【摘要】：富水充填材料因其水固比高,流動(dòng)性好,成本低而備受關(guān)注。同時(shí),也由于其水固比過高而導(dǎo)致充填體穩(wěn)定性差,進(jìn)而影響其推廣和應(yīng)用。由于其硬化體內(nèi)部存在大量鈣礬石晶體和非結(jié)合水,受到荷載作用后,會(huì)使充填體的平衡條件發(fā)生改變,導(dǎo)致充填硬化體的失穩(wěn)和破壞。為探討富水充填材料穩(wěn)定性與時(shí)間、水固比之間的關(guān)系,以及富水充填材料在荷載作用下的失穩(wěn)破壞特征與臨界條件,本文將通過研究不同應(yīng)力條件下不同水固比富水充填材料的蠕變性能及蠕變前后微觀結(jié)構(gòu)變化特征,建立符合富水充填材料的蠕變損傷模型,分析充填體在蠕變過程中硬化結(jié)晶體的形變特征、水分遷移及其與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系,提出充填體保持在穩(wěn)定蠕變階段的臨界水固比以及保障充填體長(zhǎng)期穩(wěn)定的條件。同時(shí),從非結(jié)合水角度揭示其失穩(wěn)劣化機(jī)理,并對(duì)富水充填材料進(jìn)行改性研究。本文制備了不同水固比的富水充填材料,研究其基本性能,并通過單軸壓縮、蠕變等試驗(yàn),研究其力學(xué)性能與失穩(wěn)破壞特征。通過引入損傷變量,建立蠕變損傷模型。通過X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、差熱熱重(DTA-TG)和非結(jié)合水含量測(cè)試等微觀試驗(yàn),分析充填體的微觀結(jié)構(gòu)并揭示其失穩(wěn)劣化機(jī)理。為改善富水充填材料的性能,本文將一元水泥膠凝體系變?yōu)槎嗄z凝體系,配制出性能更優(yōu)的富水充填材料,并通過力學(xué)與微觀試驗(yàn),研究其改性后的性能。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)富水充填材料內(nèi)部主要為鈣礬石以及少量鋁膠,鈣礬石以針簇狀、細(xì)棒狀等形態(tài)相互交叉、搭接,形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在大量空隙,可以填充大量非結(jié)合水。(2)富水充填材料的流變性及強(qiáng)度與所受應(yīng)力和水固比有關(guān)。膠凝時(shí)間隨著水固比的增大而增加;抗壓強(qiáng)度隨著水固比的增大而降低;應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線宏觀上有4個(gè)階段,初始變形階段,彈性階段,塑性變形階段和破壞階段,水固比越小對(duì)應(yīng)峰值應(yīng)力越大;彈性模量隨著水固比的提高而降低;當(dāng)應(yīng)力水平較小時(shí),蠕變曲線有衰減和穩(wěn)定兩個(gè)蠕變階段;當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到臨界值時(shí),蠕變曲線表現(xiàn)出衰減、穩(wěn)定和加速三個(gè)蠕變階段;水固比為1.7、2.0和2.5的充填體失穩(wěn)破壞的臨界荷載分別為其各自抗壓強(qiáng)度的92%、90%和85%,臨界荷載隨著水固比的提高而降低;在相同應(yīng)力水平下,水固比越大,對(duì)應(yīng)蠕變應(yīng)變量越大;水固比為2.5的富水充填材料,試塊出現(xiàn)裂縫早,破壞速度快。(3)建立了符合富水充填材料的蠕變損傷模型與本構(gòu)方程。根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù),推導(dǎo)出變形模校量隨應(yīng)力水平與時(shí)間變化的方程;引入損傷變量,推導(dǎo)出蠕變損傷演化方程;將損傷變量引入Burgers模型中,建立蠕變損傷模型與本構(gòu)方程,綜合考慮了蠕變參數(shù)受時(shí)間和應(yīng)力水平的影響,反映了參數(shù)隨時(shí)間弱化的現(xiàn)象和富水充填材料的損傷劣化規(guī)律;根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演出各項(xiàng)參數(shù)并擬合曲線,通過與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比,說明該模型可以描述富水充填材料失穩(wěn)破壞前的損傷劣化規(guī)律。(4)闡明了富水充填材料蠕變損傷及破壞細(xì)觀機(jī)制。蠕變?cè)斐赦}礬石晶體斷裂,形成裂縫且隨應(yīng)力增大而擴(kuò)展貫通成更大的裂縫;蠕變前后,結(jié)合水含量差別不大,蠕變不會(huì)對(duì)結(jié)合水含量造成影響;非結(jié)合水相對(duì)損失值與所受荷載水平呈線性正相關(guān),擬合直線斜率隨水固比的增大而增大,說明水固比越大越易失水;非結(jié)合水的遷移和流失是導(dǎo)致富水充填材料失穩(wěn)的重要原因,當(dāng)受到荷載作用后,原有的平衡條件發(fā)生改變,造成非結(jié)合水的遷移,隨著荷載的增大,非結(jié)合水會(huì)在貫通縫中流動(dòng)、滲透至富水充填材料表面,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疏松,內(nèi)部出現(xiàn)更多的空隙和通道,在荷載作用下,產(chǎn)生較大變形,一旦超過非結(jié)合水損失臨界值,便會(huì)造成充填體的失穩(wěn)和破壞;(5)提出富水充填材料改性技術(shù)方案,并獲得優(yōu)良性能。膠凝時(shí)間縮短,鈣礬石含量增加,鈣礬石晶體尺寸減小,硬化體的孔隙率降低,凝聚結(jié)構(gòu)更為致密;早期強(qiáng)度有所提高,后期強(qiáng)度提高且發(fā)展穩(wěn)定,能夠彌補(bǔ)單元膠凝體系后期強(qiáng)度發(fā)展不良的缺陷;應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力更大,彈性模量提高;失穩(wěn)破壞的臨界荷載提高,失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變量減小,并且在相同應(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量減小,充填體的承載能力提高,沉降減小,充填體處于穩(wěn)定蠕變階段的荷載范圍擴(kuò)大;非結(jié)合水相對(duì)損失值與所受荷載水平依然呈線性正相關(guān),且斜率減小,充填體發(fā)生失穩(wěn)破壞時(shí),硬化體內(nèi)部孔隙中非結(jié)合水的損失值較改性前降低;(6)提出富水充填材料的水固比適用范圍。綜合考慮試驗(yàn)所得的不同水固比富水充填材料各項(xiàng)性能指標(biāo),發(fā)現(xiàn)充填不宜使用水固比2.5甚至更大水固比的富水充填材料,為保障充填體的穩(wěn)定性,必須控制水固比在2.0以內(nèi);建立應(yīng)力-水固比-充填體失穩(wěn)之間的關(guān)系,可為工程實(shí)際中對(duì)荷載作用下富水充填材料保持穩(wěn)定蠕變的臨界水固比的選擇提供依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD801

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