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循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制

煤炭学报 2024年第4期49卷 1860-1872页

作者：王汉鹏王伟张冰邱廷麟侯夫斌山东大学齐鲁交通学院山东济南250061 山东大学岩土工程研究中心山东济南250061

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制,利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统,开展了不同预加静载(0.45σ_(c)、0.65σ_(c)、0.85σ_(c))叠加循环冲击荷载以及相同预加静载... 详细信息

为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制,利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统,开展了不同预加静载(0.45σ_(c)、0.65σ_(c)、0.85σ_(c))叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0.5、1.0、2.0 Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明:动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验,最大变形量大于静载试验,表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用,且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性,其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关,与循环冲击频率呈对数正相关;最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关,与循环冲击频率呈对数负相关;不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致,且前者略大于后者,表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性,相比岩石内部三维应力状态,表面更利用裂隙萌生与扩展;不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变,随着预加静载的增大或冲击频率的减小,破坏模式经历“斜面剪切破坏—竖向拉伸破坏—整体爆裂破坏”的转变,且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制,结合理论分析与试验数据,建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子,进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验,理论计算与试验结果对照误差率分别为0.5%、1.8%、0.6%、1.7%,误差均较小;但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度,初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性,循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍,后期可开展细观测试,探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律,进一步完善理论模型。

关键词：岩石力学损伤机制破坏模式循环冲击预加静载

局域共振超材料表面波屏障带隙特性与隔振性能

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岩土力学 2024年第3期45卷 750-758,787页

作者：厉超庄培芝李利平张思峰周冲山东建筑大学交通工程学院山东济南250101 山东大学齐鲁交通学院山东济南250002 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹... 详细信息

为有效解决轨道交通运营引发的地面振动问题,基于声学超材料概念提出一种局域共振超材料表面波屏障(locally resonant metamaterial surface wave barrier,简称LRMB)隔振方法,并采用混凝土和橡胶垫层构造出屏障结构。根据半无限空间弹性动力学理论,推导LRMB带隙计算的解析式,分析橡胶垫、混凝土参数对LRMB带隙特性的影响规律。基于轨道交通地面振动实测数据,探讨LRMB的隔振效果。研究结果表明:LRMB表面波带隙产生主要与其竖向振动有关,基于该模式建立的带隙计算方法是准确的;LRMB橡胶垫厚度增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB橡胶垫宽度增大,带隙起始频率升高,带隙宽度减小;LRMB混凝土质量增大,带隙起始频率降低,带隙宽度增大;LRMB原胞数量增多,隔振效率提升,隔振效率达到20~25 dB;以济南轨道交通1号线工程为例,采用LRMB后地面振动衰减可达70%~80%,验证了LRMB的良好隔振性能。

关键词：声学超材料表面波波屏障带隙特性隔振性能

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赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能及评价方法

工程科学学报 2024年第11期46卷 2055-2062页

作者：邵伟韩瑞凯李召峰游浩山东大学岩土与结构工程研究中心济南250061 山东大学齐鲁交通学院济南250002

路面半刚性基层具有强度高、稳定性好等优点,但在强度形成及后期服役过程中由于内部相对湿度和温度变化会产生收缩应力,当收缩应力超过胶凝材料自身胶结力时,基层会发生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝.作为一种新型路面基层材料,赤泥基胶... 详细信息

路面半刚性基层具有强度高、稳定性好等优点,但在强度形成及后期服役过程中由于内部相对湿度和温度变化会产生收缩应力,当收缩应力超过胶凝材料自身胶结力时,基层会发生干燥收缩裂缝和温度收缩裂缝.作为一种新型路面基层材料,赤泥基胶凝材料可100%代替水泥用于道路基层建设,然而赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能的经时演化规律尚不明确.因此,本文以赤泥基胶凝材料稳定碎石干燥收缩、温度收缩性能为研究对象,探究赤泥基胶凝材料掺量、养生龄期等因素对收缩性能的影响规律并运用灰色关联度确定了干缩抗裂性能指标、温缩抗裂性能指标与最大干缩应变、温缩应变的相关性.试验结果表明赤泥基胶凝材料稳定碎石的干缩应变、温缩应变随胶凝材料掺量的增加先降低后升高且干缩应变、温缩应变增长速率随养生龄期的延长逐渐减小,基于灰色关联度分析法确定了干缩抗裂性指数和温缩系数为赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能的最优评级指标,确定了赤泥胶凝材料掺量为7%时,赤泥基胶凝材料稳定碎石抗裂性能最优.

关键词：赤泥基胶凝材料半刚性基层收缩抗裂性能灰色关联度

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等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

表面技术 2024年第7期53卷 217-229页

作者：李荣斌邢悦张志玺何峰上海理工大学材料与化学学院上海200093 上海电机学院材料学院上海201306

目的优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用Image... 详细信息

目的优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用ImageJ软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数,对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验,分析涂层的热震寿命与失效行为。结果不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异,工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1,孔隙率为9.65%,平均孔隙尺寸为6.18μm^(2),未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48μm,粉末熔化状态较好。热腐蚀之后,涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%,无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后,质量损失率为0.25%,表面完整,无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落,失效次数为172次。结论等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响,涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径,加速涂层的腐蚀,同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层,内部孔隙分布均匀,且平均孔隙尺寸较小,表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。

关键词：等离子喷涂 YSZ热障涂层工艺优化孔隙热腐蚀热循环寿命

固体NaOH/Na_(2)SiO_(3)激发矿粉/粉煤灰-炉渣基注浆材料性能研究

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第2期55卷 628-637页

作者：徐先杰朱志敬王孟白继文陈孟军刘人太山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

以矿粉和粉煤灰-炉渣作为前驱体,其中粉煤灰、炉渣以质量比4:1共同粉磨制备前驱体之一,以NaOH和Na_(2)SiO_(3)配制模数为1.2的固体激发剂,制备碱激发注浆材料。研究粉煤灰-炉渣的掺量、激发剂的掺量(以Na_(2)O计)对注浆材料工作性能和... 详细信息

以矿粉和粉煤灰-炉渣作为前驱体,其中粉煤灰、炉渣以质量比4:1共同粉磨制备前驱体之一,以NaOH和Na_(2)SiO_(3)配制模数为1.2的固体激发剂,制备碱激发注浆材料。研究粉煤灰-炉渣的掺量、激发剂的掺量(以Na_(2)O计)对注浆材料工作性能和力学性能的影响,并通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对水化产物进行物理化学表征,使用核磁共振分析注浆材料孔结构特征。研究结果表明:粉煤灰-炉渣掺量为50%的注浆材料的28 d最大抗压强度达31.25 MPa。水化产物主要为C-A-S-H凝胶,浆液结石体内部孔隙主要为胶凝孔(孔径<10 nm)和过渡孔(孔径为[10~100) nm),占比超过90%。

关键词：炉渣粉煤灰固体激发剂碱激发注浆材料力学性能微观结构

磷酸镁水泥加固低液限粉土的pH和电导率响应与孔隙特征研究

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材料导报 2024年第16期38卷 108-116页

作者：范旭涵王炳楠汤世豪辛星裴妍山东大学土建与水利学院济南250061

为了探究磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC)对黄河淤积低液限粉土的加固问题,本试验研究不同MPC占干土的掺量、镁磷比(m(M/P))及硼酸与氧化镁比(m(BA/M))对粉土初始pH、电导率的响应;探究选定m(M/P)、m(BA/M)下不同龄期和不同... 详细信息

为了探究磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC)对黄河淤积低液限粉土的加固问题,本试验研究不同MPC占干土的掺量、镁磷比(m(M/P))及硼酸与氧化镁比(m(BA/M))对粉土初始pH、电导率的响应;探究选定m(M/P)、m(BA/M)下不同龄期和不同MPC掺量固化土的无侧限抗压强度、pH、电导率与水化产物的变化规律,并基于CT扫描技术重构了三种不同MPC掺量下固化土的孔隙网络模型,结合XRD物相分析,揭示其固化机理。结果表明:随着MPC掺量的增加,m(M/P)较小时固化土的初始pH逐渐减小,而m(M/P)较大时pH先增大后减小。MPC掺量和m(M/P)一定时,随着m(BA/M)的增加,pH在m(BA/M)为某一值(2%)时降为最低,随后逐渐增大。考虑到低液限粉土的低用水量与促进后期水化需求,选择偏酸性配比(m(M/P)=1,m(BA/M)=2%)与低于15%MPC掺量较为合适。pH随着龄期和MPC掺量的增加而增加,电导率变化规律则与pH相反,二者呈负指数的关系,且能定性地表征水化情况。力学试验结果表明MPC能使粉土强度大幅提升,龄期与MPC掺量的增加均使固化土的强度增长。XRD与CT扫描结果表明,MPC固化机制为各龄期均出现的鸟粪石和MgO胶结在土粒之间形成交互结构,且随着MPC的掺量增加,土颗粒间的粘结更加紧密,形成的土骨架提升了宏观力学强度,同时扩大孔隙空间,增加了孔隙率,增强了孔隙间的连通性,导致渗透性增大,因此工程应用时可通过改善孔隙结构进一步提升固化性能。

关键词：低液限粉土磷酸镁水泥 pH和电导率无侧限抗压强度孔隙网络模型

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岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水治理技术

煤炭科学技术 2024年第1期52卷 267-279页

作者：李海燕夏茂哲张锟张波孙怀凤赵国东韩俊飞刘功杰贺恩磊山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 山东大学土建与水利学院山东济南250061 华润水泥广西控股运营部广西南宁530000

我国岩溶地质分布广泛,岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战。以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象,针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点,利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方... 详细信息

我国岩溶地质分布广泛,岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战。以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象,针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点,利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域;进一步通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验等精准查找到矿山Y01特大涌水点岩溶管道的具体位置,在此基础上研究并实施了矿山涌水治理技术与工艺。研究表明:(1)针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征,提出并实施了“非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速”的岩溶矿山涌水综合治理体系。依据岩溶发育的不均匀性,提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的思想;对大流量岩溶管道型集中涌水设计采用止浆垫控流装置,通过控流能有效降低关键过水通道内水流速度,为注浆材料的有效留存沉积和工程的成功封堵提供了重要条件。(2)关键孔联合注浆工艺是岩溶管道型涌水成功封堵的保证,关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔。针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水精准查找到2个关键孔,均在矿坑南部:一个是距涌水点直线距离约50 m的近距离钻孔(以下简称“近孔”),另一个是距涌水点直线距离约150 m的远距离钻孔(以下简称“远孔”)。现场采用近孔、远孔2个关键孔联合注浆工艺:近孔以粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆,远孔仅注水泥浆液;近孔粗骨料和新型材料既能降低管道内的水流速度为远孔浆液起到更好的留存沉积作用,又能作为封堵材料起到增强的功能,远孔因其离涌水点距离长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果。近孔、远孔协同配合同步注浆是封堵管道型大流量涌水的有效组合工艺。(3)涌水口止浆垫控流降速装置的合理有效调控,配合关键孔联合注浆工艺的同步实施,进一步确保了注浆浆液的有效快速留存和沉积,是岩溶地区封堵管道型大流量涌水的创新性技术和方法。项目实施后,彻底封堵矿坑内集中涌水量达7.12万m^(3)/d的Y01特大涌水点,实现总减水量8.43万m3/d(含非连续帷幕注浆封堵),保证了矿山的正常安全开采,大幅降低了抽排水费用,同时保护了周边环境和地下水资源,具有显著的经济效益和社会效益。研究成果可为我国矿山涌水灾害治理提供理论价值和经验借鉴。

关键词：岩溶地区涌水治理关键通道非连续帷幕控流降速

碳化钨粉末表面涂层改性金刚石粉末的涂层工艺及机理

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中国机械工程 2024年第2期35卷 208-214页

作者：许左琳黄传真刘含莲刘盾山东大学机械工程学院山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室山东大学先进射流技术研究中心济南250061 燕山大学机械工程学院秦皇岛066004

粉末表面涂层技术能赋予粉末新的物理化学性质,电泳沉积技术能在改性碳化钨(WC)粉末表面涂层改性金刚石粉末。通过不同表征手段分析了金刚石的核壳结构及金刚石粉末与WC粉末间的包覆情况,研究了金刚石粉末含量对涂层效果的影响,比较了... 详细信息

粉末表面涂层技术能赋予粉末新的物理化学性质,电泳沉积技术能在改性碳化钨(WC)粉末表面涂层改性金刚石粉末。通过不同表征手段分析了金刚石的核壳结构及金刚石粉末与WC粉末间的包覆情况,研究了金刚石粉末含量对涂层效果的影响,比较了不同包覆工艺下粉末间的结合强度。结果表明,WC粉末质量与金刚石粉末质量的比为6∶1时,涂层效果最佳,改性后粉末间的强结合力来自COO-W、C-O-W等共价键形成的化学吸附与范德华力形成的物理吸附。

关键词：粉末表面改性电泳沉积核壳结构结合强度

2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂试验及表征

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无机材料学报 2024年第1期39卷 45-50页

作者：师维刚张超李玫王晶张程煜西北工业大学材料学院NPU-SAS联合研究中心西安710072 西北工业大学极端力学研究院西安710072 西北工业大学材料学院西安710072 西安科技大学理学院力学系西安710600

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC... 详细信息

二维编织碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(2D-SiC_(f)/SiC)在航空领域中得到广泛使用,然而该材料层间强度低,使其易萌生层间裂纹,引起分层破坏。为此,本工作采用楔形双悬臂梁法(W-DCB)和悬臂梁法(DCB)开展了层间Ⅰ型断裂试验,获得了2D-SiC_(f)/SiC的层间裂纹驱动的加载数据,得到了其裂纹端口张开力及张开位移变形曲线。在试验加载过程,通过光学显微镜监测了视觉裂纹扩展过程,探究了2D-SiC_(f)/SiC的层间I型裂纹扩展规律。结合理论分析和裂纹视觉特征解释了加载曲线拐点及其他特征点的断裂力学含义。利用扫描电子显微镜分析了2D-SiC_(f)/SiC的层间断面特征,揭示了断面分层裂纹扩展机制。结果表明:W-DCB方法测量的2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型初始能量释放率与DCB方法等效;2D-SiC_(f)/SiC层间Ⅰ型断裂过程中,裂纹端口变形曲线的多峰性不符合经典线弹性断裂力学预测的加载峰后特征,反映了2D-SiC_(f)/SiC层间约束关系的复杂性;层间断面为结构性非完全损伤,发生了局部纤维桥连现象。

关键词： 2D-SiC_(f)/SiC复合材料层间Ⅰ型断裂表征分析纤维桥连