Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2024 Vol.25 No.2 P.97-182

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Special Feature on Low-Carbon Cement-Based Materials

Guest Editors: Shengwen TANG, Jing YU

Research Articles

Stress relaxation properties of calcium silicate hydrate: a molecular dynamics study

Zhicheng GENG, Shengwen TANG, Yang WANG, Hubao A, Zhen HE, Kai WU, Lei WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300476 Downloaded: 596 Clicked: 1372 Cited: 0 Commented: 0(p.97-115) <Full Text> <PPT> 204

Chinese summary <118> 水化硅酸钙应力松弛特性的分子动力学研究

作者：耿志成¹，汤盛文^1,2，汪洋¹，阿胡宝¹，何真¹，吴凯²，王磊³
机构：¹武汉大学，水资源工程与调度全国重点实验室，中国武汉，430072；²同济大学，先进土木工程材料教育部重点实验室，中国上海，200092；³西安建筑科技大学，材料科学与工程学院，中国西安，710055
目的：水化硅酸钙（C-S-H）是波特兰水泥的主要水化产物，是影响水泥基材料粘弹性机制的主要成分之一。然而，人们还未能在原子层面上完全理解水泥基材料在外加变形作用下随时间变化的粘弹性响应。本文旨在通过建立不同钙硅比的C-S-H模型，以分子动力学模拟的方式系统研究不同因素对水化硅酸钙应力松弛性能的影响。
创新点：1.基于分子动力学模拟，获得C-S-H的应力松弛特性；2.研究应变状态、钙硅比和内部水含量对C-S-H应力松弛的影响，揭示其在应力松弛过程中所涉及的内部结构及能量变化。
方法：1.通过各原子基团的均方位移在应力松弛过程中考虑C-S-H层间区域的粘度变化；2.基于时间相关函数，在不同应变状态、钙硅比以及温度的条件下研究C-S-H层间区域涉及到的化学键断裂与重组；3.阐明氢键网络和C-S-H形态对不同含水量下C-S-H应力松弛特性演变的影响。
结论：1.在不同的初始变形条件下，C-S-H应力松弛响应均会发生，并显示出非均质特征；2.钙硅比的增大以及温度的提高会导致水分子、羟基和层间钙原子的运动加快，从而引起C-S-H层间区域的粘度降低，进而导致C-S-H的初始应力及残余应力降低；3.由于水分子会影响C-S-H的形貌以及层间氢键网络，所以C-S-H在不同水含量时展现出不同的应力松弛特性。

关键词组：水化硅酸钙；应力松弛；钙硅比；温度；水含量；原子模拟

Effect of coral sand on the mechanical properties and hydration mechanism of magnesium potassium phosphate cement mortar

Hao LIU, Huamei YANG, Houzhen WEI, Jining YU, Qingshan MENG, Rongtao YAN

DOI: 10.1631/jzus.A2200389 Downloaded: 1229 Clicked: 2349 Cited: 0 Commented: 452(p.116-129) <Full Text> <PPT> 143

Chinese summary <98> 珊瑚砂对磷酸钾镁水泥砂浆力学特性与水化机理的影响

作者：刘昊^1,2,3，杨华美^4,5，魏厚振³，于基宁⁶，孟庆山³，颜荣涛^1,2
机构：¹桂林理工大学，土木与建筑工程学院，中国桂林，541004；²桂林理工大学，广西岩土力学与工程重点实验室，中国桂林，541004；³中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，中国武汉，430071；⁴武昌理工学院，智能建造学院，中国武汉，430223；⁵中国长江三峡集团有限公司，水工混凝土工程技术研究室，中国北京，100038；⁶中铁第一勘察设计院集团有限公司，中国西安，710043
目的：在珊瑚岛礁上，构筑物因为潮汐和风浪的双重侵蚀作用而损伤严重。为确保修补有效和取材便利，人们采用磷酸钾镁水泥和珊瑚砂配制成砂浆对珊瑚岛礁构筑物进行修补。本文旨在探讨珊瑚砂对磷酸钾镁水泥砂浆的宏细观力学特性、抗侵蚀性及水化行为的影响规律，为磷酸钾镁水泥作为快速修补材料在珊瑚岛礁损伤构筑物中应用提供理论基础和技术支撑。
创新点：1.揭示珊瑚砂对磷酸钾镁水泥砂浆宏细观力学特性和抗侵蚀性能的影响规律；2.采用定量分析的方法阐明珊瑚砂对磷酸钾镁水泥水化产物相组成和相对含量的影响规律。
方法：1.利用抗压强度测试和显微硬度测试手段分析不同养护龄期下关键因素掺量对磷酸钾镁水泥-珊瑚砂浆宏细观力学特性的影响；2.将磷酸钾镁水泥砂浆暴露于Na₂SO₄溶液中，分析其在长期浸泡条件下抗压强度的劣化机制及抗盐溶液侵蚀的行为规律；3.利用扫描电子显微镜-能谱仪，揭示不同养护龄期下水化产物相形貌及微结构特征，结合X射线衍射，利用绝热法定量分析水化产物相相对含量随养护龄期的变化规律。
结论：1.与磷酸钾镁水泥-河砂浆相比，磷酸钾镁水泥-珊瑚砂浆体的界面显微硬度值更高，且其界面过渡区平均显微硬度值与抗压强度呈明显的线性关系。2.磷酸钾镁水泥-珊瑚砂浆在清水和Na₂SO₄溶液长期浸泡下的抗压强度保持稳定，表现出较好的抗Na₂SO₄溶液侵蚀能力。3.珊瑚砂可以在水化初期（1~12 h）改善浆体内溶液环境，抑制KH₂PO₄的溶解，并生成絮状络合物6KPO₂·8H₂O；在7~28 d阶段，6KPO₂·8H₂O逐渐溶解并参与反应，保障MgKPO₄·6H₂O有足够的时间结晶成核，使得晶体相互搭接，形成了致密的板状结构，进而保障了磷酸钾镁水泥-珊瑚砂浆优异的力学性能和抗侵蚀能力。

关键词组：磷酸钾镁水泥；珊瑚砂；力学性能；抗侵蚀性；水化机理

Regular papers

Transfer relation between subgrade frost heave and slab track deformation and vehicle dynamic response in seasonally frozen ground

Juanjuan REN, Junhong DU, Kaiyao ZHANG, Bin YAN, Jincheng TIAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300303 Downloaded: 257 Clicked: 448 Cited: 0 Commented: 0(p.130-146) <Full Text> <PPT> 80

Chinese summary <98> 季冻区路基冻胀与无砟轨道变形的映射关系及车辆动力响应

作者：任娟娟^1,2，杜俊宏^1,2，章恺尧^1,2，闫斌³，田晋丞⁴
机构：¹西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031；²西南交通大学，土木工程学院，中国成都，610031；³中南大学，土木工程学院，中国长沙，410075；⁴中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，机场工程所，中国昆明，650051
目的：季冻区路基冻胀对高速列车运行的安全性和舒适性以及轨道结构的服役性能具有较大影响。基于实测数据，本文旨在建立轨道-路基冻胀空间耦合静力学模型和车辆-轨道-路基冻胀空间耦合动力学模型，并采用傅里叶级数进行冻胀波形拟合，进一步探究季冻区高速铁路路基冻胀与轨道结构变形映射关系、层间离缝特征及路基冻胀对车辆动力响应的影响，以期为季节性冻土路基冻胀问题的防治及研究提供依据。
创新点：1.采用傅立叶级数对实测数据进行拟合，并将其作为有限元模型的输入边界条件；2.提出将静力模型的计算结果作为动力模型初始条件的计算方法，简化计算过程，提高计算效率；3.从时域和频域探讨路基冻胀波长和幅值对车体振动加速度和轮轨力的影响。
方法：1.采用傅立叶级数对现场实测数据进行拟合，并将其作为有限元模型的输入边界条件（公式(4)）；2.通过建立路基冻胀-无砟轨道结构静力与动力模型，分析轨道结构层变形映射关系及车辆动力响应。
结论：1.冻胀位置对轨道垂向上拱变形及层间离缝影响较大；2.轨道结构各层最大垂向变形随冻胀幅值的增大而增大，且几乎呈线性变化；3.路基冻胀波长越大，对车体垂直加速度的影响越小；4.当冻胀波长一定时，车体垂向加速度随冻胀幅值的增加呈非线性增加，且增加幅度逐渐变小。

关键词组：无砟轨道；路基冻胀；映射关系；车辆-轨道-路基耦合；动力响应

Influence of ground effect on flow field structure and aerodynamic noise of high-speed trains

Xiaoming TAN, Linli GONG, Xiaohong ZHANG, Zhigang YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300034 Downloaded: 350 Clicked: 499 Cited: 0 Commented: 568(p.147-160) <Full Text> <PPT> 87

Chinese summary <91> 地面效应对高速列车流场结构及气动噪声的影响

作者：谭晓明^1,2，龚林立¹，张晓红¹，杨志刚²
机构：¹湖南理工学院，机械工业激光磨削复合智能制造与服役性能优化重点实验室，中国岳阳，414000；²中南大学，轨道交通安全教育部重点实验室，中国长沙，410075
目的：高速列车作为高速地面交通工具，不可避免地会遇到地面效应问题。地面效应模拟一直是高速列车风洞试验的技术难点。地面效应现象的准确模拟对高速列车空气动力学和气动噪声的预测精度有很大的影响。通过对比4种地面模拟系统（GSS）的流声场结果，研究不同GSS对流场结构、气动声源和远场辐射噪声特性的影响规律，为高速列车声学风洞试验提供指导。
创新点：1.搭建高速列车地面模拟系统，模拟不同边界条件；2.明确轮对旋转与地面滑移对高速列车气动噪声幅值的相对增量及影响频率范围。
方法：1.在仿真系统中建立"移动地面+旋转轮对"、"静止地面+旋转轮对"、"移动地面+静止轮对"和"静止地面+静止轮对"四种地面模拟系统；2.采用大涡模拟和旋度声学积分方程，对高速列车的流声场结果进行模拟；3.通过对比4种GSS的流声场结果，研究不同GSS对流场结构、气动声源和远场辐射噪声特性的影响规律。
结论：1.移动地面和旋转轮对是影响列车底部气动声学性能的主要因素；2.旋转轮对对整车等效声源功率的影响不大于5%，且移动地面对整车等效声源功率的影响大于15%；3.旋转轮对对整车辐射声压级的平均影响为0.3 dBA，且运动地面对整车辐射声压级的平均影响为1.8 dBA；它们主要影响100 Hz以下的气动声学性能。

关键词组：高速列车；气动声学；流场结构；大涡模拟；移动地面；旋转轮对

Constitutive modelling of concrete material subjected to low-velocity projectile impact: insights into damage mechanism and target resistance

Shen LIU, Xieping HUANG, Xiangzhen KONG, Qin FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300072 Downloaded: 482 Clicked: 576 Cited: 0 Commented: 0(p.161-182) <Full Text> <PPT> 77

Chinese summary <96> 弹体低速侵彻混凝土材料的数值模拟研究：靶体损伤机理及阻力机制新见解

作者：刘慎^1，2，黄谢平^1，2，孔祥振³，方秦³
机构：¹浙江大学，超重力研究中心，中国杭州，310058；²浙江大学，岩土工程研究所，中国杭州，310058；³中国人民解放军陆军工程大学，爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，中国南京，210007
目的：弹体冲击作用下，混凝土靶呈现三个阶段的典型破坏模式，即正面成坑、中间掘隧道及背面震塌，但对三个阶段损伤破坏机理及混凝土靶抗侵彻阻力主要影响因素的认识一直存在很大争议。拟标定近期提出的较为完善的混凝土帽盖弹塑性损伤本构，全面探究弹体低速冲击下（弹体速度低于500 m/s）混凝土拉伸、剪切及体积压缩行为对混凝土靶抗侵彻阻力及损伤破坏的影响机制。
创新点：1.全面分析混凝土拉伸、剪切及体积压缩行为对混凝土靶抗侵彻阻力及损伤破坏的影响机制；2.成功预测弹体在混凝土靶掘隧道高压力阶段孔隙坍缩引起的损伤行为。
方法：1.改进混凝土帽盖弹塑性本构，引入单元删除准则（公式(19)），标定模型参数（图2）；2.与公开弹道试验定性定量结果对比，验证材料本构、数值模型和参数的合理性（图6~8）；3.数值模拟究混凝土拉伸、剪切及体积压缩行为对混凝土靶体抗侵彻能力及损伤破坏模式的影响，并与公开文献中主要发现进行讨论。
结论：1.混凝土正面成坑及背面震塌的形成主要由其拉伸力学行为决定，而中间高压力掘隧道过程则由混凝土剪切及体积压缩行为决定。2.单轴压缩强度不是混凝土靶抗侵彻阻力主要影响因素，其高压力下的剪切及体积压缩行为起决定作用，且中间高压力掘隧道阶段是混凝土靶抗弹体侵彻的主要过程。3.拉伸力学行为在混凝土靶抗侵彻阻力计算模型中被普遍忽视，但本文研究发现混凝土拉伸力学行为可显著影响弹体的残余速度，因此其作用不容忽视。

关键词组：侵彻；贯穿；损伤机理；靶体阻力；弹体冲击；孔隙坍缩