山东大学学报 (工学版)

基于有机-无机改性的赤泥沥青混合料综合性能

张吉哲,刚子璇,毕玉峰,岳红亚,徐润,丁婷婷,齐仕杰

2023, 53(1): 1-10. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.137

摘要 ( 814 )

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聚焦赤泥的资源化利用与筑路材料紧缺问题，提出采用赤泥替代石灰岩矿粉制备沥青混合料。针对赤泥-沥青界面遇水强度衰减问题，提出无机粉体共混(水泥、消石灰)和有机偶联剂表面修饰(硅烷偶联剂KH-550、KH-560)的改性工艺，并研究改性前后的赤泥对沥青混合料性能的影响规律。通过动稳定度试验、马歇尔试验、汉堡车辙试验、动态模量试验和两点弯曲试验对改性前后的赤泥沥青混合料进行系统评价，发现普通赤泥可以提高沥青混合料的高温稳定性，但是对水稳定性、低温抗裂性与疲劳性能有不利影响。通过对赤泥改性处理，赤泥沥青混合料的高低温性能、水稳定性与长期耐久性均得到不同程度提高，而采用硅烷偶联剂表面修饰改性效果更好。证实了使用赤泥进行沥青混合料生产的可行性，为赤泥的资源化利用开拓了方向。

强化方式与材料对再生粗集料的性能规律分析

赵之仲,柳泓哲,唐亮,杨振宇,王日升

2023, 53(1): 11-17. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.114

摘要 ( 635 )

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为解决砖混再生粗集料(brick-concrete recycled coarse aggregate, BCRCA)性能不足问题,采用自主研发的负压强化设备研究强化工艺参数。基于X射线衍射分析技术分析钛石膏-矿渣(titanium gypsum-slag slurry, T-S)浆体的强化作用机理,提出灌入饱和度评价指标。将强化后BCRCA用于水泥稳定碎石中,研究其强度变化规律。试验结果发现:选择负压压力为-75 kPa、负压温度为70 ℃、负压时间为14 min作为负压强化最优工艺参数;经过T-S浆体负压强化后,BCRCA的压碎值和吸水率分别降低到27.3%和6.8%,与水泥浆浸泡的BCRCA相比,压碎值和吸水率分别降低了6.83%和23.59%,表观密度从2.615 g/cm³提高至2.678 g/cm³,开口孔隙的灌入饱和度从22.5%提升至35.1%;将强化骨料用于水泥稳定碎石时,无侧限抗压强度和劈裂强度较浸泡强化时提高了40.7%、22.9%。负压强化方式下T-S浆体可以有效强化砖混再生粗集料。

不同类型温拌剂对沥青性能影响

董昭,徐书东,柳久伟,戚哲前,马士杰,符东绪

2023, 53(1): 18-24. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.155

摘要 ( 946 )

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选取Sasobit、Aspha-min、Evotherm-DAT 3种温拌剂加入到70#基质沥青中制备温拌沥青,通过沥青荧光显微镜试验、三大指标试验、黏度试验和流变试验分析不同类型温拌剂对沥青常规指标和流变特性的影响规律。荧光显微镜下Sasobit温拌剂不能完全溶于沥青,沥青呈现明显的龟裂现象。添加温拌剂造成沥青针入度降低、软化点升高,沥青黏度降低,Aspha-min温拌剂和Evotherm-DAT温拌剂改善沥青延度,但Sasobit温拌剂会导致沥青延度降低。3类温拌剂的降温效果对比为Sasobit温拌剂优于Evotherm-DAT温拌剂优于Aspha-min温拌剂;填加3种温拌剂沥青的高温抗车辙性能对比为Sasobit温拌剂优于Aspha-min温拌剂优于Evotherm-DAT温拌剂。

多因素作用下水泥乳化沥青胶浆性能特征及机理

郭豪彦,王振军,张海宝,史文涛,况栋梁

2023, 53(1): 25-31. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.142

摘要 ( 646 )

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为揭示多因素作用下水泥乳化沥青胶浆(cement emulsified asphalt mortar, CEA)的水化特征及强度形成机理,选取乳化沥青与水泥质量比m(A)/m(c)、水灰比和养护方式等因素,研究新拌CEA的流动性以及在凝结硬化过程中水泥水化进程、力学性能、水分蒸发速率以及内部孔隙结构的发展规律。结果表明,随着m(A)/m(c)的增加,水泥水化诱导期不断延长,CEA的流动性与内部结构致密性遭到劣化,抗压强度受到不利影响;水灰比的增加虽可以减弱乳化沥青对水泥水化的延缓作用,但高水灰比CEA的内部水分蒸发速率较高,基体内部结构疏松多孔,抗压强度大幅降低;对于低m(A)/m(c)和高水灰比的CEA,可通过裹覆养护降低CEA基体内部水分蒸发速率,进而提升CEA的抗压强度。本研究揭示了多因素作用下水泥乳化沥青胶浆的性能特征及机理,为高性能水泥乳化沥青胶浆的设计提供理论依据。

钢渣粉基沥青混合料的性能评价与提升机理

刘澔

2023, 53(1): 32-38. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.016

摘要 ( 815 )

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针对沥青混合料在服役阶段的水损害和疲劳开裂等病害,采用钢渣粉和钢渣集料分别替代矿粉和天然集料制备性能优异的沥青混合料,评价静水和水敏感性测试仪(moisture induced stress tester, MIST)模拟动水环境下的水敏感性、疲劳耐久性能和高低温性能。分析钢渣粉的化学组成、矿物组分、微观形貌和粒径分布并揭示对混合料性能提升机理。结果表明:与矿粉对照组相比,钢渣粉沥青混合料具有更优的抗动水损害性能和长期抗冻融损害能力。钢渣粉的加入可增大沥青混合料的动稳定度、弯拉应变和疲劳寿命,改善高温稳定性、低温抗裂性和疲劳抵抗能力。钢渣粉和钢渣集料均可提升混合料的性能指标,且两者复掺时提升效果更显著。钢渣粉中含有的碱性和弱水化活性的硅酸二钙矿物组分能有效提升与沥青的吸附性和化学键结合力,增强集料和沥青间的黏结强度。钢渣粉颗粒表面的微米级孔隙和絮状结构是沥青混合料的高温抗变形性能和耐久性增强的重要因素。

智能水泥基复合材料的电学性能

孙宇,陈玲玲,阳生有

2023, 53(1): 39-48. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.140

摘要 ( 598 )

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为研究智能水泥基复合材料的电学性能,推动土木工程材料和结构向智能化方向发展,以碳纤维为导电填料,制备了碳纤维水泥基复合材料试样,通过电学试验和理论分析,建立等效电路模型,分析试样的阻抗频率特性,研究水灰比及碳纤维质量分数对养护过程中试样的本体电阻、本体电阻稳定值以及时间特征值的影响。结果表明,不同水灰比和碳纤维质量分数的智能水泥基复合材料的阻抗性能、本体电阻及本体电阻趋于稳定的速度不同。在水灰比为0.39、碳纤维的质量分数为0.10%时,试样的时间特征值最小,本体电阻趋于稳定的速度最快。本研究的理论模型和试验研究对进一步探索智能水泥基复合材料的电学性能及其应用有一定的指导意义。

基于TDA填料的废旧轮胎条带加筋砂土边坡承载特性

孙杰,张宏博,程钰,刘羽,张洪波,刘志鲲

2023, 53(1): 49-59. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.381

摘要 ( 580 )

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基于废旧轮胎良好的抗拉伸、耐老化及界面粗糙等特性,将废旧轮胎切割成条形成加筋条带,并以轮胎衍生集料作为回填材料,形成复合加筋边坡。结合粒子图像测速技术进行模型试验研究,建立数值模型研究不同加筋条件下的边坡力学响应。探讨轮胎条带层数、加筋位置、废旧轮胎集料(tire-derived aggregate, TDA)复合土加筋层厚度与荷载作用位置对边坡承载力的影响,得到加筋效果随加筋布置方式的变化趋势。结果表明,轮胎条带和TDA复合砂土均可起到良好的加筋效果,且复合加筋边坡承载力相比无加筋提高2倍左右。研究结果证实了采用轮胎条带-TDA复合加筋边坡的可行性,为进一步进行废旧轮胎在道路工程中的循环利用研究工作和工程应用提供了基础。

重金属Cu(Ⅱ)在球黏土中的吸附特性

陈榕,魏彤,郝冬雪,武科,郭瑞峰

2023, 53(1): 60-67. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.176

摘要 ( 561 )

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通过批式吸附试验, 考察球黏土对Cu(Ⅱ)的吸附效果, 重点分析吸附时间、吸附剂用量、pH值以及初始质量浓度的影响。结果表明, Cu(Ⅱ)在球黏土上的吸附是一个先快速而后缓慢的过程, 在60 min基本达到吸附平衡, 且吸附量和吸附率随球黏土用量和Cu(Ⅱ)初始质量浓度的升高而提高。pH值对球黏土的吸附量有较大的影响, 当pH值为6时, 球黏土的吸附量可达97.93 mg/g。球黏土对Cu(Ⅱ)的吸附符合Langmiur等温吸附模型, 拟合得到的最大吸附量为202.383 mg/g, 准二阶动力学模型更适合描述球黏土对Cu(Ⅱ)的吸附过程, 说明控制吸附速率的主要是化学吸附。与其他常见的黏土吸附剂材料相比, 球黏土对Cu(Ⅱ)具有良好的吸附性能, 可以作为天然矿物吸附剂来处理含Cu(Ⅱ)废水。

堆载作用下层状地基固结半解析解

魏焕卫,刘奔奔

2023, 53(1): 68-75. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.456

摘要 ( 565 )

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为研究在黏土砂层交替分布地基条件下间隔分布的黏土层在固结过程中的相互影响,提出一种新的固结计算模型,并通过数值变换法给出模型中各土层超孔压的半解析解。对理论解答分别进行理论验证、数值验证的基础上,分析部分参数对黏土层固结的影响。研究表明,在确定黏土层中不排水面位置的前提下,提出的理论计算方法可以有效计算多级加载工况中两相邻不排水面之间的土层超孔压;这种地基条件下,考虑黏土层在固结过程中的相互影响对保证计算结果的准确性有重要意义;黏土层固结性状对砂层厚度、砂层渗透系数的敏感性相同;大部分堆载预压工程按一维固结理论进行计算时得到的结果误差偏大。研究结果可为以整体分析的方式研究黏土砂层交替分布地基的固结性状提供参考。

新型装配式剪力墙摩擦抗剪机理

樊禹江,余滨杉,葛俊,黄欢欢,廖凯,丁佳雄,熊二刚

2023, 53(1): 76-82. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2022.244

摘要 ( 604 )

PDF (6333KB) ( 73 )

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为解决典型装配式剪力墙破坏及耗能较差的问题,提出一种“螺栓-U型槽钢”摩擦型水平连接装置,将其与钢筋混凝土剪力墙集成,构成新型装配式剪力墙。在已有新型装配式剪力墙抗震性能试验的基础上,采用有限元软件ANSYS研究该水平连接装置的摩擦抗剪机理。通过参数分析方法,并基于库仑摩擦定律推导建立了摩擦抗剪承载力计算公式。结果表明,“螺栓-U型槽钢”摩擦型水平连接装置的摩擦抗剪机制明确,剪力在水平连接处的传力路径表现为螺杆与U型槽钢弧形螺孔之间的接触与分离状态;所建摩擦抗剪承载力计算公式计算精度良好,计算结果与试验结果最大误差仅为3.04%。

隔离开关与支架体系风振实测与响应分析

刘勇,魏珍中,蒋昱楠,毕文哲,周梦瑶,杨萌,田利

2023, 53(1): 83-91. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.495

摘要 ( 564 )

PDF (11522KB) ( 56 )

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基于现场实测和数值模拟,开展隔离开关与支架体系的动力风振实测与响应分析。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)模拟,研究隔离开关与支架体系的体型系数,并与规范计算结果进行对比分析;基于隔离开关与支架体系风振响应分析,开展风振系数数值模拟值与规范建议值的对比研究。研究结果表明:基于规范计算的格构式支架体型系数明显偏大,规范计算的体型系数相对保守;动侧结构的平均振动水平高于静侧结构,触头端部和结构顶部的位移响应明显高于支架顶部;设备支架在不同风攻角下的风振系数存在明显差异,其中60°风攻角下最大,对于斜风向角工况下规范给出的建议风振系数偏小。本研究结果可以为隔离开关与支架体系抗风设计提供科学依据。

基于连续-非连续元降雨工况三维边坡稳定性分析

牛犇,张新伟,周玉,李婧,徐兴全,张一鸣

2023, 53(1): 92-99. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.591

摘要 ( 605 )

PDF (6620KB) ( 96 )

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基于连续-非连续单元方法,引入应力场和渗流场数值耦合算法。根据兰营地区边坡地质条件建立高精度三维地质灾害模型,考虑不同降雨工况,对边坡稳定性进行分析,并与监测数据展开对比验证模型可靠性。研究表明,该边坡天然工况下安全系数为1.79,短时强降雨工况下边坡安全系数约为1.20,边坡破裂度为10.36%。经稳定性评价,该边坡在天然工况下处于基本稳定状态,在暴雨状态下处于欠稳定状态,存在一定失稳危险。

自适应裂面优化法尾矿坝稳定性研究

王雪雅,张一鸣,孙子正,柯福阳

2023, 53(1): 100-105. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.612

摘要 ( 491 )

PDF (3323KB) ( 67 )

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针对传统裂面优化法重力荷载计算过程复杂、百万级裂面计算时间较长的瓶颈问题,提出考虑裂面荷载与材料特征变化的高效插值算法并引进了自适应裂面重生成策略,提升计算速度与精度。通过与瑞典条分法进行对比发现,采用改进后的裂面优化法分析不同浸润状态下的尾矿坝结构稳定性时,计算高效且可获得更接近于工程实际的安全系数与滑动形态。

考虑温度相关性的岩石热破裂数值模拟

王骏林,冯春,张一鸣

2023, 53(1): 106-113. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.585

摘要 ( 532 )

PDF (6888KB) ( 121 )

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为解决岩石热力学参数如比热、热传导系数等会伴随温度变化而影响岩石热破裂的问题,基于连续-非连续元方法,采用显式积分建立一种考虑参数温度关联性的岩石瞬态热-力-破裂耦合数值模型,通过该模型研究不同升温速率对岩石热裂过程的影响。结果表明:考虑参数温度关联时,破裂速率、破裂程度比不考虑参数温度关联小;裂缝最大宽度比不考虑参数温度关联时大、开裂持续时间更长。

基于微元离散模型的螺旋挤压脱水效率分析

郭鹏宁,刘巍,袁浩,冯硕,王延刚

2023, 53(1): 114-121. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.372

摘要 ( 537 )

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为研究螺旋挤压机构中各参数对餐厨垃圾脱水效率的影响, 构建一种联系物料特性与螺旋挤压装置参数的微元离散模型, 结合数值模拟方式, 对物料初始含水率、物料填充程度、螺旋叶片形式以及螺旋转速4个影响装置脱水效率的因素进行理论计算。在构建模型过程中, 利用正交试验分析方法, 筛选出脱水效率相对最优的参数方案, 为螺旋挤压机构的设计选型提供了理论依据。计算结果表明: 螺旋转速和物料填充程度对装置脱水效率的影响显著, 最高脱水率高达40%和40.6%;物料初始含水率和螺旋叶片形式对装置脱水效率影响较小, 最高脱水率仅为16.6%和14.8%。正交试验结果表明: 物料初始含水率为80%, 物料填充系数为75%, 螺旋转速为15 r/min的变螺距螺旋叶片结构, 物料末端含水率为69.7%, 综合考虑能源消耗、工作效率以及性价比等因素, 该参数在实际工况中最有优势。

沂河流域降雨量及降雨侵蚀力的时空尺度分析

张玉虎,赵强,艾明乐,桑国庆,赵思凝

2023, 53(1): 122-132. doi:10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.535

摘要 ( 696 )

PDF (6429KB) ( 97 )

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根据1962—2019年沂河流域7个站点的日降水资料,运用ArcGIS空间插值、小波分析、重标极差分析(rescaled range analysis, R/S)等方法,分析降雨量及降雨侵蚀力时空变化。结果表明:沂河流域及各站点降雨量与降雨侵蚀力相关性均为正;沂河流域降雨量与降雨侵蚀力年内分布不均,主要集中在夏季,分别占全年的64.28%和73.60%;沂河流域年均降雨量为764.33 mm,降雨侵蚀力为1 433.26 MJ·mm/(hm²·h),年际总体呈波动下降趋势且未来两者均将延续历史减少趋势,两者均在1969年和1997年出现突变点且第一主周期分别为26 a和25 a;沂河流域降雨量和降雨侵蚀力在空间上均呈从东北到西南递增的趋势。

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