新型集束智能装配式结构体系及性能研究

这是一篇关于集束装配式,钢结构,BIM技术,力学性能,经济性的论文, 主要内容为随着我国经济的快速发展,人民生活水平不断提高,人们不再满足现有居住条件。目前,我国乡村民居的建筑结构大多为砖混结构,居住条件差、建筑能耗高。低层民居建筑拥有庞大的市场需求,为建筑形式标准化的集束装配式结构体系的发展提供了很好的平台。本文以此为背景,提出新型集束装配式结构体系,并研究该体系与BIM技术相结合的集束智能装配式结构体系在乡村民居中的建设模式和实现途径,为集束智能装配式建筑发展助力。本文主要研究与结论如下。(1)通过调研访问和实地考察,对乡村常见建筑结构体系进行汇总和对比,分析砖混结构、混凝土结构和木结构三种建筑结构体系各自的优劣,提出更适合当代乡村的集束装配式民居结构形式。从设计、施工和工程管理等方面,比较集束装配式建筑和传统建筑模式的不同,分析集束装配式建筑和传统建筑在成本构成方面的差异,以及造成成本差异的主要原因,提出了缩小成本差异的方法。(2)对该结构体系进行模态分析和地震时程响应分析,得到该结构的自振周期和频率等动力特性参数,模拟了该结构在七度多遇地震、罕遇地震下的地震响应,计算分析表明,集束装配式钢结构在地震作用下的应力和位移响应均较小,结构抗震性能好,采用本文提出的设计方法得出的结果偏于安全。(3)对郑州周边某乡村集束装配民居案例,进行全生命周期的BIM技术应用,从模型创建、结构设计到生产、建造以及运维中使用BIM技术。在BIM技术中添加智能化后,在确保设计质量、建造质量和建造成本的基础上,优化了碰撞检测、深化设计、各专业协同设计等工作,工作效率相比于传统BIM技术有质的提升,为未来建筑工业化发展提供了新思路。(4)从全生命周期成本角度,对装配式民居和砖混结构民居在全生命周期各阶段产生的费用进行了研究分析,分析了造成差异的原因。通过对建造阶段、使用维护阶段以及拆除阶段等各阶段成本进行综合分析,得出集束装配式钢结构作为民居类建筑更加经济适用。当前,民居类建筑应用装配式钢结构相对较少,本文研究工作期望人们对装配式钢结构有更深入的认识,期望在乡村地区推广BIM技术和装配式钢结构建筑,为设计、生产、施工、运营维护、拆除等全生命周期建设提供技术支持,服务我国建筑行业工业化转型升级和乡村振兴。

基于图谱融合的针叶材管胞性能预测及分析

这是一篇关于落叶松,力学性能,显微图像,红外光谱,特征融合的论文, 主要内容为针叶材作为主要的结构材树种,本文选取大兴安岭林区的针叶材作为研究对象,针对木材微观尺度与宏观力学研究的缺失,设计了一种基于微观图像和近红外光谱融合的针叶材力学性能分析方法,该方法包含了图像处理、光谱分析、特征融合以及深度学习等算法,通过采集针叶材的微观显微图像和表层近红外光谱数据,结合木材力学性能分析作为模型表征,构建了多通道的微观管胞层次下的木材宏观力学分析模型,实现了在微观层面下的管胞特征数值化提取及数值化分析,为针叶材的性能分析和实际应用提供了新的方法。在微观尺度上了解木材的宏观力学行为,对类细胞壁复合材料的设计和纸浆造纸具有重要意义。本论文采用数值方法提取落叶松管胞特征,利用荷载强度数据、灰度共生矩阵、细胞分割和几何分析、光谱降维和特征选择建立数据集。建立了一种基于随机森林的特征数据预处理算法,对特征值进行优化,结果表明,胞壁率(s)、第三主成分得分(PC3)、熵(ASM)、第二主成分得分(PC2)、面积(AREA)、对比度(CON)、周长(PERIMETER)和相关性(CORR)是对木材力学性能影响占比较大的八个特征,并以此作为融合网络的特征输入。基于有限元和数值仿真原理,建立新型落叶松结构材的五级分类标准。为了预测管胞力学性能并分析其与管胞特征的关系,综合特征、显微图像、近红外光谱的多源数据集,在基础的模糊神经网络、全卷积神经网络、生成对抗神经网络上针对数据现有特性进行改进,进一步结合三级特征融合机制和稀疏注意力机制实现多源特征融合,设计出多通道特征融合神经网络(Multi-FF-Net)。最终,Multi-FF-Net网络模型测试集准确率达到88.37%。当分别输入微观下的形态、纹理、光谱特征时,训练模型的准确率分别为77.32%、75.53%、82.08%,光谱特征在一定程度上对力学性能影响更显著。通过对比消融实验证明,Multi-FF-Net模型可以降低计算复杂度,提高预测精度。

掺珊瑚砂和珊瑚微粉的水泥基材料收缩和微观结构性能研究

这是一篇关于珊瑚粉,珊瑚砂,水泥基材料,力学性能,收缩性能的论文, 主要内容为在远离大陆的岛屿上,混凝土生产的原材料往往更难获得,因此将岛屿建设过程中产生的珊瑚废弃物转化为制备混凝土的原材料不失为一种环保策略。本试验选取0.45与0.30两组水胶比,首先利用珊瑚粉(Coral powder,CP)等质量(10%、15%、20%)取代净浆中的水泥,通过抗压强度测试得出CP最优取代率。其次在此基础上利用珊瑚砂(Coral sand,CS)等质量(10%、20%、30%、40%)取代砂浆中标准砂的试验制备珊瑚砂浆,并对其力学性能与收缩性能进行测试。最后,利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、热重分析仪(Thermogravimetric,TG)、氮吸附、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和纳米压痕技术等多种微、纳观测试手段对珊瑚水泥基材料微、纳观结构进行分析。通过XRD-TG来判定水泥基材料中的矿物相的构成与含量;通过氮吸附来测定水泥基材料的孔隙结构与孔分布;通过SEM来表征含水泥基材料基体及界面过渡区(Interface transition zone,ITZ)的微观形貌;通过纳米压痕技术分析含CS水泥基材料基体及ITZ的纳米力学性能,分析计算各水化产物的体积分数,进一步解释含CP、CS水泥基材料的宏观性能。主要研究及结论如下:(1)0.30与0.45水胶比下,珊瑚净浆在CP取代量为10%具有较好的力学性能。0.45水胶比下,珊瑚净浆抗压强度随CP掺量的增加呈先增大后减小的规律;0.30水胶比下,其抗压强度随CP掺量的增加而减小。其原因在于高水胶比下,CP的吸水性降低了浆体中的有效水胶比,且高细度的CP具有较好的微集料填充效应与晶核效应,在一定程度上优化孔隙结构,从而降低浆体的孔隙率,提高了浆体的密实度。而低水胶比下,基准组本身具有较高密实度,CP的掺入吸收了一定的水分,使得体系内存在大量未水化水泥颗粒,水泥浆体内部不紧密,从而导致浆体强度下降。(2)0.30与0.45水胶比下,珊瑚砂浆的力学性能随CS掺量的增加呈先增大后减小的规律。28天龄期时,0.45水胶比下,当CS取代量为30%时,28d时其抗压强度较基准组增加了28%;0.30水胶比下,CS取代量为30%的珊瑚砂浆试件的抗压强度较基准组试件增加了30%。其原因在于,0.45水胶比下,CS对于珊瑚砂浆的优化作用主要体现在其表面粗糙与不规则性上,水泥浆体与骨料黏结更为紧密;而0.30水胶比下,CS对于珊瑚砂浆的优化作用主要体现在内养护作用上,促进未水化水泥颗粒的二次水化,从而提高其水化产物含量。(3)0.30与0.45水胶比下,珊瑚水泥基材料的自收缩应变随CP、CS掺量的增加而减小。而干燥收缩应变随CP、CS的增加呈先减小后增加的趋势。珊瑚水泥基材料的收缩应变在早龄期时增长速度较快,后龄期阶段增长速度减慢并逐渐趋于平缓。主要原因在于CP在高水胶比下起到了吸水作用,而在低水胶比下发挥了填充效应和成核效应,填充了水泥基材料内部孔隙。CS主要起到内养护作用,在水化后期放出水分,促进水泥水化,提高了基体密实度,减缓了水泥浆体内部的水分散失,从而降低了水泥基材料的收缩应变值。(4)10%CP掺量对于水泥净浆的微观结构有较好的改善作用。对于水化产物,CP的加入并未导致水化产物中生成新的矿物相,Ca(OH)2、C2S和C3S是主要晶相。对于孔隙结构,0.45水胶比下,CP能够较好的改善水泥浆体的孔隙结构,10%CP掺量下浆体具有较好的孔结构;而在0.30水胶比下,CP对于有害孔的改善效果较为明显,主要起到填充效应。对于微观形貌,28d时,10%CP取代水泥,能够填充水泥浆体中的孔隙并促进水化,而20%CP掺量下水泥浆体内部有一定的孔隙结构与微裂缝。(5)在10%CP掺量的基础上,掺30%CS对水泥砂浆的微、纳观结构有较好的改善作用。通过氮吸附试验得出,0.45水胶比下,CS对于水泥砂浆孔隙结构的改善效果并不明显,但降低了水泥砂浆的平均孔径。0.30水胶比下,CS对于水泥砂浆孔隙结构的改善主要体现在凝胶孔上,30%CS掺量的砂浆具有最优的孔隙结构。通过SEM与纳米压痕试验得出,标准砂与水泥基体之间存在明显的ITZ,而CS与水泥基体之间连接的更为紧密,无明显的ITZ。多孔CS的内部固化作用能够对薄弱的ITZ起改善作用。此外,通过纳米压痕试验得出,与基准组相比,CS的内养护作用使得未水化颗粒二次水化,C-S-H凝胶相含量增加了22%,其中HD C-S-H含量增幅明显,增加了18%,LD C-S-H也有小幅度的增加。此外,相较于基准组,未水化相的体积分数减少。这说明CS能够促进水泥水化,使得更多的水泥转换为C-S-H。

基于图谱融合的针叶材管胞性能预测及分析

这是一篇关于落叶松,力学性能,显微图像,红外光谱,特征融合的论文, 主要内容为针叶材作为主要的结构材树种,本文选取大兴安岭林区的针叶材作为研究对象,针对木材微观尺度与宏观力学研究的缺失,设计了一种基于微观图像和近红外光谱融合的针叶材力学性能分析方法,该方法包含了图像处理、光谱分析、特征融合以及深度学习等算法,通过采集针叶材的微观显微图像和表层近红外光谱数据,结合木材力学性能分析作为模型表征,构建了多通道的微观管胞层次下的木材宏观力学分析模型,实现了在微观层面下的管胞特征数值化提取及数值化分析,为针叶材的性能分析和实际应用提供了新的方法。在微观尺度上了解木材的宏观力学行为,对类细胞壁复合材料的设计和纸浆造纸具有重要意义。本论文采用数值方法提取落叶松管胞特征,利用荷载强度数据、灰度共生矩阵、细胞分割和几何分析、光谱降维和特征选择建立数据集。建立了一种基于随机森林的特征数据预处理算法,对特征值进行优化,结果表明,胞壁率(s)、第三主成分得分(PC3)、熵(ASM)、第二主成分得分(PC2)、面积(AREA)、对比度(CON)、周长(PERIMETER)和相关性(CORR)是对木材力学性能影响占比较大的八个特征,并以此作为融合网络的特征输入。基于有限元和数值仿真原理,建立新型落叶松结构材的五级分类标准。为了预测管胞力学性能并分析其与管胞特征的关系,综合特征、显微图像、近红外光谱的多源数据集,在基础的模糊神经网络、全卷积神经网络、生成对抗神经网络上针对数据现有特性进行改进,进一步结合三级特征融合机制和稀疏注意力机制实现多源特征融合,设计出多通道特征融合神经网络(Multi-FF-Net)。最终,Multi-FF-Net网络模型测试集准确率达到88.37%。当分别输入微观下的形态、纹理、光谱特征时,训练模型的准确率分别为77.32%、75.53%、82.08%,光谱特征在一定程度上对力学性能影响更显著。通过对比消融实验证明,Multi-FF-Net模型可以降低计算复杂度,提高预测精度。

节点增强型晶格结构力学性能研究及预测

这是一篇关于晶格结构,均匀化理论,力学性能,Gibson-Ashby公式,机器学习的论文, 主要内容为近年来航空航天和汽车等领域对结构轻量化提出了更高要求,以晶格结构为代表的多孔介质结构因其高强度、高刚度、高比吸能和良好抗冲击性能正受到日益广泛的关注。其中,脱胎于传统均匀晶格的梯度晶格结构凭借其更加优异的抗承载和吸能效果成为研究的热点。但是,现有的传统杆件晶格结构节点处存在应力集中的问题,极大地影响了力学性能。针对上述问题,本文设计了一种新型的节点增强型晶格结构,依照不同梯度设计方法,对晶格结构进行了梯度设计。利用均匀化理论计算其等效力学性能,采用实验和仿真相结合的方法综合研究了抗承载和吸能效果,并进一步结合机器学习技术对其等效力学性能开展了预测。主要研究工作如下:首先,针对传统均匀晶格结构在节点处容易产生应力集中的问题,提出了一种节点增强型晶格结构设计方法,具体设计了两种具有不同梯度策略的梯度晶格结构,且分析了它们的各向异性方向特性。在此基础上采用3D打印技术制造了试样,进而开展了母材力学性能测试,为后续有限元仿真提供材料参数。其次,针对因晶格的结构复杂性导致有限元仿真计算量大、耗时长的问题,通过均匀化理论将本文设计的晶格结构等效为实体,实现了简化计算。分析结果表明,基于均匀化理论的等效计算效果显著,可以在保持精度的前提下简化计算。同时,鉴于梯度晶格结构在梯度方向上不具有周期性,传统均匀化方法对其不再适用,本文针对此问题优化了均匀化理论在梯度晶格结构上的使用方法,将均匀化理论推广至梯度晶格结构,取得了良好效果。此外,针对Gibson-Ashby公式中尚缺剪切模量预测公式的问题,本文进一步使用均匀化理论对具有不同相对密度晶格结构的等效弹性模量和等效剪切模量进行计算,结果表明等效剪切模量也满足与相对密度之间的幂次关系,提出了剪切模量预测公式,扩展了Gibson-Ashby公式的内容。再次,对晶格结构开展静态力学承载性能准静态压缩实验和仿真研究,讨论了不同晶格结构力学性能和吸能效果,并对其失效过程进行分析。将实验和仿真获得的晶格结构弹性模量与基于均匀化理论获得的数值进行比较,再次验证了均匀化方法结果的准确。针对Gibson-Ashby公式最初仅适用于具有相同拓扑结构多孔结构的问题,提出了基于层合理论改进原始公式的方法,建立了梯度晶格结构性能的预测公式,并取得了良好的结果。接着,为进一步评估本文设计的不同晶格结构动态力学性能,更全面地研究不同晶格结构设计方法对结构力学性能的影响,在准静态测试的基础上,对晶格结构在动态冲击载荷下的效果开展了进一步研究。通过落锤冲击和分离式霍普金森压杆(SHPB)分别测试了晶格结构在中应变率(100-102)和高应变率(102-104)下的动态力学性能,结果表明梯度设计方法的不同对晶格结构动态力学性能有较大影响。最后,针对目前晶格结构力学性能预测多仅能针对具体参数进行逐一分析的问题,本文提出了一种基于机器学习的晶格结构性能预测方法,并基于此方法开发了晶格结构性能预测软件,极大地简化了分析过程,实现了晶格结构等效力学性能快速获取,为开发更优的晶格结构提供了技术支撑。

玻璃纤维网面层加固土坯砌体力学性能研究

这是一篇关于土坯砌体,玻璃纤维网,加固,力学性能,抗震性能的论文, 主要内容为土坯砌体结构具有悠久的历史,早在几千年前就已经被人们使用。而如今,该种形式所建造的房屋,在我国大部分村镇地区,仍有着不少的存量,其中一部分已经成为国家的历史文物建筑,对民族文化的传承起着重要的作用。但由于年代较远,且多为当地工匠根据经验自行建造,质量很难达到保障,在地震中往往受损严重。本文依托国家自然科学基金项目:聚合物纤维网面层加固土坯砌体的黏结机理与抗震性能研究,采用玻璃纤维网,环氧树脂,聚氨酯改性黏土,作为土坯砌体加固材料,分别以聚合物纤维网+环氧树脂黏结(Fiber reinforced polymer mesh,简称FRP mesh)、聚合物纤维网+环氧树脂+改性土面层复合黏结(Fiber reinforced polymer mesh with soil mortar,简称FRPSM)和聚合物纤维网+改性土面层黏结(Fiber reinforced soil mortar,简称FRSM)的3种加固形式,对土坯砌体及墙体试件进行加固。同时,为了研究各种加固方法下的土坯砌体墙的基本力学性能,本文从单块土坯砖的制作及抗压强度、玻璃纤维网及加固材料的基本力学性能,土坯砌体试件的力学性能,以及土坯砌体墙的力学性能,这四个方面着手,分别通过试验研究、理论分析和数值计算,得到了一些可以参考的试验结果,其主要内容如下:(1)通过土工试验,分析了大连土与福建土的颗粒级配组成,界限含水率,最优含水率、干密度等相应参数,选择出了合适的土沙配比及拌和含水率,用于土坯砖制作,并通过土坯砖的立面单轴抗压试验,验证了其可靠性。通过试验可以发现,土坯砖的抗压强度与其破坏形态有着直接关系。当土体内部颗粒分布较为均匀,且密实程度较好时,土坯砖易出现轴压及剪切的破坏形态,其强度较高,反之则易出现局压的破坏形态,造成强度较低的现象。因此,在土坯砖的制作过程中,选择合适的土沙配比,并保证其密实程度,可以大大增加土坯砖的质量。(2)通过纤维网的拉拔试验,分析了玻璃纤维材料的基本力学性能。结果表明,玻璃纤维材料,在具有均值弹性材料变化特征的基础上,还拥有极强的抗拉性能,可以充分满足土坯砌体结构的加固使用要求。同时,通过生土的单轴抗压试验,对比分析出了,聚氨酯用于生土加固后的力学性能提升效果。结果表明,聚氨酯与生土材料具有很好的适用性,且加固后的试件抗压强度提升幅度达到了107%。(3)通过土坯砌体的抗压及抗剪试验研究发现,未加固的土坯砌体试件中,其受压与受剪时的破坏形态,与普通砖砌体试件的破坏形态基本相似。受压时,在砌体试件的中部,出现了沿竖向裂纹的劈裂破坏,受剪时,在砖块与泥浆接触面,出现剪切滑移破坏。在采用FRSM方法加固后,试件在受到荷载时,首先加固面层出现剥离,从而分担了原砌体试件上的荷载,使得试件的抗压及抗剪强度均有了显着的提升,提升幅度分别为14.3%和102.2%,但随着加固面层的脱落,原砌体试件开始出现了与未加固试件相同的破坏形态。而在采用FRP mesh和FRPSM方法加固后,试件在受到荷载时,由于环氧树脂良好的粘结作用,使得加固面层与原砌体结构并未分离,加之加固面层整体强度较大,从而使得试件强度大幅提高,其中抗压强度提升幅度分别为47.1%,63.6%,抗剪强度提升幅度均达到了两倍以上。同时,砌体试件的破坏形式也有所改变,在单轴受压时,在砌体试件的侧面出现竖向裂缝的劈裂破坏,受剪时,泥浆灰缝处保持完好,试件侧面出现了竖向裂缝的劈裂破坏。由此表明,3种加固方法,对于土坯砌体力学性能的提升,均有显著的作用。(4)通过平面拟静力试验研究了实体未加固土坯墙,以及在采用FRPSM和FRSM方法加固后土坯砌体墙的力学性能。结果表明,未加固的土坯墙体破坏形态与普通砖砌体墙基本相似,为沿泥浆灰缝处的剪摩破坏,在采用FRPSM方法加固后的墙体,由于加固面层整体强度较高,因此,在墙体底部出现了整体滑移破坏,在采用FRSM方法加固后的墙体,在破坏初期,加固面层与原墙体逐步出现剥离直至脱落,随后墙体出现损坏,其破坏形式与未加固墙体相似。同时,在采用FRPSM及FRSM方法后,墙体试件的承载力、延性、刚度及耗能能力均有显著提升,且就提升效果而言,FRPSM明显优于FRSM。(5)基于平面拟静力试验结果,与普通砖砌体墙极限承载力计算公式比较发现,未加固墙体试件极限抗剪承载力,较主拉理论的计算结果偏大,较剪摩理论的计算结果偏小,其数值特征与普通砖砌体相似。同时,在拉摩理论的计算模型下,当竖向应力的分配系数为0.6时,试验结果与计算数值基本吻合。对于FRPSM及FRSM方法加固墙体试件的极限承载力,参考普通砖砌体墙的加固方法中的计算过程,建立了简单的计算模型,并提出了加固后墙体的计算公式,与试验结果吻合较好。

掺珊瑚砂和珊瑚微粉的水泥基材料收缩和微观结构性能研究

这是一篇关于珊瑚粉,珊瑚砂,水泥基材料,力学性能,收缩性能的论文, 主要内容为在远离大陆的岛屿上,混凝土生产的原材料往往更难获得,因此将岛屿建设过程中产生的珊瑚废弃物转化为制备混凝土的原材料不失为一种环保策略。本试验选取0.45与0.30两组水胶比,首先利用珊瑚粉(Coral powder,CP)等质量(10%、15%、20%)取代净浆中的水泥,通过抗压强度测试得出CP最优取代率。其次在此基础上利用珊瑚砂(Coral sand,CS)等质量(10%、20%、30%、40%)取代砂浆中标准砂的试验制备珊瑚砂浆,并对其力学性能与收缩性能进行测试。最后,利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、热重分析仪(Thermogravimetric,TG)、氮吸附、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和纳米压痕技术等多种微、纳观测试手段对珊瑚水泥基材料微、纳观结构进行分析。通过XRD-TG来判定水泥基材料中的矿物相的构成与含量;通过氮吸附来测定水泥基材料的孔隙结构与孔分布;通过SEM来表征含水泥基材料基体及界面过渡区(Interface transition zone,ITZ)的微观形貌;通过纳米压痕技术分析含CS水泥基材料基体及ITZ的纳米力学性能,分析计算各水化产物的体积分数,进一步解释含CP、CS水泥基材料的宏观性能。主要研究及结论如下:(1)0.30与0.45水胶比下,珊瑚净浆在CP取代量为10%具有较好的力学性能。0.45水胶比下,珊瑚净浆抗压强度随CP掺量的增加呈先增大后减小的规律;0.30水胶比下,其抗压强度随CP掺量的增加而减小。其原因在于高水胶比下,CP的吸水性降低了浆体中的有效水胶比,且高细度的CP具有较好的微集料填充效应与晶核效应,在一定程度上优化孔隙结构,从而降低浆体的孔隙率,提高了浆体的密实度。而低水胶比下,基准组本身具有较高密实度,CP的掺入吸收了一定的水分,使得体系内存在大量未水化水泥颗粒,水泥浆体内部不紧密,从而导致浆体强度下降。(2)0.30与0.45水胶比下,珊瑚砂浆的力学性能随CS掺量的增加呈先增大后减小的规律。28天龄期时,0.45水胶比下,当CS取代量为30%时,28d时其抗压强度较基准组增加了28%;0.30水胶比下,CS取代量为30%的珊瑚砂浆试件的抗压强度较基准组试件增加了30%。其原因在于,0.45水胶比下,CS对于珊瑚砂浆的优化作用主要体现在其表面粗糙与不规则性上,水泥浆体与骨料黏结更为紧密;而0.30水胶比下,CS对于珊瑚砂浆的优化作用主要体现在内养护作用上,促进未水化水泥颗粒的二次水化,从而提高其水化产物含量。(3)0.30与0.45水胶比下,珊瑚水泥基材料的自收缩应变随CP、CS掺量的增加而减小。而干燥收缩应变随CP、CS的增加呈先减小后增加的趋势。珊瑚水泥基材料的收缩应变在早龄期时增长速度较快,后龄期阶段增长速度减慢并逐渐趋于平缓。主要原因在于CP在高水胶比下起到了吸水作用,而在低水胶比下发挥了填充效应和成核效应,填充了水泥基材料内部孔隙。CS主要起到内养护作用,在水化后期放出水分,促进水泥水化,提高了基体密实度,减缓了水泥浆体内部的水分散失,从而降低了水泥基材料的收缩应变值。(4)10%CP掺量对于水泥净浆的微观结构有较好的改善作用。对于水化产物,CP的加入并未导致水化产物中生成新的矿物相,Ca(OH)2、C2S和C3S是主要晶相。对于孔隙结构,0.45水胶比下,CP能够较好的改善水泥浆体的孔隙结构,10%CP掺量下浆体具有较好的孔结构;而在0.30水胶比下,CP对于有害孔的改善效果较为明显,主要起到填充效应。对于微观形貌,28d时,10%CP取代水泥,能够填充水泥浆体中的孔隙并促进水化,而20%CP掺量下水泥浆体内部有一定的孔隙结构与微裂缝。(5)在10%CP掺量的基础上,掺30%CS对水泥砂浆的微、纳观结构有较好的改善作用。通过氮吸附试验得出,0.45水胶比下,CS对于水泥砂浆孔隙结构的改善效果并不明显,但降低了水泥砂浆的平均孔径。0.30水胶比下,CS对于水泥砂浆孔隙结构的改善主要体现在凝胶孔上,30%CS掺量的砂浆具有最优的孔隙结构。通过SEM与纳米压痕试验得出,标准砂与水泥基体之间存在明显的ITZ,而CS与水泥基体之间连接的更为紧密,无明显的ITZ。多孔CS的内部固化作用能够对薄弱的ITZ起改善作用。此外,通过纳米压痕试验得出,与基准组相比,CS的内养护作用使得未水化颗粒二次水化,C-S-H凝胶相含量增加了22%,其中HD C-S-H含量增幅明显,增加了18%,LD C-S-H也有小幅度的增加。此外,相较于基准组,未水化相的体积分数减少。这说明CS能够促进水泥水化,使得更多的水泥转换为C-S-H。

玻璃纤维网面层加固土坯砌体力学性能研究

这是一篇关于土坯砌体,玻璃纤维网,加固,力学性能,抗震性能的论文, 主要内容为土坯砌体结构具有悠久的历史,早在几千年前就已经被人们使用。而如今,该种形式所建造的房屋,在我国大部分村镇地区,仍有着不少的存量,其中一部分已经成为国家的历史文物建筑,对民族文化的传承起着重要的作用。但由于年代较远,且多为当地工匠根据经验自行建造,质量很难达到保障,在地震中往往受损严重。本文依托国家自然科学基金项目:聚合物纤维网面层加固土坯砌体的黏结机理与抗震性能研究,采用玻璃纤维网,环氧树脂,聚氨酯改性黏土,作为土坯砌体加固材料,分别以聚合物纤维网+环氧树脂黏结(Fiber reinforced polymer mesh,简称FRP mesh)、聚合物纤维网+环氧树脂+改性土面层复合黏结(Fiber reinforced polymer mesh with soil mortar,简称FRPSM)和聚合物纤维网+改性土面层黏结(Fiber reinforced soil mortar,简称FRSM)的3种加固形式,对土坯砌体及墙体试件进行加固。同时,为了研究各种加固方法下的土坯砌体墙的基本力学性能,本文从单块土坯砖的制作及抗压强度、玻璃纤维网及加固材料的基本力学性能,土坯砌体试件的力学性能,以及土坯砌体墙的力学性能,这四个方面着手,分别通过试验研究、理论分析和数值计算,得到了一些可以参考的试验结果,其主要内容如下:(1)通过土工试验,分析了大连土与福建土的颗粒级配组成,界限含水率,最优含水率、干密度等相应参数,选择出了合适的土沙配比及拌和含水率,用于土坯砖制作,并通过土坯砖的立面单轴抗压试验,验证了其可靠性。通过试验可以发现,土坯砖的抗压强度与其破坏形态有着直接关系。当土体内部颗粒分布较为均匀,且密实程度较好时,土坯砖易出现轴压及剪切的破坏形态,其强度较高,反之则易出现局压的破坏形态,造成强度较低的现象。因此,在土坯砖的制作过程中,选择合适的土沙配比,并保证其密实程度,可以大大增加土坯砖的质量。(2)通过纤维网的拉拔试验,分析了玻璃纤维材料的基本力学性能。结果表明,玻璃纤维材料,在具有均值弹性材料变化特征的基础上,还拥有极强的抗拉性能,可以充分满足土坯砌体结构的加固使用要求。同时,通过生土的单轴抗压试验,对比分析出了,聚氨酯用于生土加固后的力学性能提升效果。结果表明,聚氨酯与生土材料具有很好的适用性,且加固后的试件抗压强度提升幅度达到了107%。(3)通过土坯砌体的抗压及抗剪试验研究发现,未加固的土坯砌体试件中,其受压与受剪时的破坏形态,与普通砖砌体试件的破坏形态基本相似。受压时,在砌体试件的中部,出现了沿竖向裂纹的劈裂破坏,受剪时,在砖块与泥浆接触面,出现剪切滑移破坏。在采用FRSM方法加固后,试件在受到荷载时,首先加固面层出现剥离,从而分担了原砌体试件上的荷载,使得试件的抗压及抗剪强度均有了显着的提升,提升幅度分别为14.3%和102.2%,但随着加固面层的脱落,原砌体试件开始出现了与未加固试件相同的破坏形态。而在采用FRP mesh和FRPSM方法加固后,试件在受到荷载时,由于环氧树脂良好的粘结作用,使得加固面层与原砌体结构并未分离,加之加固面层整体强度较大,从而使得试件强度大幅提高,其中抗压强度提升幅度分别为47.1%,63.6%,抗剪强度提升幅度均达到了两倍以上。同时,砌体试件的破坏形式也有所改变,在单轴受压时,在砌体试件的侧面出现竖向裂缝的劈裂破坏,受剪时,泥浆灰缝处保持完好,试件侧面出现了竖向裂缝的劈裂破坏。由此表明,3种加固方法,对于土坯砌体力学性能的提升,均有显著的作用。(4)通过平面拟静力试验研究了实体未加固土坯墙,以及在采用FRPSM和FRSM方法加固后土坯砌体墙的力学性能。结果表明,未加固的土坯墙体破坏形态与普通砖砌体墙基本相似,为沿泥浆灰缝处的剪摩破坏,在采用FRPSM方法加固后的墙体,由于加固面层整体强度较高,因此,在墙体底部出现了整体滑移破坏,在采用FRSM方法加固后的墙体,在破坏初期,加固面层与原墙体逐步出现剥离直至脱落,随后墙体出现损坏,其破坏形式与未加固墙体相似。同时,在采用FRPSM及FRSM方法后,墙体试件的承载力、延性、刚度及耗能能力均有显著提升,且就提升效果而言,FRPSM明显优于FRSM。(5)基于平面拟静力试验结果,与普通砖砌体墙极限承载力计算公式比较发现,未加固墙体试件极限抗剪承载力,较主拉理论的计算结果偏大,较剪摩理论的计算结果偏小,其数值特征与普通砖砌体相似。同时,在拉摩理论的计算模型下,当竖向应力的分配系数为0.6时,试验结果与计算数值基本吻合。对于FRPSM及FRSM方法加固墙体试件的极限承载力,参考普通砖砌体墙的加固方法中的计算过程,建立了简单的计算模型,并提出了加固后墙体的计算公式,与试验结果吻合较好。

基于激光近净成形技术的TC4/Inconel 625功能梯度材料的增材制造与力学性能研究

这是一篇关于Inconel 625,TC4,增材制造,激光近净成形技术,功能梯度材料,力学性能的论文, 主要内容为近年来,随着航空航天,国防和军事工业的不断发展,特别是关键领域的一些关键部件,对材料的要求越来越高。Inconel 625在1000℃的高温下仍具有高强度和强耐腐蚀性。但Inconel 625比强度较低,密度较大。TC4具有轻质高强和耐腐蚀的显著优点,广泛应用于航空机械,生物医疗等关键领域,但其应用也有局限性,这是因为TC4适用温度有限制。温度过高其力学性能大大减小,不能用于高温服役条件。可见单一均匀的传统材料无法满足现有复杂的服役环境,因此需要发展异质材料,结合多种材料优势。由于TC4与Inconel 625两者的密度、热膨胀系数等物理性能差异较大,直接连接两种材料会产生较大的应力,容易导致开裂等缺陷,导致成形困难。而TC4与Inconel 625合金的梯度材料有利于改善直接连接时产生大的应力,使其能够同时具有耐高温和轻量化的多重优点,满足特殊服役环境应用需求。因此,本文的研究目标为通过激光近净成形技术(LENS)制备致密的TC4/Inconel 625梯度材料,并研究其物相组成、微观结构和力学性能。本研究首先探索了激光近净成形技术中激光功率、扫描速度和送粉速率等成形工艺参数对Inconel 625和TC4合金成形质量的影响。在最佳工艺参数下打印了Inconel 625和TC4块体,探究不同建造方向对Inconel 625和TC4合金微观结构、物相组成和力学性能的影响。然后使用激光近净成形技术制备了不同比例的TC4/Inconel 625复合材料,分析不同含量的TC4/Inconel 625复合材料的物相组成、微观结构以及力学性能,优选出梯度材料的成分组成。最后,制备了TC4/Inconel 625梯度材料,并对其微观结构和力学性能进行了研究。结果表明,打印Inconel 625的最佳工艺参数为激光功率350 W,扫描速率900 mm/min,送粉速率为4 g/min,打印TC4的最佳工艺参数为激光功率350 W,扫描速率800 mm/min,送粉速率为3 g/min。LENS技术制备的Inconel 625和TC4合金均在力学性能上有各向异性,即均在XY方向具有更高的强度,XZ方向具有更高的延伸率。Inconel 625样品具有高延展性,在XZ方向达到43.45%,抗拉强度为834.74 MPa。TC4钛合金样品在XY方向上的屈服强度和抗拉强度分别为963.24 MPa和1053.46 MPa,延伸率为9.40%。复合材料研究结果表明,当Inconel 625含量过高时,易产生脆性金属间化合物导致开裂等缺陷,为打印致密的TC4/Inconel 625梯度材料奠定基础。我们采用激光近净成形技术制备了从100%TC4到90%TC4/10%Inconel 625、80%TC4/20%Inconel 625、70%TC4/30%Inconel 625、60%TC4/40%Inconel 625和50%TC4/50%Inconel 625的梯度材料。通过对梯度材料的微观结构进行研究,我们获得了组成成分和晶粒尺寸均呈现梯度变化的组成与结构双梯度的材料。随着TC4含量的减小,梯度材料的硬度呈上升趋势。当成分达到50%Inconel625/50%TC4沉积层时,硬度达到最大值,为695 HV。获得的TC4/Inconel 625梯度材料的抗拉强度为701.88 MPa,屈服强度为517.16 MPa,均匀延伸率为14.07%。