含水率对水泥砂浆力学特性影响的试验研究

摘要

水泥砂浆在土木工程中常用的一种建筑材料，水泥砂浆的力学特性会直接影响建筑物的耐久性，对建筑物的安全性能产生很大的影响。水泥砂浆广泛用于地下工程岩土锚杆支护，由于地下工程其外部环境含水量较为丰富，水泥砂浆周围外部环境的水会通过渗透作用进入水泥砂浆内部，并形成不同的含水率情况，对水泥砂浆力学特性产生影响，因此有必要进行含水率对水泥砂浆力学特性影响的试验研究。 通过对不同含水率的水泥砂浆试件进行单轴压缩试验，研究含水率对水泥砂浆力学特性影响的规律，分析含水率对水泥砂浆力学特性影响的机理；从损伤力学的角度出发，根据Weibull统计分布理论，在标准线性固体模型的基础上，建立了水泥砂浆在单轴压缩情况下的损伤本构模型，对比不同含水率水泥砂浆模型参数；使用 RFPA2D数值模拟软件对不同含水率的水泥砂浆进行单轴压缩模拟试验，得到了不同含水率状态累计振铃曲线和累积能量曲线，进一步分析含水率对水泥砂浆力学特性的影响。结果表明： （1）对试验数据进行分析，得出不同含水率下水泥砂浆试件的各种力学特性变化规律，主要包括随着含水率的增加。水泥砂浆试件的抗压强度降低、软化系数降低、峰值应变降低、泊松比增加、弹性模量降低、残余强度降低。具体表现为：干燥状态下水泥砂浆试件抗压强度为13.241 MPa，浸泡48h后含水率10.35%的水泥砂浆试件的抗压强度为8.423 MPa ，降低了36.39%；浸泡48h后含水率10.35%的水泥砂浆试件，软化系数为 0.636；干燥状态下水泥砂浆试件峰值应变为 0.821%，浸泡 48h 后含水率10.35%的水泥砂浆试件峰值应变为0.711%，降低了13.40%；干燥状态下水泥砂浆试件泊松比为 0.151，浸泡 48h后含水率 10.35%的水泥砂浆试件的泊松比为 0.166，增加了9.93%；干燥状态下水泥砂浆试件弹性模量为 17.425 GPa，浸泡 48h 后含水率 10.35%的水泥砂浆试件的弹性模量为 13.119 GPa，降低了 24.71%；干燥状态下水泥砂浆试件的残余强度为 2.375MPa，浸泡 48h 后含水率 10.35%的水泥砂浆试件，残余强度为1.339 MPa，残余强度降低了43.62%。 （2）水分对水泥砂浆力学特性的劣化作用的原因如下：水泥砂浆在受压的过程中，水分对于水泥砂浆骨料起到润滑作用；水泥砂浆在受压的过程中，内部孔隙体积减少引起孔隙水压力增加，促进水泥砂浆内部裂缝的扩展；由于水泥硬化胶体的自密实作用，水泥砂浆试件并不能完全饱和，存在湿度梯度，在受到外荷载作用形成渗流场，水分在水泥砂浆内部运动，产生楔入作用，加速了裂纹的扩展；水分子削弱了水泥砂浆内部水化硅酸钙凝胶颗粒间的范德华力，减少了相互之间的粘聚力，使微裂缝发育所需要克服的表面能减少，综上所述，水分对水泥砂浆的力学特性存在劣化作用。 （3）建立了单轴压缩下水泥砂浆的非线性黏弹性损伤本构模型，通过数值计算表明，试验数据和本构方程的吻合较好，验证了理论模型的合理性。对比不同含水率水泥砂浆模型参数，得到随着含水率的升高水泥砂浆试件的弹性模量降低，试件粘滞性能提高，试件屈服阶段变长，宏观体现为试件的延性提高。 （4）通过 RFPA2D数值模拟软件对不同含水率的水泥砂浆进行单轴压缩模拟试验，得到了不同含水率状态下声发射累计振铃曲线和累积能量曲线，结果表明：随着含水率的升高，声发射累计振铃数和累积能量减少，但是不同含水率状态下声发射累计振铃数曲线和累积能量曲线有着相同的形状和增加趋势。这是由于水分进入水泥砂浆内部，削弱了水化硅酸钙凝胶颗粒之间的凝聚力，使得裂纹萌生、发育、贯通所需要的能量减少，所以在裂纹扩展破坏时释放的弹性能也比较少，这也正是随着含水率的升高，水泥砂浆力学特性劣化的原因之一。

目录

声明

1前言

1.1课题研究的背景、目的及意义

1.2国内外研究现状

1.3选题的依据

1.4课题研究的内容及方法

1.5理论依据

1.6技术路线

2材料与方法

2.1试验材料

2.2试验方法

3结果与分析

3.1浸泡时间对水泥砂浆试件含水率的影响

3.2不同含水率的水泥砂浆试件破坏形态分析

3.3不同含水率的水泥砂浆试件应力—应变曲线分析

3.4不同含水率的水泥砂浆试件力学特性分析

3.5单轴压缩下水泥砂浆本构模型

3.6不同含水率水泥砂浆试件破坏的声发射模拟

4讨论

4.1论文的研究材料方法及结果

4.2其他学者的观点及主张

4.3创新点

4.4存在的不足及进一步的研究设想

5结论

参考文献

致谢

8攻读学位期间发表论文情况