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Journal of Zhejiang University SCIENCE A
ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly
2024 Vol.25 No.2 P.97-182
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: 2819 Clicked: 13649 Cited: 0 Commented: 2566(p.97-115) <Full Text><PPT> 1777
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
Hao LIU, Huamei YANG, Houzhen WEI, Jining YU, Qingshan MENG, Rongtao YAN
DOI: 10.1631/jzus.A2200389 Downloaded: 1927 Clicked: 3345 Cited: 0 Commented: 452(p.116-129) <Full Text><PPT> 511
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
Juanjuan REN, Junhong DU, Kaiyao ZHANG, Bin YAN, Jincheng TIAN
DOI: 10.1631/jzus.A2300303 Downloaded: 738 Clicked: 1331 Cited: 0 Commented: 0(p.130-146) <Full Text><PPT> 356
1苏州大学第一附属医院骨科，中国苏州市，215006
2宜兴市人民医院骨科，中国宜兴市，214299
3海安人民医院骨科，中国海安市，226600
4上海交通大学医学院附属苏州九龙医院骨科，中国苏州市，215028
摘要：骨关节炎（OA）是一种老年慢性进行性骨关节病。破骨细胞活化在早期骨关节炎软骨下骨丢失的发生中起着至关重要的作用。然而，骨性关节炎中破骨细胞分化的具体机制尚不清楚。在本研究中，从基因表达综合库（GEO）中筛选了与OA疾病进展和破骨细胞活化相关的基因表达谱。采用GEO2R和Funrich分析工具寻找差异表达基因（DEGs）。富集分析结果表明，化学致癌作用、活性氧和氧化应激反应主要参与OA软骨下骨的破骨细胞分化。此外，还鉴定了14个与氧化应激相关的DEGs。选择排名第一的差异基因血红素加氧酶1（HMOX1）进行进一步验证。相关结果显示，OA软骨下骨破骨细胞活化过程中伴随着HMOX1的下调。在体外实验中发现，鼠尾草酚通过靶向HMOX1，上调抗氧化蛋白的表达来抑制破骨细胞的形成。同时，在体内发现鼠尾草酚通过抑制软骨下骨破骨细胞的激活来减轻OA的严重程度。综上所述，软骨下骨氧化还原失稳态引起的破骨细胞活化是骨性关节炎进展的重要途径。在软骨下破骨细胞中靶向HMOX1可为早期OA的治疗提供新的见解。
关键词组：破骨细胞；氧化应激；骨关节炎（OA）；血红素加氧酶1（HMOX1）；鼠尾草酚
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: 820 Clicked: 1433 Cited: 0 Commented: 568(p.147-160) <Full Text><PPT> 438
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
Shen LIU, Xieping HUANG, Xiangzhen KONG, Qin FANG
DOI: 10.1631/jzus.A2300072 Downloaded: 967 Clicked: 1481 Cited: 0 Commented: 0(p.161-182) <Full Text><PPT> 346
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