,可计算不同可靠度水平下涂层钢筋混凝土的服役寿命。以人工海水长期浸泡环境下涂层钢筋混凝土为例,经程序计算C30混凝土、保护层厚度25 mm条件下,自制水性环氧涂层钢筋混凝土、静电粉末环氧涂层钢筋混凝土的Icorr达到阈值0.2μA·cm-2的预测结果分别为1585 d、1602 d,而裸钢筋在相同条件下至60 d时其腐蚀电流密度超过0.2μA·cm-2。结果表明水性环氧涂层钢筋能有效提高工程结构服役寿命,且防腐性能与市售静电粉末环氧涂层钢筋相当。

关键词： 混凝土   外加剂   收缩开裂  

摘要： 外加剂是用于混凝土拌和中改变混凝土性能的重要化学物质，其品种和用量的不同会对混凝土性能产生不同影响。为了利用外加剂增强混凝土抗裂性和预防收缩徐变，文章通过试验分析外加剂对混凝土收缩开裂的影响，确定外加剂品种与掺量的不同对混凝土收缩开裂的具体影响，旨在探寻外加剂与砂浆收缩、混凝土开裂之间的关系，为合理选择外加剂和科学控制外加剂掺量提供参考。

关键词： 第一性原理计算   碱金属电池电极   氮还原反应   电催化剂   β-In2Se3   过渡金属酞菁分子  

摘要： 随着世界人口数量不断增加及工业的持续发展,新能源开发和环境保护已成为全球性的热门话题。开发可持续的绿色清洁能源装置和技术对人类社会的可持续发展具有长远意义。可充电离子电池作为一种新型储能装置,已广泛应用于手机、电脑、电动汽车、大型电网系统等领域。其中,作为离子电池重要组成部分的负极材料在电池充放电过程中起着关键性作用。然而,传统负极材料表现出容量低、吸附活性位点少、扩散势垒较高等问题,现已无法满足实际应用需求,在这一背景下,进一步研究探索出高容量、稳定性强、循环寿命长的高性能新型负极材料是当今迫切需要解决的问题。除了开发二次离子电池,我们还可以采用低能耗的新型技术改进工业生产以应对当前能源问题。氨作为一种无碳清洁燃料和绿色能源载体,在农业、化工等产业中是不可或缺的。鉴于目前工业上合成氨技术主要依赖于反应条件苛刻、转换效率低、能源消耗和环境污染严重的Haber-Bosch工艺,电催化氮还原反应合成氨作为一种能耗低、清洁环保及可持续的替代技术,引起了科研人员的广泛兴趣。现阶段,催化剂的活性以及选择性是电催化氮还原合成氨过程中面临的主要挑战,因此设计高性能的电催化剂是当前电催化合成氨技术中的重中之重。针对以上可以缓解当前能源及环境危机的两个问题,本论文通过第一性原理计算方法,探索了二维层状材料β-InSe作为Li/Na/K离子电池负极材料的可行性,及过渡金属酞菁分子(TM@CHN)作为氮还原合成氨电催化剂的催化性能,主要研究内容和结果如下:（1）系统研究了Li/Na/K离子在β-InSe单层上的吸附及迁移特性。首先通过声子谱和分子动力学模拟验证了β-InSe的热动力学稳定性。其次,计算出Li/Na/K离子在β-InSe上的吸附能分别为-1.93、-1.96和-2.48 e V,该结果表明β-InSe具有优异的离子亲和力。此外,与已报道的多种负极材料相比,Li/Na/K离子在β-InSe上的扩散势垒极低,分别为0.20、0.14和0.09 e V,说明β-InSe单层表面的离子迁移率更高。最后,对于Li和Na/K离子,计算出的理论比容量分别为115和230 m Ah/g,体积容量分别为698和1396 m Ah/cm,能量密度分别为180、426和413 m Wh/g。由此可见β-InSe是一种很有前景的离子电池负极材料。（2）设计了一系列的过渡金属酞菁分子(TM@CHN,TM=Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、W、Re)作为氮还原氨的电催化剂,并系统研究其催化性能。计算结果表明Nb、Mo和Tc体系能够有效地吸附及活化N分子,且通过连续机制进行反应有着较低的初始电位,分别为-0.50、-0.43、-0.64 V。其中Tc@CHN分子体系对于氮还原反应具有极高的选择性,其法拉第效率约为99.9%,能有效抑制析氢反应的发生。以上结果说明Tc@CHN催化剂具有良好的稳定性、优异的N吸附及活化能力、低初始电位和高选择性等特点,是一种性能优异的氮还原反应合成氨的电催化剂。

关键词： 码头碳效益   数据驱动   寿命预测   碳效益评价体系   全寿命周期评价   机器学习  

摘要： 碳减排问题已经是全球关注的焦点,我国制定了―碳达峰‖、―碳中和‖两大目标,―双碳‖目标既要节能减排、应对气候变化,又要促进经济发展。码头作为典型的建筑工程项目,从初始策划到寿命终止包含多个环节,碳排放与经济效益并存,需要一个综合碳排放、使用寿命、经济效益三个指标的评价体系,让评估结果更加全面,为码头工程生产建设的综合决策提供理论支持。 对码头混凝土耐久性剩余寿命、全寿命周期和碳效益相关研究现状进行了综述与分析,对码头混凝土耐久性剩余寿命、全寿命周期、碳效益和碳交易相关理论基础进行了概述,对码头混凝土寿命预测以及码头碳效益评价所需要的神经网络、樽海鞘群等基础算法进行了介绍,为码头全寿命碳效益研究奠定了基础。 提出了码头碳效益的概念,从普通码头、绿色码头、运营期普通码头、运营期绿色码头四个角度构建碳效益模型。通过控制变量法和黏菌算法建立了码头碳效益优化框架。基于碳效益评价模型及优化方法,初步建立了码头全寿命碳效益评价体系,探讨了其内涵和特点。 分别从碳化环境和氯盐环境两个角度,对码头混凝土剩余寿命预测问题开展了研究。在以空气区为代表的碳化环境下,分析了相关特征参数的映射关系,并基于樽海鞘群算法和BP神经网络建立了碳化环境下混凝土寿命预测模型,实现了耐久性数据驱动的碳化环境下码头混凝土剩余寿命预测。在以水位变动区为代表的氯盐环境下,分析了相关特征参数的映射关系,基于飞蛾扑火算法和支持向量回归算法建立了氯盐环境下混凝土寿命预测模型,实现了小样本氯盐环境下码头混凝土剩余寿命预测。研究成果为耐久性数据驱动的码头混凝土剩余寿命预测提供了解决方案,为运营期码头碳效益优化研究提供了支撑。 基于全寿命理论,以码头为研究对象,分析了设计、施工、运营、维护及报废等阶段的碳排放和经济特性,分别构建了普通码头和绿色码头全寿命碳效益模型。基于控制变量法和黏菌算法,研究了码头碳效益优化问题,结合实例,对碳效益模型进行了应用,通过碳效益指标与碳效益之间的影响规律研究优化方法,证明普通码头优化程度优于绿色码头,为码头全寿命碳效益研究提供支撑。 针对进入运营期的码头,结合环境类型、构件类型、使用时长等耐久性数据,对运营、维护及报废等阶段进行经济与碳排放分析,构建了基于耐久性数据挖掘的码头碳效益模型,结合实例,对碳效益模型进行了应用,研究碳效益指标与碳效益之间的影响规律。提出了运营期码头碳效益优化方法。通过案例研究,得出碳效益相比未使用优化方法的码头提高了379.79%,提出了进入运营期的码头碳效益优化建议。 以码头全寿命碳效益概念为基础,以码头全寿命碳效益计算和优化为目标,以不同阶段不同类型码头碳效益模型和求解方法为手段,结合不同环境下耐久性数据驱动的码头混凝土寿命预测,形成码头全寿命碳效益评价体系。在某具体海港码头工程项目中应用码头全寿命碳效益评价体系对该码头做了实例研究,进一步验证了码头全寿命碳效益评价体系,可以有效地进行码头全寿命碳效益评价及优化,得出了评价体系中不同评价方案对码头全寿命碳效益的提升规律。

关键词： 压阻性能   欧姆热养护   导电水泥砂浆   外加剂  

摘要： 水泥基材料在负温环境下的强度形成是影响我国寒区经济发展的一大难题,欧姆热养护作为一种新型水泥基材料养护方法能够在负温环境实现水泥基材料的快速养护,该方法对水泥基材料在新拌阶段的导电性能要求较高,使用导电纤维能够显著改善水泥基材料的电学性能,使其符合负温环境欧姆热养护的需求。在这个条件下,如何借助导电材料的使用赋予水泥基材料更多的功能性就成为研究的一个重点。在本文研究中,采用碳纤维作为导电填料对试件的电学性能进行改善,为了探究负温环境欧姆热养护碳纤维改性水泥砂浆的多功能性与更多的应用场景,对试件在不同工况下的电学性能发展情况进行了深入研究,并提出了负温环境欧姆热养护碳纤维改性水泥砂浆的电学性能优化方法。主要研究内容如下: (1)采用碳纤维作为导电材料,研究新拌试件在不同碳纤维掺量下的初始电阻率发展情况,确定碳纤维在基体内部构成完全联通导电通路的渗流阈值为0.6 vol%。判断不同碳纤维掺量对试件早期力学性能的作用效果,实验结果发现试件在1天欧姆热养护作用下的抗压强度与2天标准养护相当。接下来,以力学强度为导向,明确了试件的最佳制备工艺。同时,采用COMSOL数值仿真模拟方法,建立欧姆热养护试件在不同纤维掺量和环境因素下的温度发展模型,预先判断试件养护的最佳功率。 (2)对碳纤维改性水泥砂浆在不同条件下的电阻率发展情况进行深入研究,综合研究了负温环境欧姆热养护和受冻条件对于试件电学性能发展的影响。提出相对电阻率这一概念,对试件电阻率的发展情况进行更加量化的评价,实验结果发现,未经受冻处理试件的相对电阻率表现出了更加和缓的发展趋势,欧姆热养护试件的相对电阻率增长相对标准养护试件更加明显。二者都具有良好的压阻性能,灵敏度系数分别达到136和99,线性度分别为12.56%和10.64%。然而,负温受冻对试件电学性能影响较大,标准养护和欧姆热养护试件的相对电阻率均表现出了十分明显的增长趋势,对于欧姆热养护试件来说,其相对电阻率在受冻后的增长趋势在碳纤维掺量达到1.05 vol%时显著放缓。但是,标准养护试件和欧姆热养护试件在受冻后的压阻性能均受到严重影响,灵敏度系数表现出大幅降低的趋势。 (3)为了解决欧姆热养护碳纤维改性水泥砂浆在受冻后相对电阻率增长过快,试件导电性能退化的问题,采用有机防冻剂对试件进行进一步改性处理,并对不同工况条件下试件的电阻率发展情况进行探索。试验结果表明,有机防冻剂的使用能够显著提高试件电学性能在受冻后的稳定性。具体来说,在受冻阶段,掺加有防冻剂的试件的相对电阻率虽然仍表现出了比较明显的增长现象,但是相较于未掺加防冻剂试件,这一相对电阻率增长现象明显减小。受冻后基体内的微观结构也得到了明显改善,在碳纤维掺量为0.75 vol%时,掺加有防冻剂的试件在受冻后的灵敏度系数分别达到67和63,相较未掺加防冻剂试件分别提高了139%和250%,压阻性能的稳定性和准确性明显提高。

关键词： 隧洞开挖料   UHPC   综合利用   力学性能   强度预测模型  

摘要： 随着我国综合国力提升,交通、水利工程等应运而生,水工隧洞工程建设迅速增长,水工隧洞开挖料作为工程施工所产生的废料,大多数情况下被当作建筑垃圾而随意丢弃,大量的洞渣料不仅占据土地资源而且对环境也会造成污染。其次随着我国对砂石材料的需求量逐步增大,大量的砂石料被大力开采,可利用的天然石料逐渐减少,水工隧洞建设需要大量砂石材料,材料和运输成本急剧上升。因此,基于上述问题,对隧洞开挖料作为超高性能混凝土（UHPC）原材料应用于隧洞衬砌结构的可行性进行了大量实验研究,主要研究方法和结论如下:水工隧洞开挖料作为UHPC的原材料,进行了相关的原材料品质检测,并按照相应规范中的检验方法和原理来进行相关品质检验试验,包括粒径分析、含粉率和表观密度等,其中发现洞渣细骨料中的含量较大,为15.39%,粗骨料的压碎指标值较大,为22.49%,针片状含量较高,为7%,并利用筛分确定各组分的含量以及粒径分布,设计试验对洞渣料进行利用。基于紧密堆积模型理论,利用单纯型重心设计法设计单一利用洞渣料的替代试验配合比,建立了抗压强度、抗折强度和扩展度阈值概念,探究洞渣料各组分利用的最优替代比例。结果表明,在保证UHPC高强度和良好的流变性能条件下,开挖粉体能够替代0-100kg/m3的水泥和0-200/m3的粉煤灰,对硅粉不进行替代;开挖细骨料能够100%的替代常规石英砂;开挖粗骨料的替代区间为0-440 kg/m3,在保证流行性能的前提下,替代最大比例为总砂石材料的40%;综合替代时,应控制总质量不变,提高胶凝材料用量,减少砂石材料用量。经济性分析中,发现破碎后的洞渣开挖料与综合利用最优替代试验配比相近,可对洞渣料实现最大化利用,节约工程的经济成本。基于紧密堆积模型,分析洞渣料掺入UHPC对堆积密实度的影响,发现强度发展趋势与堆积密实度趋势变化一致。考虑粉体的水化反应、细骨料和粗骨料自身材料特性,提出针对洞渣料利用的强度预测模型,模型预测结果与试验结果基本一致。选取开挖粉体、开挖细骨料、开挖粗骨料的最优替代比例试验组和两组综合利用力学性能表现不同的试验组,探究洞渣料单一掺入和综合利用对UHPC耐久性能的影响,包括抗碳化性能、抗早期开裂性能和碱骨料试验。试验结果表明洞渣料作UHPC的原材料,仍然具有较好的抗碳化性能和抗早期开裂性能。

关键词： 贝利特-硫硅酸钙-硫铝酸盐水泥   聚羧酸减水剂   亚硝酸钙   柠檬酸钠   强度  

摘要： 贝利特-硫硅酸钙-硫铝酸盐(BCT)水泥,作为低碳型水泥,实际应用中凝结硬化较快,经时损失较大。为了改善BCT水泥工作性能和力学性能,本文先以煤矸石自制低温型BCT水泥,基于化学外加剂对高贝利特-硫铝酸钙(HBCSA)水泥性能的影响,选定适宜外加剂对BCT水泥进行改性。分别研究了减水剂、早强剂和缓凝剂对BCT水泥的凝结时间、流动度和强度等宏观性能的影响,并通过水化热、X射线衍射和扫描电镜分析外加剂对水泥的水化过程及其产物的影响,且进一步研究了BCT水泥的抗硫酸盐和氯离子的侵蚀能力。首先研究了适宜的减水剂、早强剂、缓凝剂种类和掺量变化对HBCSA水泥的影响。结果表明:普通型聚羧酸减水剂(PCE)、亚硝酸钙(Ca(NO))和柠檬酸钠(SC)均能在延缓HBCSA水泥凝结硬化的同时,提高其力学性能。其中,SC的缓凝效果显著,浆体的初凝、终凝时间最大可延长149 min、219 min。Ca(NO)可促进PCE在水泥颗粒表面的吸附,提高PCE对浆体流动度的改善。当0.7%PCE复配1.2%Ca(NO)时,HBCSA水泥的3 d、60 d抗压强度可达到95.7 MPa、110MPa;水化3 d时,0.7%PCE协同1.2%Ca(NO)促进了水化产物钙矾石(AFt)的生成,并细化了AFt晶体,进而提高了微观结构致密度。其次,以机械力化学活化煤矸石为主要原料,在1200℃下烧制2 h,制备得到低温型BCT水泥熟料。在0.3的水灰比下,BCT水泥的3 d、60 d抗压强度分别可达到61.9 MPa、88.4 MPa。对掺有PCE、Ca(NO)和SC的BCT水泥性能研究发现,三者均对3 d龄期内AFt生成具有抑制作用,可提高浆体的流动性能,其适宜掺量分别为0.4%、0.8%、0.7%,水泥的60 d抗压强度达到99.8、116.3、105.9 MPa。其中0.4%PCE复配0.8%Ca(NO)时,水泥的60 d抗压强度可达到121.1 MPa;PCE与Ca(NO)的协同,可进一步提升浆体的流动性能,降低BCT水化初期放热速率,延长浆体的凝结时间,3 d水化样中,AFt生成量降低,但AFt晶体长径比减小,微观晶体骨架多由柱状AFt搭建。当0.7%SC掺入时,BCT初期的水化进程发生延迟,AFt的生成速率降低,使得3 d水化样中柱状AFt增多并与针状AFt相互交织均匀分布,微观致密度提高。最后,研究发现,分别在硫酸根离子、氯离子和人工海水中多离子侵蚀作用下,BCT和HBCSA水泥抗蚀性能优于普通硅酸盐水泥。而PCE复配Ca(NO)和SC的掺入可阻碍离子的侵入,5%Na SO、5%Mg Cl溶液和人工海水中,BCT水泥28d抗蚀系数均趋于1。