嚴寒地區(qū)高鐵路基材料凍脹過程微結(jié)構(gòu)演變分析

1、嚴寒地區(qū)高鐵路基材料凍脹過程微結(jié)構(gòu)演變分析內(nèi)容提要一、研究背景及技術路線二、基本性能和微結(jié)構(gòu)演變?nèi)?、水分溫度力場模型四、結(jié)論一、研究背景及意義p 我國高鐵發(fā)展現(xiàn)狀截至2015年底，中國高鐵運營里程達1.9萬公里，占世界高鐵總里程的60%以上。中國高鐵總里程：1.9萬公里國外高鐵總里程：1.3萬公里p 我國高鐵規(guī)劃及“走出去”戰(zhàn)略高鐵絲綢之路歐亞、中亞、泛亞鐵路網(wǎng)嚴寒地區(qū)行駛的列車東北地區(qū)鐵路規(guī)劃示意圖p 高寒地區(qū)高鐵路基存在的問題項目設計時速（Km/h）4mm路基占總長度最大變形（mm）原因與問題哈大線哈齊線沈丹線35030016041.5%32%28.714.0937.33路基不均勻凍脹，影

2、響平順性44%研究高鐵路基的凍脹機制及防凍脹方法措施尤為重要！p 微凍脹填料水泥穩(wěn)定級配碎石摻水泥服役性能階段水泥穩(wěn)定級配碎石微凍脹填料含微凍脹填料碎石顆粒凍脹規(guī)律p 亟需解決的關鍵問題抗凍性能提升機制不清疏還是堵？水泥作用機理不明？膠結(jié)填充未水化水泥開裂技術路線考慮損傷累積的性能研究微結(jié)構(gòu)的形成與演化水的傳輸凍脹行為水化動力學平衡相變影響因素分析結(jié)晶壓理論有限元損傷累積與發(fā)展多場的建立工程應用多尺度理論宏觀損傷度判據(jù)考慮損傷累積的傳輸與力學本構(gòu)二、基本性能和微結(jié)構(gòu)演變p 水泥級配碎石基本物理性能無側(cè)限抗壓強度級配曲線干燥收縮特性凍脹變形p 水穩(wěn)碎石凍脹微結(jié)構(gòu)演變分析超聲檢測原位無損持續(xù)監(jiān)測結(jié)

3、構(gòu)特性無損XCT三維結(jié)構(gòu)孔隙特征動態(tài)監(jiān)測損傷三維p 超聲波無損檢測微結(jié)構(gòu)演變規(guī)律新型超聲波檢測設備超聲波檢測原理圖超聲波室內(nèi)檢測超聲波現(xiàn)場檢測p 水穩(wěn)碎石早期微結(jié)構(gòu)影響規(guī)律Effect of cement content on UPVEffect of water cement ratio on UPVEffect of cure temperature on UPVp 水泥作用機理研究水泥提升機理膠結(jié)作用粉煤灰填充效應無填充水泥作用的時空效應t0粗 骨 料細骨料水 泥結(jié)論：水泥的作用（膠結(jié)+填充），與摻量、水化程度密切相關p X射線三維重構(gòu)技術MicroXCT-400，Xradia，USAm

4、ortarporeX射線斷層掃描試驗能夠準確地得到材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，可以較準確地分辨出骨料、漿體、孔隙等，因此能夠從微觀角度解釋凍脹機理。aggregatep X-CT技術對孔結(jié)構(gòu)的分析3%7%5%水泥摻量小孔1.410-3 mm3大孔103 mm3微結(jié)構(gòu)三維重構(gòu)孔隙大小分布統(tǒng)計p 水泥級配碎石傳輸與結(jié)冰破壞p X-CT實現(xiàn)水穩(wěn)碎石內(nèi)結(jié)冰過程的觀測-10溫度0-5p X-CT微凍脹填料結(jié)構(gòu)分析細粒摻量 多少p 臨界凍脹飽水度細填料含量6%細填料含量10%三、考慮損傷的多場模型建立p 介觀與微觀結(jié)構(gòu)生成規(guī)則與不規(guī)則骨料形貌模擬p 傳輸（溫度與濃度）行為模擬（FVM）CCCz(ki, j ,k)

5、 (ki, j ,k) (ki, j ,k) 0 xxyyzCxCx 0控制方程邊界條件x 0 x LCC Cy1h o t Cc o ldyMCzCz 0z 0z N非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)值模擬p 擴散系數(shù)恒定、飽和狀態(tài)均質(zhì)砂漿骨料的影響47非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)值模擬p 擴散系數(shù)恒定、飽和狀態(tài)砂漿：混凝土：考慮ITZ48非穩(wěn)態(tài)過程的數(shù)值模擬p 擴散系數(shù)恒定、飽和狀態(tài)砂漿：砂漿：考慮微裂紋（501mm）49p 傳輸行為模擬（FVM）螞蟻隨機走p 溫度場模擬（FDM有限差分法）微元體的導熱傳統(tǒng)一維模擬結(jié)果單相均勻物質(zhì)溫度場兩相不均勻物質(zhì)溫度場p 多孔材料力學本構(gòu)模型方形孔不規(guī)則孔圓形孔橢球形孔不同氣泡形貌的多

6、孔材料有限元網(wǎng)格劃分模型應力云圖受力單元簡化成桿件模型氣泡對宏觀力學性能的影響p 微凍脹填料內(nèi)分凝冰形成凍土結(jié)構(gòu)與凍結(jié)緣凍脹過程溫度、水分場隨時間變化微凍脹填料溫度場分布微凍脹填料水分場分布p 膨脹應力與損傷發(fā)展（有限元）基于像素的膨脹內(nèi)應力計算初始30次FT60次FT基于3D FEM方法，實現(xiàn)裂紋萌生與擴展過程的可視化p 凍脹模型與裂紋擴展土石結(jié)構(gòu)凍脹模型建立重力平衡壓實凍脹2.89%凍脹過程孔隙變化p 路基結(jié)構(gòu)模擬與凍脹監(jiān)測路基內(nèi)溫度場分布無砟軌道凍脹破壞情況路基等效應力場分布某路段三年最大凍脹量沿里程分布四、結(jié)論與創(chuàng)新p 結(jié)論 研究了高鐵路基材料的凍脹機制，揭示了水泥作用機理，分析了路基材料凍脹影響因素，確定了膠凝材料最佳摻量。 基于X-CT三維重構(gòu)技術，重構(gòu)了摻水泥級配碎石微觀結(jié)構(gòu)，揭示了水泥穩(wěn)定級配碎石微觀結(jié)構(gòu)影響因素。 構(gòu)建了基