硬岩矿山巷道在机械冲击凿岩和炸药爆破的动力扰动作用下极易发生冒顶片帮和岩爆等动力灾害, 研究巷道变形破坏机理的动载效应意义重大。为了弄清动力扰动下巷道围岩的力学行为, 将硬岩巷道简化为岩石力学孔口问题, 采用50 mm杆径的改进型霍普金森压杆实验系统对系列含孔洞板状砂岩进行了冲击加载实验, 探索孔洞尺寸和形状对岩石动态力学参数、破坏模式及能量耗散特征的影响。研究结果表明: 孔洞的存在对岩石的动态强度、动态弹性模量和峰值应变均具有显著的弱化作用。随着孔洞尺寸的增大, 岩石动态力学特性参数显著降低; 不同孔洞形状中, 方形孔洞试样的动态强度和峰值应变最大, 紧接着是马蹄形孔洞和圆形孔洞试样, 而它们的弹性模量大小呈现相反的结论。岩石破坏形态方面, 冲击作用下完整岩石和孔洞岩石分别发生劈裂拉伸破坏和拉剪破坏。另外, 马蹄形孔洞试样能耗密度和分形维数同比最大, 分别为1.94 J/cm3和2.11 J/cm3, 表明其破坏过程最为剧烈, 而圆形和方形孔洞试样的破碎块度相差不大。该研究成果科学揭示了硬岩巷道围岩破裂特征, 为硬岩巷道支护设计和岩石灾变防治奠定了重要理论基础。

地聚物是通过化学激发生成的具有低碳属性的新型胶凝材料, 具有部分取代水泥的巨大潜力。本文通过压汞试验表征了偏高岭土-矿渣地聚物净浆及砂浆的孔隙结构, 分析了液固比、砂体积分数等因素对孔结构特性的影响, 明确了孔结构特性与面分形维数的相关性。采用氯离子非稳态电迁移试验、非稳态自然扩散试验和水分扩散试验, 研究了偏高岭土-矿渣地聚物净浆与砂浆的抗渗透性能, 分析了液固比、砂体积分数及孔面分形维数与浆体介质传输性能的相关性。结果表明: 随着液固比增大, 地聚物净浆的孔隙率和最可几孔径均增大, 抗渗透性能降低; 地聚物砂浆的抗渗透性能优于水泥砂浆, 砂体积分数增加时, 地聚物砂浆的最可几孔径和介质传输系数均先减小后增大, 抗渗透性能先增强后减弱; 孔面分形维数能较好地表征地聚物浆体孔结构特性, 并与抗渗透性能相关性良好。

本论文以Al(OH)3胶体为研究对象, 使用同步辐射SAXS技术并结合FTIR、SEM、DLS、Zeta potential表征手段, 考察了Al(OH)3胶体粒子在老化时间0 - 135 min下的分形结构演化规律, 并提出了一种可能的生长机制。不同老化时间下的双对数坐标图呈现明显的线性, 说明胶体样品存在分形结构。结果表明, 随着老化时间的延长, 质量分形维数Dm由25 min时的2.29增加至85 min的2.78;95 min - 135 min时, Dm值在2.76 - 2.79范围内, 基本不发生变化。这说明, 老化时间在25 min - 85 min时, 体系初级颗粒由最初的相对分散状态快速团聚为大尺寸的团簇, 最后形成致密的凝胶。95 min - 135 min, 凝胶过程已经完成, 胶粒尺寸不发生变化, 135 min时胶块可能发生破裂。

针对目前市面上的干眼诊断设备有诸如成本高、体积大和由于使用帧差法导致检测结果准确度不高等一些问题, 本文设计了基于近红外图像诊断干眼的便携式设备。该设备使用基于近红外成像的 Windows计算机进行检测, 便于携带, 可用于检测泪膜破裂时间(tear film break-up time, TBUT)、睑板腺(meibomian gland, MG)与泪河高度(tear meniscus height, TMH)等干眼症状。采用分形盒维数法检测 TBUT, 避免帧差法检测不准确; 通过近红外(850 nm)补光成像技术检测 MG, 采用对比度受限自适应直方图均衡(contrast-limited adaptive histogram equalization, CLAHE)算法处理, 将腺体区域突出, 能够更加准确地检测面积缺失率。为了验证该仪器检测结果准确性, 使用 50组测试样本进行验证性实验, 实验结果与意大利的 CSO Antares(安达斯)仪器和 SBM公司的 ICP OSA等的检测结果进行对比。该设备的 TBUT和 TMH检测的结果与两个对照组结果的相关系数为 P<0.05, 检测的结果一致性较好; MG的检测正确率为 86%, 特异度为 84%。实验结果表明, 该设备可作为干眼症的筛查和诊断设备用于眼科医院和视觉光学中心。

为改善轻质混凝土匀质性, 提升轻质混凝土力学性能, 本文通过建立Herschel-Bulkley(H-B)塑性黏度计算模型, 探究了发泡浆体流变特性对泡沫沉降和浆体中陶粒分布的影响。结果表明: 随增稠剂掺量的增加, 轻质混凝土发泡浆体的屈服应力和基于非线性H-B模型ηH-B=0.016 67K(80n-20n)(ηH-B为H-B模型得出的发泡浆体塑性黏度;K为一致性系数; n为流动指数)得到的塑性黏度增大, 导致发泡浆体沉降距下降, 陶粒在浆体中的分形维数提高; 当发泡浆体塑性黏度大于1.74 Pa·s、屈服应力大于92.87 Pa时, 可制备抗压强度大于10 MPa的轻质混凝土。由此可见, 优化发泡浆体流变特性是克服陶粒在发泡浆体中易上浮问题的关键, 可有效改善轻质混凝土匀质性, 提升轻质混凝土力学性能。

孔结构是混凝土微观结构中重要的组成部分, 影响着混凝土的宏观性能, 为了研究生活垃圾焚烧灰渣代替天然砂对混凝土孔结构和抗压强度的影响, 通过核磁共振技术对生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土微观孔结构进行测试, 分析了孔隙率和孔隙分布变化规律, 并根据分形理论研究了孔隙分形特征, 获得各孔径区间的分形维数与整体分形维数, 并探讨了各孔径占比、孔隙率和分形维数与抗压强度之间的灰熵关联度。结果表明: 随生活垃圾焚烧灰渣代砂率的增加, 混凝土孔隙率增加, 无害孔占比减小, 抗压强度降低; 分形维数随着生活垃圾焚烧灰渣代砂率的增加而减小, 由于生活垃圾焚烧灰渣具有潜在的水硬性, 随龄期的增长, 分形维数呈增加趋势, 同时孔隙结构得到了优化。灰熵关联度分析发现生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土整体分形维数和无害孔占比对抗压强度影响最大。

为研究钢纤维混凝土损伤破坏过程和裂纹发展演化机理, 基于分形理论和扩展有限元法, 建立钢纤维混凝土立方体抗拉试验细观有限元模型和切口梁三点弯曲试验有限元模型, 以相关试验测试结果为基础, 比较验证了所建有限元分析模型的可靠性。以裂纹分形维数表征钢纤维混凝土损伤演化过程, 考察不同钢纤维体积掺量和长度、粗骨料形状等重要因素对钢纤维混凝土损伤演化过程的影响。结果表明, 基于裂纹分形维数的损伤值可以较好地反映钢纤维混凝土的损伤演化过程及特征, 钢纤维体积掺量、长度的增加和骨料形状的不规则化会延缓钢纤维混凝土立方体试件的损伤演化过程, 钢纤维体积掺量、初始裂纹距跨中距离的增加和初始裂纹缝高比的减小可在较小程度上延缓钢纤维混凝土切口梁的损伤演化过程。