基于微观特性分析风积沙粉体掺入提高混凝土的抗冻性

为研究冻融-盐浸环境下风积沙粉体混凝土的微观特性,设计了强度等级为C35、C25的风积沙粉体混凝土,在浓度为0%、3%、6%硫酸镁溶液中采用快冻法进行抗冻性试验,同时借助核磁共振技术、场发射扫描电镜及能谱分析研究其孔隙特征、微观形貌及水化产物。结果表明,风积沙粉体的掺入显著提高混凝土的抗冻性,且适当提高强度等级,有利于提高风积沙粉体混凝土抗冻性,其中强度等级为C35的风积沙粉体混凝土在6%MgSO_4溶液中可承受高达425次冻融循环;相对于基准组,风积沙粉体混凝土中有发育状况良好的针柱状产物钙矾石、纤维状产物石膏生成,填充因冻胀应力作用产生的裂隙,使其内部有害及多害孔数量低于普通混凝土29.78%,抗冻性增强。     

风积沙掺量对冻融-碳化耦合作用下混凝土耐久性的影响

针对寒区农业水利工程中混凝土的实际服役环境,利用风积沙等质量替代部分天然河砂制备不同风积沙替代率的混凝土为研究对象进行冻融循环-碳化耦合试验。分析冻融循环-碳化耦合作用下风积沙混凝土的损伤过程,借助核磁共振仪探讨了混凝土的孔隙结构演变与其耐久性之间的联系。试验结果表明,每个试验周期中,经历相同冻融循环次数和碳化时间,但作用顺序不同的情况下,冻融循环-碳化作用对混凝土造成的损伤大于碳化-冻融循环作用;当风积沙替代率由0增加至40%时,混凝土的初始孔隙度降低,同时试验中的质量损失率和相对动弹性模量变化减小;混凝土内部凝胶孔和少害孔占比对其孔隙度和相对动弹性模量具有主导作用,当凝胶孔和少害孔占比之比在5～25之间时相对动弹性模量和孔隙度变化不超过1%,在0～5之间减小时相对动弹性模量和孔隙度变化明显;风积沙的加入改善了混凝土的孔隙分布,风积沙替代率为40%的风积沙混凝土表现出良好的抗冻融、抗碳化能力。该研究可为风积沙混凝土在寒区农业水利工程中的研究与应用提供依据。     

风沙吹蚀与干湿循环作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀机理

针对风蚀区盐湖及盐渍土环境下服役的混凝土,配制满足特殊环境下工程要求的风积沙混凝土.分析风沙吹蚀与干湿循环耦合作用下风积沙混凝土抗氯盐侵蚀的损伤过程,借助超景深三维显微镜、X射线衍射物相分析、核磁共振孔隙分析等手段探讨风积沙混凝土抗氯盐侵蚀耐久性机理.研究表明风沙吹蚀对混凝土表面产生破坏,干湿循环对混凝土内部造成损伤;风沙吹蚀对混凝土表面造成的“吹蚀坑”可为盐离子入侵混凝土内部提供“通道”;氯盐侵蚀后生成以Friedel盐为代表的腐蚀结晶物,可填充1～4 nm胶凝孔,消耗Ca(OH)2等有效物质,迫使4～10nm小毛细孔增多,随盐蚀损伤程度加剧,10～20 nm中毛细孔和20～100 nm大毛细孔向＞100 nm非毛细孔发展,非毛细孔彼此贯通产生裂纹,致使混凝土加速破坏.该研究可为风积沙混凝土在风蚀区氯盐环境下农业水利工程建设与应用提供依据.     

荷载与腐蚀冻融耦合作用下再生混凝土耐久性能试验

现有的荷载与环境多因素研究大多是通过给试块设计安装一套夹具,然后拧紧螺丝或者用千斤顶对试块施加荷载（应力）,再用此带着夹具的试块进耐久性试验,此方法操作困难、繁琐,极易发生应力损失,使研究的准确性急剧降低。该文提出了一种具有操作简便、控制精准等优点的耦合作用机制,采用先加载再腐蚀冻融,且以此循环作用的方式来模拟混凝土真实工作状态,并对普通混凝土及再生混凝土在多因素耦合作用下耐久性能进行研究。该文试验加载制度分别采用0、40%、70%应力水平的重复荷载与25次腐蚀冻融交替2次,并对此耦合作用下再生混凝土与普通混凝土进行了宏观和微细观试验研究。试验结果显示：在宏观方面,随着应力水平的从0增加至70%,再生混凝土和普通混凝土的抗压强度损失率分别增加27.2%和100%,再生混凝土在多因素耦合作用下的耐久性能表现更佳,荷载会使普通混凝土和再生混凝土的劣化速度加快;在微观方面,在腐蚀冻融50次后,再生混凝土和普通混凝土的显微硬度损失率分别为8.1%和23.8%,环境扫描电镜（environmental scanning electron microscope, ESEM）结果也可以看出界面过渡区是混凝土中较薄弱的环节,且在冻融循环作用前,天然粗骨料界面过渡区处黏结强度和塑性变形能力较强,冻融循环作用后,再生粗骨料界面过渡区处抗冻融腐蚀能力更好。该结果为普通混凝土耐久性改进及再生混凝土的推广应用提供理论参考。     

硫酸盐镁盐复合侵蚀后混凝土的微观形貌特征

混凝土结构通常受土壤环境水中硫酸盐和镁盐溶液的侵蚀。为了探究硫酸盐和镁盐复合溶液侵蚀后纯水泥混凝土和掺矿粉微粉高性能混凝土的抗侵蚀性能,该研究设计了3个水胶比和2个矿粉掺量,经加水拌合、成型试件1050个,养护28 d后将其分别浸泡于硫酸盐和镁盐溶液中,侵蚀至规定龄期后测试其抗蚀系数、微观形貌。结果表明:水胶比为0.50时,混凝土界面中的孔隙多、孔径大,最大孔径为372.5μm,即使水胶比降低到0.35时,其孔结构的改善也不明显。当纯水泥混凝土试件在SO42-2 500 mg/L和Mg2+1 400 mg/L的硫酸盐镁盐中侵蚀4个月后,其孔隙中充满了Ca SO4·2H2O、3Ca O·Al2O3·3Ca SO4·32H2O(AFt)、Mg(OH)2和Mg O·Si O2·H2O等侵蚀产物,致使混凝土内部产生裂缝,边角处开始出现剥落,甚至变得酥松,表面浆体脱落严重,粗细集料分离等现象。当侵蚀时间超过2月时,其侵蚀系数随侵蚀龄期的延长呈降低的趋势,且均在0.85以下,说明32.5级普通硅酸盐水泥抗硫酸盐镁盐侵蚀的能力是有限的。矿渣微粉掺入后,混凝土界面的孔隙不仅极少,而且孔径也较小,最大孔径分别约为水胶比为0.50时的1/7和1/8,同时也减少了易被侵蚀的水化产物Ca(OH)2的含量,使混凝土界面结构密实程度增加,水胶比越低越明显。在高浓度的硫酸盐和镁盐(SO42-20 250 mg/L和Mg2+2 800 mg/L)的双重强侵蚀12个月后,试件边缘仍未发现侵蚀产物以及Mg SO4·7H2O、Na2SO4·10H2O和Mg2(OH)3Cl·4H2O等晶体,其抗蚀系数仍在0.85以上,未有降低的趋势,表明矿渣微粉的掺入能显著改善32.5级普通硅酸盐水泥所配制高性能混凝土的抗侵蚀性能。该研究可为混凝土在农业灌溉工程(坝基础、闸基础和渠道等)和大棚混凝土基础工程的使用提供数据支撑与理论基础。     

塑性混凝土的长期渗流溶蚀稳定性试验

为了评定塑性混凝土的长期渗流稳定性和使用年限,结合当地原材料的情况,采用膨润土、黏土、水泥、骨料、水和减水剂等来制备塑性混凝土,试验测定了完整或含孔洞塑性混凝土的长期渗流稳定性和使用年限。经过多次试配试验,选定配合比并制作试件,该试件在标准养护28 d后,其抗压强度为1.25 MPa。分别制备、使用2组共12个试件进行溶蚀试验或冲淋试验。溶蚀试验表明,在溶蚀试验的测试初期,渗透系数是不断变化的,尤其在试验前30~40 d是比较明显的,但均在10-7 cm/s数量级。随溶蚀时间的延长,混凝土试件中被溶蚀Ca O的数量呈线性递减关系,直至降低到自来水所含Ca O的浓度范围,而渗透系数在150~180 d时增至3.0×10-7 cm/s,且逐渐趋于稳定。经180 d的渗流溶蚀作用后,塑性混凝土会产生剪损裂缝和拉断裂缝,甚至有较大的塑性变形,导致试件顶面平均上升位移值高达38.5 mm。通过溶蚀试验计算该塑性混凝土的渗透系数和Ca O含量,然后计算塑性混凝土防渗墙使用年限为37.1~60.7 a。冲淋试验表明:水流会在含孔洞的混凝土中产生集中冲刷且局部混凝土中的Ca O被溶蚀并随水流携带走,经过测定分析,水流从孔中冲蚀出的白色沉淀物为碳酸钙,另有少量的Na+、微量黏土和膨润土颗粒,从而降低了混凝土的质量。在恒压水流作用下,水流对已含孔洞混凝土的冲刷较弱,混凝土中被溶蚀并携带走的Ca O较少,即使冲淋197 d后,其前后的质量的损失较小,相对损失不超过1%,但其强度损失较大,高达25.4%。综合研究表明:采用黏土和膨润土制备的塑性混凝土符合土石坝防渗墙防渗的特点,具有水泥用量小、强度低、高抗渗性和使用年限长的特点。     

邻苯二甲酸二乙基己酯（DEHP）胁迫下红鳍笛鲷不同组织生化指标的变化

以红鳍笛鲷（Lutjanus erythropterus）幼鱼为实验生物,根据急性毒性实验结果（96hLC50为10.73mg·L-1）设置邻苯二甲酸二乙基己酯（DEHP）的浓度为0.12、0.60、3.00mg·L-（1以丙酮为对照）,在实验进行6、12、24、48h和96h时,分别检测肝脏和鳃组织超氧化物歧化酶（SOD）活性和丙二醛（MDA）含量,以及脑组织乙酰胆碱脂酶（AChE）活性。结果表明,肝脏组织中的SOD反应灵敏且活性明显被诱导,低剂量组（0.12、0.60mg·L-1）SOD活性受到的诱导效应较高剂量组（3.00mg·L-1）更明显;与对照组比较,肝组织中MDA含量在DEHP曝露的12h显著性升高,但48h的MDA含量显著性降低（P〈0.01）,随曝露时间呈波动变化。鳃组织中的SOD活性明显低于肝脏组织,整个过程中表现为先升高后降低的变化规律,其中高剂量组（3.00mg·L-1）受到的诱导最明显;与对照组比较,MDA含量12h后即显著升高（P〈0.01）,随后MDA含量开始下降并围绕对照组水平上下波动。各剂量组脑组织AChE活性仅在6h受到抑制,此后受到明显的诱导作用酶活性升高,24h达到最大值,并显著高于对照组（P〈0.01）,但96h后恢复到对照组水平,呈明显的时间-效应关系。以上结果显示,DEHP对红鳍笛鲷幼鱼组织酶活在实验浓度下影响显著,对水生生物存在危害,应对其生态风险加以关注。     

高寒灌区风沙吹蚀对农业水利工程混凝土抗冻耐久性的影响

针对内蒙古引黄灌区农业水利工程混凝土实际服役环境,同时加大风积沙资源化利用效率,配制满足农业水利工程设计要求的风积沙混凝土,并研究风沙吹蚀作用对风积沙混凝土抗冻耐久性的影响。结果表明:相对动弹性模量可准确表征风积沙混凝土受风沙吹蚀影响下的冻融破坏,且风沙吹蚀影响下混凝土冻融循环后的内部损伤是未受风沙吹蚀影响下混凝土冻融循环后的2倍;在风沙吹蚀影响下的冻融过程中,风积沙混凝土水泥浆体在冻融过程发生"酥化",同时在风沙流的持续撞击、削切下,"酥化"的水泥浆体进一步剥落,迫使破坏表面水泥浆体与骨料连接处的界面过渡区较光滑;风积沙替代率为40%可以配制满足抗冻性要求的风积沙混凝土,但风积沙混凝土气泡间距系数不能准确评价其抗冻性,气泡盒维数与细骨料细度模数可反映气泡结构特征和细骨料颗粒级配,且二者呈负相关趋势,二者结合可对风积沙混凝土抗冻耐久性优劣进行初步判定。     

风积沙混凝土的抗冻性与冻融损伤机理分析

为探讨沙漠沙(又名风积沙)替代河砂对低温环境下混凝土的耐久性能影响,按照风积沙替代河砂质量的20%、40%、60%、80%、100%共设计了5种强度等级为C25的风积沙混凝土(aeolian sand concrete,ASC)。采用加速试验方法研究了风积沙混凝土在冻融条件下的损伤失效规律,借助环境电镜扫描(environmental scanning electron microscope,ESEM)、应变监测和核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等测试手段得到了风积沙混凝土的损伤机理。研究发现风积沙掺量80%以上的混凝土冻融次数超过200次,冻融损伤残余应变小,内部封闭小孔隙数量多对冻融损伤的抑制阻碍作用增强。结果表明风积沙混凝土的抗冻性能随着风积沙掺量的增加而提高,掺量为100%的风积沙混凝土的抗冻性最好。该研究可为风积沙混凝土大范围应用于寒区渠道衬砌及水利设施建设提供理论依据。     

近地层沙尘水平通量与集沙效率野外观测分析

沙漠是沙尘物质的重要源区,沙漠近地层沙尘水平通量的测量与研究是认识沙尘输送过程、评估风沙活动强度的基础。集沙仪是测量沙尘水平通量的最重要手段之一,被广泛应用于各种观测试验中。集沙效率是集沙仪最重要的参数,是校正沙尘水平通量测量数据的依据。选择塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区的典型平沙面为观测点,利用全自动高精度集沙仪,H-11B型Sensit风蚀传感器、10 m气象塔,于2010.7-2010.8月开展了野外观测试验,基于观测数据对全自动集沙仪的集沙效率、近地层沙尘水平通量进行了分析研究。结果表明:相同时段内,集沙总量与Sensit风蚀传感器所记录的跃移颗粒数具有较好的线性关系,R~2值平均为0.6053;全自动集沙仪在5 cm高度上的平均集沙效率为94.3%;观测期间,不同沙尘天气过程的沙尘输送量存在显著差异,通过宽2 cm×高5 cm截面的最大沙尘水平通量为190.335 kg,最小为1.2 kg;5 cm高度上的跃移输沙率总体上随着风速的增加而增大,但其中有部分天气时段输沙率随风速的变化不一致,而此情况下对应时段的地表温度明显更大。     

微生物固化风沙土的保水性能试验研究

[目的]研究微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)固化风沙土的性能,为MICP技术在固化风沙土以及恢复生态等方面提供理论依据。[方法]采用MICP技术对风沙土进行不同次数的固化处理,通过扫描电镜和光学显微镜对固化风沙土的微观结构进行分析,并测试分析固化试样的基本物理性质和保水性。[结果]通过MICP处理的风沙土,在风沙土颗粒之间有碳酸钙晶体生成,将沙土颗粒胶结在一起,使松散的风积沙固化成具有一定强度的整体;随着固化次数的增加,固化风沙土的厚度、干密度、碳酸钙含量逐渐增大,渗透系数逐渐减小,固化厚度由3.38 mm增加至11.28 mm,干密度由原沙的1.61 g/cm³增加至2.05 g/cm³,碳酸钙含量由8.99%增加至13.08%,渗透系数由原沙的1.06×10^-3 cm/s减少至2.35×10^-4 cm/s;当固化处理次数不大于5次时,保水率随固化处理次数的增加而增大,固化试样的保水性能有所改善,固化处理超过5次后,保水性能则有所下降。[结论]采用MICP技术固化的风沙土,可明显改善风沙土的干密度...     

西北风积沙区采煤扰动下土壤侵蚀与养分演变特征

为更好地理解西北风积沙矿区生态环境演变规律,以神东哈拉沟与上湾矿区为例,利用~(137)Cs示踪法分析了未采区、自恢复沉陷区(1、2、4、8 a沉陷区)与植被修复区(13 a沉陷区)的土壤侵蚀与养分特征,研究了矿区土壤侵蚀与养分的演变规律。结果表明:采煤扰动可以导致未采区土壤侵蚀强度增大与有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮养分明显损失。开采沉陷后,沉陷区土壤侵蚀强度随着时间的推移呈现出先增加后降低的趋势;其中,地表沉陷后的最初2 a是土壤侵蚀急剧增大的时段。采煤扰动下,土壤有机碳、微生物量碳、全氮、全磷、碱解氮养分的演变规律与土壤侵蚀演变密切相关。植被修复可以有效降低沉陷区土壤侵蚀强度与提高土壤养分含量。西北风积沙区采煤沉陷地表的生态恢复应该及时开展地表沉陷后的早起侵蚀防治,兼顾考虑植被修复与土壤微生物联合修复,以此促进土壤、植被正向演替。     

土壤含水率及物理性砂粒含量对风蚀模数影响的风洞模拟

为了探究土壤含水率及物理性砂粒含量对土壤风蚀模数的影响,在室内风洞中在5、6、9、12、15和18m/s风速下对不同含水率(0,1%,2%,3%,4%,5%,6%,7%,8%,9%和10%)的7种土壤(物理性砂粒质量分数的分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%)进行了10min吹蚀,在风洞轴线距出口1.2m处放置旋风式集沙仪分别测定垂直方向上10个不同高度的风蚀物收集量(高度分别为20、60、120、180、240、300、400、500、600和700mm),并利用MATLAB7.4.0(R2007)软件采用3次样条插值拟合法对旋风式集沙仪不同高度的风蚀物收集量进行积分,通过换算计算土壤风蚀模数E。结果表明,物理性砂粒质量分数低于40%的土壤在各种水分条件下集沙仪不同高度风蚀物收集量均很小。物理性砂粒质量分数≤20%时,风蚀物收集量在空间上符合指数函数变化规律;20%<物理性砂粒质量分数<40%风蚀物收集量在空间上利用指数函数和幂函数拟合相关性均很好,物理性砂粒质量分数高于40%后,风蚀物收集量在空间上呈现幂函数曲线变化规律。9m/s风速基本上是风蚀物空间动态发生变化的临界点;低于临界风速,风蚀物收集量与高度符合指数曲线变化规律;高于临界风速,二者符合幂函数曲线变化规律。集沙仪不同高度的总输沙量随风速的增加而增大,二者符合指数曲线变化关系。物理性砂粒质量分数低于40%的土壤,不会有风蚀现象发生;当物理性砂粒质量分数大于40%后,土壤容易发生风蚀,而且风蚀程度随物理性砂粒含量的增加而增大,尤其当土壤含水率低于3%时,极易发生风蚀。风速越大土壤风蚀模数越大,风蚀模数与风速按照指数曲线规律进行变化。阴山北麓旱作区冬春季节土壤地表含水率一般维持在3%～4%,土壤的物理性砂粒质量分数基本在50%～80%;单纯从土壤水分和土壤物理性砂粒含量考虑,阴山北麓旱作区大部分地区是沙尘暴的发生源。     

Similarities and dissimilarities between the dynamics of sand and dust during wind erosion of loamy sandy soil

Aeolian dynamics were measured during a wind erosion event on an agricultural field in Northern Germany. Because the topsoil was loamy sand, particle flow behaved as a sand–dust mixture and not as pure sand (>63 μm) or pure dust (<63 μm). Although generally similar, the erosion, transportation and deposition patterns were not identical for the two particle fractions. The difference was most pronounced for accumulation (defined as deposition minus erosion). For dust, accumulation was negative all over the field because grains were removed in dust clouds. For sand, spots of negative accumulation (erosion) alternated with spots of positive accumulation (accretion) and the net result for the field as a whole was close to zero. The study shows that accumulation maps cannot be used to reconstruct the areas of high aeolian activity. It also demonstrates that during wind erosion, the wind behaves as a selective medium. In topsoil with a median grain diameter between 40 and 160 μm, fine particles are more easily eroded than coarse. In topsoil with a median grain diameter <40 μm, the coarsest particles are more easily eroded. Topsoil with a median grain diameter around 90 μm is very susceptible to granulometric selectivity. The results show that soil lost through wind erosion in NW Germany can amount to several tons per hectare per erosion event, which suggests that wind erosion of soil is more important than water erosion in this region.     

不同高度阻沙栅栏蚀积过程及防沙效益研究

通过对不同高度阻沙栅栏蚀积过程的野外观测,结合同时期区域风况资料,分析了阻沙栅栏前后地表蚀积形态、蚀积量以及蚀积强度的时空变化特征。结果表明,在沙源充足条件下,不同高度阻沙栅栏上风向表现为风沙堆积,下风向风蚀与堆积共存,且程度与栅栏高度有关,栅栏总体蚀积量和蚀积强度的变化趋势与下风向变化趋势相近。其中,60和70cm高度阻沙栅栏风沙堆积量最大,防沙效果最佳,但二者积沙方向存在差别。70cm高度阻沙栅栏上风向积沙较多;60cm高度阻沙栅栏下风向积沙较多。在实际应用中,应依据防护对象合理配置阻沙栅栏并适时加高,避免阻沙栅栏过低或过高,进而影响防沙效果。此外,依据断面形态、蚀积量和蚀积强度的变化,将栅栏前后分为风沙堆积区、风蚀区和蚀积平衡区。     

平坦沙质地表蚀积量计算模型研究

通过对平坦沙质地表蚀积动态的野外观测,结合同时期区域风况资料,分析了平坦沙质地表蚀积过程。在输沙势和最大可能输沙量计算公式基础上,调整参数提出了平坦沙质地表蚀积量的计算模型,弥补了两者不能直观准确表示区域风沙活动的缺点。通过对比野外实测值与输沙势、模型预测值和最大可能输沙量之间的变化趋势得出它们存在同期波动特征。进一步比较回归方程可知,模型预测值回归方程更加显著,预测值更加接近实测值,能够更好地表示区域风沙活动特征和强度,可为沙漠的扩张和收缩提供量化预测依据。