三轴循环荷载作用下混凝土的力学性能及损伤特征研究

开展了不同循环加卸载（荷载分别为单轴抗压强度20%、30%、40%、50%、60%、70%和80%）作用下的三轴试验，研究了不同循环荷载作用对灌注桩混凝土力学性能的影响，并分析了混凝土的损伤特征。结果表明：在各级循环加卸载作用下，混凝土的应力-应变曲线出现内凹和右移推进现象；弹性模量随循环次数的增加先增加后减小；在各级循环内，泊松比呈“减小-稳定-增大”的变化规律，第90次循环后超过名义泊松比，混凝土损伤逐渐积累加深，轴向和横向不可逆应变均随循环次数的增加而增加；屈服阶段前混凝土的累计损伤小，屈服阶段后混凝土的横向累计损伤参数比轴向大。     

风积砂混凝土基本力学性能及影响机理

以不同质量分数风积砂代替河砂配制风积砂混凝土,研究其基本力学性能和影响机理.用核磁共振（NMR）技术、CT切片法和扫描电子显微镜（SEM）分析混凝土内部孔隙演变特征、受荷面的初始损伤、界面过度区（ITZ）结构形态及水化产物微观形貌.基于美国ACI经验模型,构建了考虑砂子细度模数或者比表面积变化的抗压强度预测模型.结果表明：当风积砂掺量为20%时,混凝土力学性能最优;适量风积砂改善混凝土抗压强度的机理在于其优化了颗粒级配,改善了混凝土内部孔径分布范围及ITZ结构,减小了受荷面的初始损伤;建立的抗压强度预测模型与试验结果吻合度较高.     

裂纹长度对混凝土材料细观损伤演化的分形研究

材料非均质性及裂纹长度对类岩石材料的细观力学机制和宏观非线性力学行为具有重要影响。结合数字图像处理技术（DIP）及岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了含不同裂纹长度混凝土的真实细观结构数值模型，研究了3组含不同长度裂纹混凝土材料的裂纹扩展特征及细观损伤力学特性。研究表明，裂纹长度对混凝土裂纹扩展有显著影响，表现为其峰值强度随着裂纹长度的增加而降低；砂石骨料对裂纹起裂与扩展具有抑制作用，材料细观非均匀性是形成裂纹不规则扩展路径的本质原因。应用分形理论对材料细观损伤演化过程进行刻画，采用基于声发射场的盒维数作为表征材料细观破裂的参量，将材料的宏观破坏与其内部破裂演化统一起来，为定量研究类岩石材料的损伤演化提供了新途径。     

混凝土破坏机理的探讨(一)

混凝土的抗压强度是混凝土材料最基本的性质,也是实际工程所要求的基本指标。混凝土抗压强度是以破坏时的压应力大小来衡量的。因此,研究混凝土的强度必须从研究混凝土的破坏入手。实验表明:在压力的作用下,混凝土产生纵向变形,同时也产生横向变形;当荷载增大到一定的程度后,试件中部的横向变形达到混凝土所能抵抗的极限值时,首先在该部位产生纵向裂纹;继续增加荷载,已产生的纵向裂纹进行扩展和延伸,同时产生新的纵向裂纹,最后,混凝土丧失承载能力而破坏。由此可见,混凝土产生裂纹是发     

水玻璃模数对地聚物再生混凝土力学性能的影响

采用地聚物为胶凝材料、废弃混凝土为粗骨料，制备了地聚物再生混凝土（GRAC），研究了不同水玻璃模数（n）条件下GRAC的力学性能，分析了其微观结构对力学性能的影响机理.结果表明：地聚物的强度由两种凝胶态水化产物提供，其分别具有层状的水化硅铝酸钙（C-A-S-H）结构和网络状的水化硅铝酸钠（N-A-S-H）结构；GRAC的抗压强度随n降低而增加；GRAC抗压强度的尺寸换算系数与n的大小相关，强度标准差随n增加而减小；在以n为变量的GRAC抗压强度本构方程中，n与GRAC应力-应变曲线的上升段拟合系数为多项式函数关系，与下降段拟合系数为有理分式函数关系.     

地基沉降作用下混凝土结构内部损伤状态X射线试验研究

采用足尺模型模拟地基沉降对养护期混凝土结构影响，通过对典型混凝土样本的大功率X射线切片扫描和三维重构，研究了不同养护龄期混凝土在地基沉降作用下内部结构、微裂缝及其断裂损伤状态。结果表明：地基沉降量及沉降时间对混凝土胶结状态有不同程度影响，地基沉降量越大，其粗骨料与周围的胶结情况越差，内部微裂缝出现的概率更高；初凝混凝土受地基沉降作用后，粗骨料周边易被折断或拉裂，萌生张拉裂缝；混凝土内部孔隙、裂纹、缺陷等损伤区域在地基沉降作用下存在扩展演化和微裂缝相互贯通和断裂局部化的可能性，对结构抗渗性和耐久性存在影响。研究结果可为大型污水处理池等混凝土结构抗渗设计提供参考。     

负温高性能混凝土强度与孔结构试验研究

运用压力试验机、压汞测孔法以及扫描电镜观测等实验手段,对负温高性能混凝土强度与孔隙特征的关系进行试验研究,研究结果表明:负温高性能混凝土强度受孔结构影响显著,呈现抗压强度增大孔隙率减小趋势关系。同时,抗压强度还受孔的级配、孔的形貌及孔的空间排列的影响。     

预湿方式对塑钢纤维轻骨料混凝土工作性及强度的影响

引入1.5MPa加压预湿方式,研究常压和加压预湿条件下,粉煤灰陶粒与页岩陶粒这2种轻骨料吸水率对塑钢纤维轻骨料混凝土坍落度经时损失和抗压强度的影响规律.结果表明:粉煤灰陶粒在常压预湿和加压预湿下吸水率相差不大,而页岩陶粒在常压预湿和加压预湿下吸水率差异明显,加压预湿时2种轻骨料混凝土坍落度经时损失均最小;1.5MPa加压预湿塑钢纤维轻骨料混凝土的早期抗压强度较低,而后期抗压强度增长率较大;塑钢纤维轻骨料混凝土中、后期抗压强度与轻骨料预湿方式和吸水率关系不大;相对于轻骨料混凝土的抗压强度,1.5MPa加压预湿的压力值对轻骨料的损伤可以忽略不计.     

基于CT和声发射的混凝土材料细观破坏研究

为了描述混凝土材料细观损伤破坏过程,将单轴压缩下混凝土试块的CT实验和声发射损伤定位实验相结合,利用Amira三维重建软件,统计单轴压缩下混凝土试件不同应力阶段的孔隙体积和孔隙质量中心坐标。研究表明:单轴压缩下的混凝土试块经历弹性孔隙压缩阶段,裂纹稳定拓展阶段和裂纹非稳定拓展三个主要变形阶段,试块损伤从散乱无序到逐渐有序,丰富了定量描述混凝土细观破坏过程的有效手段,为进一步探索混凝土材料细观破坏的机理奠定基础。     

混凝土在长期持续荷载下的损伤分析

本文研究了混凝土在长期持续荷载下的徐变和损伤行为.通过比较混凝土在持续荷载的损伤与疲劳损伤的联系,假定持续荷载下混凝土的损伤速率和名义应力强度因子速率成正比,通过滑移裂纹模型考虑了混凝土裂纹扩展演化直至破坏的过程,分析了混凝土在持续荷载下的徐变变形行为和徐变破坏机理,在此基础上研究了不同持续荷载水平下混凝土的强度和变形行为,并分析讨论了加载龄期,强度对混凝土在持续荷载下的性能的影响.与试验结果对比表明,本文的模型可以较好地反映混凝土在持续荷载下的性能.     

泡沫混凝土的配合比设计及性能研究

通过对泡沫混凝土的配合比设计,制备A03～A14密度等级泡沫混凝土,对其湿干密度、抗压强度、吸水率和软化系数进行测试,研究湿干密度之间的关系及各密度等级与各性能之间的关系,并对试件裂缝分布和宽度进行观测。结果表明,泡沫混凝土的湿干密度存在正相关性,抗压强度随干密度增加而增大,且存在二次函数关系,干密度等级为A14时的抗压强度最高为26.9MPa;吸水率随干密度等级增加而减小,与干密度成二次函数关系;软化系数与干密度存在幂函数关系,随干密度等级增大而升高。干密度等级高的泡沫混凝土的裂缝分布更狭小且均匀。     

再生骨料对钢纤维再生混凝土抗压性能研究

为研究不同掺量的再生骨料对于钢纤维再生混凝土抗压性能的影响,共进行了五组混凝土立方体试块的抗压试验,研究结果表明:钢纤维混凝土与普通混凝土相比,裂缝的数量较多,但是最大裂缝宽度较小;抗压强度有所增加,但增加量不明显。在钢纤维体积率一定的条件下,随着再生骨料掺加量的增加,钢纤维再生混凝土更易出现裂缝,且裂缝较多;但由于钢纤维的影响,其最大裂缝宽度变化不明显。     

Micromechanics model for static and dynamic strength of concrete under confinement

The process of propagation, kinking of microcracks in concrete and the interaction among cracks as well as the induced failure were analyzed using the model that describes the wing type crack from the point of view of micromechanics. The pseudo-force method is applied to calculate the compressive strength factor of kinky propagated crack taking into account the effect of interaction among cracks. On the assumption that the micro fracture toughness of concrete does not vary with stain rate, the static and dynamic strength of concrete under different confinements can be calculated. The comparison of calculation result with experimental data indicates that a good agreement is achieved which implies that the model can be used to explain the rate-dependent properties of concrete in multi-axial stress state. __________ Translated from Shuili Xuebao, 2007, 38(5): 538–545 [译自: 水利学报]     

Micromechanics model for static and dynamic strength of concrete under confinement

The process of propagation, kinking of micro-cracks in concrete and the interaction among cracks as well as the induced failure were analyzed using the model that describes the wing type crack from the point of view of micromechanics. The pseudo-force method is applied to calculate the compressive strength factor of kinky propagated crack taking into account the effect of interaction among cracks. On the assumption that the micro fracture toughness of concrete does not vary with stain rate, the static and dynamic strength of concrete under different confinements can be calculated. The comparison of calculation result with experimental data indicates that a good agreement is achieved which implies that the model can be used to explain the rate-dependent properties of concrete in multi-axial stress state.     

耐碱玻纤改善高性能混凝土抗裂性能研究

研究了不同掺量的玻璃纤维对高性能混凝土早期抗裂性能的影响,并以裂缝总条数、裂缝最大宽度以及总开裂面积评价其影响效果。同时,对比研究了纤维对高性能混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和拉压比的影响。结果表明:随着玻璃纤维掺量的增加,混凝土的裂缝总条数不断减少,总开裂面积明显降低,当纤维体积掺量达到0.11%时,能够显著抑制混凝土早期裂缝的产生。玻璃纤维的掺入对抗压强度影响不大,但提高了混凝土的劈裂抗拉强度、拉压比和韧性,改善了高性能混凝土的抗裂性能。     

聚丙烯纤维对粉煤灰混凝土的抗裂性试验研究

试验研究了聚丙烯纤维对大掺量粉煤灰混凝土的抗裂性及其他性能的影响。结果表明,在粉煤灰混凝土中掺入聚丙烯纤维可使混凝土的坍落度减小、稠度增大,抗压强度有所下降,但早期劈裂抗拉及抗折强度有明显的提高,尤其掺量1.5kg/m3最为显著。结构试验进一步表明,掺聚丙烯纤维能够有效地提高混凝土结构的抗裂性,改善韧性,延缓裂缝的发展。当纤维掺量为1.5kg/m3时,可有效地提高混凝土结构的抗破坏能力。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

岩石裂纹扩展诱发的强度弱化模型研究

岩石应力应变本构关系对于判断岩石强度、变形力学特性有着重要的意义,细观裂纹对岩石力学特性又有着重要的影响。基于细观裂纹扩展模型,将裂纹角度影响引入模型,并结合宏细观损伤定义联系,建立了一个考虑裂纹角度影响的轴向应力应变本构模型,并解释了围压与轴向应变本构关系,分析了裂纹贯通与岩石失效极限应变之间的联系,然后将该本构模型,与常规压缩试验与循环加卸载试验对比分析得到的试验规律相结合,提出了一个岩石内部裂纹扩展、变形损伤作用下岩石压缩强度弱化模型。并通过将不同围压下的裂纹启裂应力试验值和理论公式相结合,预测了模型中难以试验直接获取的关键参数μ,a,β,φ。其中初始裂纹尺寸a与裂纹角度φ,是由真实岩石中随机分布裂纹尺寸、角度平均化思维获取。随着裂纹扩展或应变增加,岩石压缩强度开始保持不变,当岩石达到一定损伤后不断降低。该强度弱化模型的应用,为地下工程围岩稳定性评价提供了一个重要的理论支持。     

混凝土特性数值方法研究及CT试验

建立三维混凝土数值模型,确定了三维“数字混凝土”数值试验的加载方法及强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土强度特性、受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。得出可以用位移控制的数值试验的应力应变曲线的极值点作为数字混凝土的强度点;混凝土强度主要受界面和砂浆强度控制;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从骨料尖角处相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,说明混凝土的静态裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于试样的破坏面积,破坏面积越大强度越高。     

不同容重等级微孔混凝土基本性能及微观结构研究

制备容重等级700~1300 kg/m3的微孔混凝土试件,研究微孔混凝土干湿容重的关系,容重等级与抗压强度、吸水率、软化系数、抗折强度和折压比的关系,以及聚丙烯纤维对微孔混凝土抗压强度和抗折强度的影响。结果表明,微孔混凝土的容重越高,其抗压强度、抗折强度越大,吸水率越低,软化系数越高;1.4%体积掺量的聚丙烯纤维可以显著提高微孔混凝土的抗折强度。通过电镜观察和XRD分析,揭示了微孔混凝土的孔结构、水化产物的微观形貌、膨胀珍珠岩和聚丙烯纤维在胶凝材料中存在的形式及水化产物,从微观结构角度解释容重等级对微孔混凝土基本性能的影响。