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原文传递热-盐作用下水泥稳定碎石基层拱胀及损伤机理研究

论文题名：	热-盐作用下水泥稳定碎石基层拱胀及损伤机理研究
关键词：	水稳碎石;热-盐作用;强度特性;变形特性;宏细微观;本构模型;数值模拟
摘要：	拱胀是戈壁盐渍土地区水泥稳定碎石基层沥青路面的一种特殊的病害形式，热和盐的作用是水泥稳定碎石基层膨胀及损伤的直接原因。水泥稳定碎石基层材料在温度和盐分作用下，发生物理侵蚀和化学侵蚀，改变了胶凝材料的组成成分和孔隙结构，使得水泥稳定碎石的击实特性、力学特性、变形特性、应力状态受到影响。论文拟采取现场调查、室内试验、理论分析、数值模拟相结合的方法，从宏细微观的角度，系统地开展热-盐作用下水泥稳定碎石基层拱胀及损伤机理研究。具体的研究内容和结论如下：　　1）针对调研区域典型拱胀病害路段进行调查，从路面拱胀形态、发育特征、发育时间对病害特征进行分析；结合基层材料的强度、微观结构、侵蚀产物、盐分的测试结果，分析了拱胀的成因。结果表明：硫酸盐含量高是引起基层材料发生化学侵蚀和物理侵蚀的直接原因，温度作用加剧了侵蚀进程；基层盐分主要来源于碎石细料和拌合用水；侵蚀作用使得基层发生膨胀变形和强度衰减。　　2）考虑硫酸钠含量、成型温度、水泥含量、闷料时间等因素进行水稳碎石击实试验，并结合电镜扫描SEM(ScanningElectronMicroscope)和点扫能谱EDS(EnergyDispersiveSpectroscopy)试验，从宏微观角度分析热-盐作用下水稳碎石的击实特性。结果表明：硫酸钠含量、温度和闷料时间影响着钙钒石和十水硫酸钠的形成，水泥含量影响钙钒石的含量；从而引起胶凝材料孔隙结构发生改变，导致最佳含水率和最大干密度发生变化；极差和方差分析表明成型温度、硫酸钠含量对水稳碎石击实后胶凝材料孔隙总面积占比和最大干密度影响显著。　　3）考虑硫酸钠含量、成型温度、水泥含量等因素进行无侧限抗压强度、劈裂强度、弯拉强度试验，并对水稳碎石破坏特征进行图像采集，以分析热-盐作用下水稳碎石强度特性。结果表明：硫酸钠含量、温度、水泥含量影响着侵蚀产物类型和含量，侵蚀产物的胶结、填充和挤压使得试件破坏特征发生变化，导致强度发生改变。基于强度变化规律，采用最小二乘法和归一化法建立了热-盐作用下水稳碎石强度预测模型。　　4）考虑硫酸钠含量、龄期温度、水泥含量等因素开展设计龄期和高温运营期变形测试试验，结合SEM和EDS试验，从宏微观角度分析了热-盐作用下水稳碎石的变形特性。结果表明，在设计龄期阶段，硫酸钠含量和龄期温度影响钙钒石和十水硫酸钠的形成，水泥含量影响着钙钒石的含量，这些侵蚀产物填充在水稳碎石孔隙结构中，使得其产生变形；在高温运营阶段，硫酸钠含量、龄期温度、水泥含量影响着侵蚀产物组成及含量，侵蚀产物在运营期高温作用下分子之间距离、键长变化，使得水稳碎石产生膨胀变形。　　5）在不同硫酸钠含量、成型温度、水泥含量下进行水稳碎石单轴压缩试验，分析了各因素对单轴压缩性能的影响。结果表明，硫酸钠含量、成型温度、水泥含量对水稳碎石峰值应力、峰值应变、弹性模量都有影响。结合应力-应变曲线变化规律，对过镇海应力-应变曲线本构模型进行修正，推导出综合考虑温度、水泥含量等因素的水稳碎石在硫酸钠含量变化下的单轴压缩应力-应变全曲线本构模型。　　6）在现有试验数据的基础上，结合连续损伤力学理论和Ottosen破坏准则，建立了水稳碎石受硫酸钠含量、温度、水泥含量影响后的Ottosen损伤破坏准则和本构模型。通过Comsol内置的Ottosen模块对建立的本构模型进行了验证和应用，分析了硫酸钠含量、施工成型温度、水泥含量、消胀槽间距对基层拱胀及损伤的影响。
作者：	唐可
专业：	防灾减灾工程及防护工程
导师：	毛雪松
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022