南海珊瑚礁砂水泥胶结体的力学特性与自修复试验研究

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随着我国南海岛礁开发和“一带一路”沿线珊瑚礁工程的建设,南海岛礁珊瑚礁砂将不可避免作为建筑原材料。由于珊瑚礁砂颗粒的易破碎、丰富内孔隙和低强度等特征,使其作为建筑材料面临较多难题,如珊瑚礁砂低强度引起结构体的裂缝,在海水情况下,裂缝会带来腐蚀问题进而影响结构体强度。因此,复杂海洋环境下,南海珊瑚礁砂水泥胶结体的力学特性与加固试验研究显得尤为重要。本文以珊瑚礁砂水泥胶结体为研究对象,提出并研究了不同级配的微胶囊主动加固技术和玄武岩纤维以及碳纳米管的被动加强技术。主要研究内容如下:(1)以珊瑚礁砂胶结体为研究对象,探究了淡水和海水制作的珊瑚礁砂试块在单轴抗压强度试验和高应变率下的冲击试验,分析了不同养护环境和不同水环境下的试件强度。基于冲击试验结果,分析了海水和淡水对试样的应变率、试块强度耗能密度的影响。试验结果表明,海水试块动态强度和耗能要高出淡水组试块20%左右,可见海水试块的海盐的结晶析出对其力学性能有较大影响。(2)基于珊瑚礁砂水泥胶结体易破碎特性,研究了微胶囊的主动加固技术;考虑到珊瑚礁砂丰富内孔隙特征,本文提出了变粒径的微胶囊加固技术。在分析微胶囊粒径范围与试块内部孔隙分布规律间的耦合效应下,提出了与珊瑚礁砂水泥胶结体孔隙匹配的变粒径微胶囊加固方法;通过自制脲醛树脂的微胶囊,提出了微胶胶囊合成转速与微胶囊粒径大小的公式,并探究了微胶囊的修复效率;通过对比试验和压电陶瓷无损测试结果表明,微胶囊为3%的水泥掺量时的自修复效率为75%,且强度相比于对照组提升了85%;进一步的通过SEM试验,分析了微胶囊修复的微观机理;最后,对微胶囊在海水环境以及酸碱环境下的自修复进行了探究,结果表明海水环境修复效率为59%左右,而酸碱环境下均不超过20%。(3)研究了基于玄武岩纤维以及碳纳米管的珊瑚礁砂水泥胶结体的被动加强方法,通过在珊瑚礁砂试块掺入不同掺量的玄武岩纤维以及碳纳米管,利用冲击试验对两种材料的加固效果进行研究。试验结果表明,在低应变率条件下两种材料加入到珊瑚礁砂试块后,相比于对照组试块在强度和韧性方面有很大的提升(50%左右)。而且结合试块的最后的破碎形态以及试块动态强度和耗能等指标,当两种材料掺量适当时(0.3%、0.04%),可以有效的改善试块的整体性进而提升试块的性能。
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