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岩石、混凝土材料的接触损伤及冲击球压法评价研究

作　者: 岳汉威
导　师: 马振珠
学　校: 中国建筑材料科学研究总院
专　业: 材料学
关键词: 冲击球压岩石混凝土表面接触损伤腐蚀环境
分类号: TU528
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

岩石、混凝土是最为重要的建筑材料,在服役过程中,往往会遭受环境介质的作用而发生劣化。对于所有劣化过程来说,材料的表面是产生劣化的首要位置,因此,研究岩石、混凝土材料表面的接触损伤及规律是有重要意义的。为了探索可敏锐评价岩石、混凝土材料受环境腐蚀后表面性能变化的检测方法,采用自制的冲击球压装置,利用冲击球压法研究了花岗岩、大理石、硬化阶段混凝土、高强混凝土等材料在腐蚀介质中的接触损伤机制、腐蚀介质对损伤的扩展过程、冲击荷载—压痕尺寸、冲击荷载—冲击时间、冲击压痕应力—压痕应变等关系,推导了近似的、用于评价岩石、混凝土类材料表面力学性能变化的动态硬度和恢复系数的表达式。研究结果表明:(1)不同材料和处于环境影响中的同种材料的冲击荷载—冲击时间曲线整体上没有变化,但是冲击结束时球头内的冲量状态和产生二次冲击的时间却与材料表面的完好、坚硬程度同步增加或降低;由这一特性可知,可利用冲击球压法评价材料表面性能的变化;(2)本试验范围内,岩石、混凝土在冲击荷载作用下,压痕尺寸首先随着荷载的增加而同步增加,当荷载到达某一临界值后,荷载缓慢增加,而压痕尺寸继续迅速增加,且压痕随荷载的变化近似于线性特征。随着腐蚀作用的延续,花岗岩、高强混凝土材料的这一特征在临界荷载之后基本不会发生较大的变化,但是临界荷载之前的曲线斜率随着腐蚀而下降;硬化中的混凝土随着硬化的进行这种特征逐渐体现出来,而大理石随着腐蚀的进行,曲线轮廓特征虽然没有变化,但是曲线的整体范围逐渐减小;(3)对动态硬度和恢复系数的估算表明,相同荷载水平下,未被腐蚀的岩石、混凝土材料动态硬度和恢复系数最高;随着腐蚀的进行,花岗岩的动态硬度、恢复系数逐渐降低,而大理石迅速降低;随着硬化的进行,混凝土表面的动态硬度、恢复系数逐渐升高,以水中和标准养护室内的试件最高,室外和硫酸盐环境中的试件最低,这一特征在抗压强度指标上无法判别;(4)对已有损伤的岩石、混凝土材料的损伤扩展试验结果表明,随着腐蚀的继续进行,花岗岩和高强混凝土的损伤区域持续增大,大理石的损伤区域急速增长;以上结果表明,利用冲击球压技术评价岩石、混凝土材料的接触损伤和表面遭受环境介质产生的腐蚀损伤是可行的,该研究可以为工程应用提供一定的参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-21
  1.1 本课题的研究意义  9-10
  1.2 冲击球压理论概述  10-12
    1.2.1 日常生活中的冲击球压行为  10
    1.2.2 冲击现象的划分  10-12
  1.3 冲击球压技术与压痕形成机理研究现状  12-18
    1.3.1 冲击球压理论与压痕形成机理研究现状  12-16
    1.3.2 动态硬度研究现状及必要性  16-17
    1.3.3 冲击球压技术在各向异性材料中的应用  17-18
  1.4 本文研究工作和内容  18-21
第二章冲击球压技术及冲击过程中的能量转化  21-28
  2.1 冲击过程与材料响应特征  21-22
  2.2 冲击球压理论  22-23
  2.3 冲击球压过程中的能量转化  23-26
  2.4 材料的硬度  26-28
第三章材料与试验  28-33
  3.1 试验方法  28
  3.2 试验材料与制备  28-30
  3.3 试验设备  30-33
第四章利用冲击球压法评价材料表面弹塑性特征  33-42
  4.1 冲击荷载-时间曲线特性分析  33-35
  4.2 动态硬度与恢复系数的定量化  35-37
  4.3 不同材料的冲击压痕形貌特征  37-40
  4.4 小结  40-42
第五章混凝土表面的硬化特征  42-51
  5.1 冲击荷载—压痕尺寸曲线特性  42-46
  5.2 硬化阶段混凝土表面的弹塑性特征  46-48
  5.3 硬化阶段混凝土表面的硬度特征  48-50
  5.4 小结  50-51
第六章酸腐蚀作用下岩石的接触损伤  51-64
  6.1 酸腐蚀前后岩石的压痕形貌特征  52-57
    6.1.1 花岗岩腐蚀前后压痕形貌特征  52-55
    6.1.2 大理石腐蚀前后压痕形貌特征  55-57
  6.2 酸腐蚀前后岩石表面力学特征的变化  57-62
  6.3 小结  62-64
第七章严重腐蚀下混凝土表面的接触变形和损伤  64-78
  7.1 常见混凝土化学破坏方式和本试验的目的  64-66
  7.2 高强混凝土的接触损伤规律  66-68
  7.3 腐蚀作用下高强混凝土的接触损伤  68-77
    7.3.1 腐蚀作用下高强混凝土的冲击荷载—压痕关系  68-74
    7.3.2 腐蚀作用下高强混凝土表面的弹塑性变化  74-75
    7.3.3 腐蚀作用下与高强混凝土相关的其他物理量的变化  75-77
  7.4 小结  77-78
总结与展望  78-82
  本文的主要结论  78-80
  本文存在的不足、后续工作展望及设想  80-82
参考文献  82-87
攻读硕士学位期间发表的与本文有关的研究论文  87-88
致谢  88

岩石、混凝土材料的接触损伤及冲击球压法评价研究

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