基于虚拟裂缝模型的混凝土断裂过程区研究

利用虚拟裂缝模型对混凝土断裂过程区进行了研究.以无限大板中心拉伸裂缝模型为例,将过程区裂缝张开位移采用多项式级数形式表示,求得了断裂过程区上的位移分布和粘聚力分布.进而分析了材料参数对断裂过程区上的位移、粘聚力、断裂过程区长度以及峰值外荷载的影响.结果表明:断裂过程区上的位移和粘聚力均为非线性分布.断裂过程区长度随骨料最大粒径增大而逐渐增大,随抗压强度增大而逐渐减小.峰值外荷载随骨料最大粒径和抗压强度增大均逐渐增大.     

粗细骨料比例和水泥石强度对混凝土断裂参数的影响

骨料对于混凝土断裂性能的影响是近年来各国学者普遍关心的课题。采用基于粘性裂纹模型(FCM)的数值分析方法,通过三点弯曲试验,评价了粗细骨料比例(砂率:0.30-0.67)及水泥石强度(混凝土抗压强度:40-80MPa)对混凝土断裂参数的影响。这些参数包括抗拉强度、抗弯强度、应力-裂纹宽度关系和断裂能。研究结果表明,骨料总量一定而粗骨料含量不同时,抗压强度几乎不受影响,而随粗骨料含量增加,抗拉强度、抗弯强度和断裂能均逐渐增大。同时,水泥石强度增高,开裂强度、抗拉强度、抗弯强度和断裂能均增大。     

纤维素等若干因素对仿钢纤维增强透水混凝土性能的影响

本实验研究了不同仿钢纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%)对透水混凝土抗压强度和透水系数的影响,并分析了骨料粒径、细骨料、纤维素等因素对仿钢纤维增强透水混凝土抗压强度和透水性能的影响。研究表明:仿钢纤维能够在一定程度上提高透水混凝土的早期强度;随仿钢纤维掺量的增加,透水混凝土28 d的抗压强度呈先上升后下降趋势,即存在最优掺量;当仿钢纤维掺量增加时,透水混凝土的透水能力先下降后上升;透水混凝土的抗压强度随骨料粒径的增大而降低,透水系数随骨料粒径的增大而明显增大;细骨料会使透水混凝土的早期抗压强度降低,但会提高透水混凝土28 d的抗压强度;随着细骨料取代量的增加,透水混凝土的透水系数先增大后减小;透水混凝土的抗压强度随纤维素掺量的增加而降低,透水系数随纤维素掺量的增加而增大。本研究可为实际透水混凝土施工过程中外掺料的选择提供参考。     

再生骨料透水混凝土的透水性和抗压强度

为系统掌握再生骨料透水混凝土的制备和性能变化规律,采用实验手段研究了再生骨料透水混凝土的透水性能和抗压强度。参考一般混凝土试验方法,分析在不同骨料粒径组合下原生骨料透水混凝土透水性能和抗压强度的差异。在此基础上,选择透水性能和抗压强度均较优的骨料粒径组合,在其中加入再生骨料,探究不同再生骨科取代率对再生骨料透水混凝土透水性能和抗压强度的影响以及透水系数与抗压强度间的相关性。结果表明:(1)对于采用的粒径组合(10 mm+20 mm),再生骨料透水混凝土的抗压强度较原生骨料透水混凝土高,当取代率不超过50%时,其抗压强度随取代量的增加而增大,但当取代率超过50%时,其抗压强度则有所下降;(2)再生骨料透水混凝土的透水性能较原生骨料透水混凝土好,透水系数随取代量的增加会有30%~195%的增幅;(3)与原生骨料透水混凝土抗压强度随透水系数增加持续下降变化不同,再生骨料透水混凝土的抗压强度随透水系数的增加会呈先上升后下降的变化。     

自密实轻骨料混凝土的双K断裂参数和断裂能试验研究

自密实轻骨料混凝土(Self-consolidating lightweight concrete,SCLC)是一种自重轻,无需振捣的新型混凝土。其工作性能、耐久性能已有少量研究,但SCLC的断裂性能目前未见报道。该文配制了六组不同的缝高比的SCLC三点弯曲梁。通过试验测得的荷载-位移曲线,计算了SCLC的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度,并采用边界效应方法计算了真实断裂能。试验表明,SCLC的起裂断裂韧度随试件缝高比增大而增大,失稳韧度则随缝高比的增大而保持常数,为1.17MPa.m1/2。测得的断裂能Gf也随试件缝高比的增大而增大,真实断裂能GF=116.1N/m,过渡韧带长ab*=32.5mm。     

考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型

混凝土宏观力学性能与其内部细观结构构造密切相关。该文建立了一类能够考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型。首先,采用细观力学数值试验法对理论模型中的参数进行了标定;进而,基于该模型对混凝土断裂能和单轴抗拉强度在材料层次的尺寸效应行为进行了分析。结果表明:混凝土断裂能和单轴抗拉强度均随骨料级配（即最大骨料粒径）发生变化,且受到界面特性的影响。当界面过渡区力学性能相对薄弱时,混凝土强度较低,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大而呈现减小的趋势;当界面过渡区力学性能较强时,混凝土强度较高,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大亦呈现增大的趋势。计算结果与试验结果吻合良好,验证了该文建立的理论预测模型的准确性和合理性。     

橡胶骨料碱性砂浆孔结构与抗压性能非线性回归模型

废旧轮胎的弃置会导致诸多环境问题，而粉碎制得的橡胶粉可在建筑砂浆中替代细骨料。砂浆中橡胶骨料的掺量和粒径是橡胶混凝土强度的主要影响因素，利用碱激发矿渣材料可替代普通硅酸盐水泥，提升砂浆的环境友好性。研究多因素耦合作用对橡胶骨料砂浆抗压性能的影响，通过测试砂浆的抗压强度，对试验结果进行显著性分析及多元非线性回归，建立了多因素与砂浆抗压强度的多元非线性回归模型。对砂浆试样进行细观孔隙测量和SEM表征，探究橡胶骨料对砂浆抗压强度的劣化机制。结果表明：砂浆中橡胶骨料掺量的提升会造成砂浆抗压强度的下降，40vol%骨料替代率下碱激发类砂浆抗压强度均值相比对照组降低了49.93%，硅酸盐类降低了66.62%；在碱激发类砂浆的高碱性环境下，使用0.38 mm粒径橡胶骨料的砂浆抗压强度均值为对照组的69.65%，取得试验组中最优值；而在硅酸盐类砂浆的低碱性环境中，随着橡胶骨料粒径的减小，砂浆抗压强度均值由对照组的61.46%降至37.98%。     

骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

高强抗冻透水混凝土的配合比设计与性能评估

透水混凝土是建设海绵城市的关键材料。目前普通透水混凝土强度低，抗冻性能差，使其难以在机动车道和有抗冻需求的道路工程中应用。本工作基于颗粒堆积模型研制了抗压强度超过160 MPa的超高强胶凝基质，其具有较强的成膜能力，且稳定膜厚度(SPFT)随流动度的减小和骨料粒径的增大而增加。本工作还建立了SPFT与流动度的关系，进而提出了高强抗冻透水混凝土(HSFRPC)配合比设计方法。利用该方法设计并制备出抗压强度大于50 MPa、弯曲强度大于7.5 MPa、透水系数大于4 mm/s、抗冻等级达F300的HSFRPC。本试验分析了骨料粒径和孔隙率对HSFRPC工程性能(力学性能、透水性能和抗冻性能)的影响规律。基于雷达图的性能评估结果表明：骨料粒径为2.36～4.75 mm、设计孔隙率为20%的HSFRPC工程性能优越且各项性能均衡，可供寒区道路工程参考。     

纤维自密实混凝土断裂能试验研究

通过14组56根带切口自密实混凝土梁三点弯曲试验,研究不同掺量的钢纤维、聚丙烯腈纤维、钢纤维与聚丙烯腈纤维组成的混杂纤维对自密实混凝土断裂能的影响规律。试验中制作了未掺纤维且强度相近的自密实混凝土伴随试件,用以对比并计算断裂能增益比。结果表明:钢纤维能显著提高自密实混凝土的断裂能,随着钢纤维掺量的增加,其断裂能呈线性增加;聚丙烯腈纤维有利于自密实混凝土断裂能的提高,但影响较小,且非线性增加;在钢纤维体积率不变情况下,聚丙烯腈纤维有利于混杂纤维自密实混凝土断裂能的提高,但也非线性增加。在分析试验结果的基础上,提出了以混凝土抗压强度、骨料最大粒径、纤维影响系数为主要因素的纤维自密实混凝土断裂能计算模型,经过对比表明,计算模型具有良好精度。     

加气混凝土断裂能测定的尺寸效应

在加气混凝土断裂参数的研究及实际工程应用中，尺寸效应是很受关注的。在本研究过程中，采用了ＲＩＬＥＭ推荐的试件，研究了试件尺寸（厚度及断裂韧带高度）对加气混凝土断裂能测定的影响。研究表明，对于试验中采用的加气混凝土而言，当试件厚度大于２００ｍｍ及韧带高度大于１３０ｍｍ时，尺寸效应可基本忽略不计。该尺寸在实验室中是可以满足的。     

考虑温度影响的混凝土微观断裂模型

该文以各组分体积不变为准则建立了考虑温度影响的混凝土三相微观断裂球体模型。将混凝土组成简化为骨料,水及水泥浆体,并以模型中各层模拟;认为高温下混凝土的断裂为模型中间层水汽蒸发逸出的结果。通过气体状态方程分析了模型内部气压随温度的变化,并研究了骨料和水泥浆体层的应力状态。分析了含圆盘形裂纹的混凝土的可释放弹性能和表面能,并根据Griffith断裂准则给出了混凝土断裂韧性随温度的变化规律。对该文模型进行数值模拟,并与相关试验结果对比,结果证明了该文模型能够有效地计算高温下和高温后混凝土的断裂韧性。同时分析发现:随着温度的升高,混凝土可释放弹性能增大而开裂时的裂纹初始长度将减小。     

低热水泥全级配混凝土断裂试验及尺寸效应分析

该文分析了低热水泥全级配混凝土断裂性能的尺寸效应规律。通过在大坝工程施工现场浇筑成型试件有效高度为0.75 m、1.5 m和2.25 m的楔入劈拉试件并开展试验,获得低热水泥全级配混凝土稳定的双K断裂参数。基于试验结果,采用理论方法推求全级配混凝土无尺寸效应的失稳和起裂韧度,预测任意尺寸试件的最大和起裂水平荷载。研究发现,当韧带高度与骨料最大粒径比值大于等于6.0后,双K断裂参数趋于稳定。尺寸效应模型及其演化形式可用于确定全级配混凝土无尺寸效应的起裂和失稳断裂韧度,定量分析强度与韧度对裂缝扩展的影响,并可通过引入等效几何参数,分别建立任意尺寸试件最大和起裂水平荷载的预测方程。     

粗骨料体积分数对混凝土Ⅱ型断裂参数的影响

对不同粗骨料体积分数下的混凝土Ⅱ型断裂性能进行了研究。根据最大泥浆厚度(Maximum paste thickness, MPT)理论,给出了断裂韧度K_{Ⅱ C}与粗骨料体积分数V_a之间的经验关系式。通过对含有四种粗骨料体积分数(19%、25%、31%、37%)的无切口试件开展半边加载断裂试验,测得相应的峰值荷载、断裂韧度、能量释放率等断裂参数,并分析了断裂韧带表面的裂纹分布规律。试验结果表明:随着粗骨料体积分数的增加,混凝土的Ⅱ型断裂韧度K_{Ⅱ C}和临界能量释放率G_{Ⅱ C}明显增加,名义断裂韧带处的裂纹轮廓线更长、更曲折;各配比试件的开裂模式基本一致,剪切裂纹主要集中在名义断裂韧带区域。同时,利用数字图像相关技术(Digital image correlation, DIC)对试件表面的损伤演化进行分析,结果表明,试件表面的应变局部化能够较好地表征断裂过程区(Fracture process zone, FPZ)的形态特征及演化过程。随着粗骨料体积分数的增加,FPZ的形态更不规则,分支更多。      

刚玉骨料超高性能水泥基材料抗侵彻试验和细观数值模拟

混凝土抗钻地武器侵彻能力由基体强度和骨料硬度与粒径共同控制。为了研发具备更高抗侵彻能力的混凝土材料,利用刚玉超高强高硬的特点,将刚玉碎石作为粗骨料,制备出刚玉骨料超高性能水泥基材料(CA-UHPCC)。开展了不同骨料粒径(5~20 mm、35~45 mm、65~75 mm)的CA-UHPCC以及高强混凝土(HSC)靶体的中等口径弹体侵彻试验。通过与前期完成的玄武岩骨料超高性能水泥基(BA-UHPCC)靶体的弹体侵彻试验进行对比,验证了CA-UHPCC较BA-UHPCC和HSC具备更加优异的抗侵彻性能。进一步建立了考虑粗骨料形状随机生成和空间位置随机分布以及粗骨料/砂浆界面层的混凝土三维细观模型,对弹体冲击速度,骨料类型和体积率对混凝土靶体抗侵彻性能的影响进行了细观数值模拟。结果表明,靶体抗侵彻能力随着骨料强(硬)度,粒径和体积率的增大而提高,高强(硬)度和大粒径(大于1.5倍弹径)粗骨料可引起弹体磨蚀和断裂。     

再生砖骨料混凝土力学性能及破坏机理研究

以8种设计配合比的再生砖骨料次轻混凝土为研究对象,以水灰比、最大骨料尺寸和粗骨料种类为试验参数,开展了混凝土干密度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验研究,重点分析了骨料界面特征与再生砖骨料混凝土的破坏机理.结果表明:使用再生粘土砖骨料制备的次轻混凝土28 d抗压强度可达36 MPa,干密度不大于2200 kg/m3,能够减轻自重8％～16％;随着水灰比和取代率的降低,混凝土抗压和劈裂抗拉强度均呈显著增加的趋势;最大骨料尺寸对混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响较小;拟合所得混凝土干密度与力学性能换算公式的相关性较好;砖骨料-砂浆界面过渡区微观结构较为密实,混凝土界面性能得到增强;界面过渡区性能和砖骨料强度是影响再生砖骨料混凝土力学性能的两个关键因素,且砖骨料强度是其中最主要的因素.综合考虑,使用再生粘土砖骨料制备次轻混凝土具有良好的经济性和广阔的工程应用前景.     

自密实钢纤维轻骨料混凝土的早期性能与损伤分析

在自密实轻骨料混凝土基础之上掺入钢纤维配制出自密实钢纤维轻骨料混凝土,分析了自密实钢纤维轻骨料混凝土的抗压强度、抗拉强度等主要力学性能以及收缩、抗碳化等耐久性能,并与普通骨料自密实混凝土进行对比分析。探讨了钢纤维对于改善自密实轻骨料混凝土损伤所起的作用及其机理。结果表明:掺入钢纤维后自密实轻骨料混凝土的抗压强度增大,劈拉强度明显提高,收缩及抗碳化能力也有明显改善。与普通骨料混凝土相比,自密实钢纤维轻骨料混凝土初始裂缝的产生与发展得到有效抑制。     

地聚物基透水混凝土的制备与性能

透水混凝土因具有透水透气、吸声减噪等功能而被广泛研究和关注。然而,其普遍存在孔隙结构,造成受力不均,使得透水混凝土只能用于低荷载的路面。为了提高透水混凝土的强度和耐久性,本研究将地聚物作为透水混凝土的胶凝材料,并采用正交试验研究了最佳配比,分析了孔隙率、骨料粒径、激固比、矿渣掺量、水玻璃模数对其性能的影响。以抗压强度、劈裂抗拉强度、透水系数、抗冻性为指标,拟合分析了孔隙率与透水系数、透水系数与抗压强度、孔隙率与抗劈裂强度之间的关系。结果表明:目标孔隙率15%、激固比60%、骨料粒径2～5 mm、水玻璃模数1. 4、矿渣掺量20%为最优配比,所得地聚物透水混凝土的28 d抗压强度为33 MPa,抗劈裂强度为2. 4 MPa,透水系数为8. 4 mm/s,抗冻性能达标。     

基于DIC方法的混凝土允许损伤尺度试验研究

基于数字图像相关（DIC）技术研究了混凝土损伤尺度的测试方法。开展三点弯曲梁断裂试验,获得了裂缝扩展过程中任意荷载时刻的损伤尺度,研究了"允许损伤尺度"随试件尺寸及骨料最大粒径的影响。采用理论方法对允许损伤尺度进行了计算。结果表明:DIC方法获得的荷载-裂缝口张开位移与采用夹式引伸仪测量结果较吻合,理论与试验所得允许损伤尺度结果对比较好,验证了该文方法的可靠性。此外,允许损伤尺度随试件尺寸增大而逐渐增大,但增幅变缓,随骨料最大粒径的增大而逐渐减小。     

钢渣粗骨料混凝土单轴受压应力-应变关系试验研究

为探究钢渣粗骨料混凝土稳定性及其应力-应变关系全曲线,该文对包头某钢铁公司的钢渣粗骨料进行了浸水膨胀率试验及压蒸粉化率试验并测其f-CaO含量;完成了6组不同钢渣替代率下的立方体抗压试验及棱柱体单轴受压试验,分析其破坏形态及受力变形特征,建立钢渣粗骨料混凝土本构关系模型。研究表明:该文所选钢渣的f-CaO含量、浸水膨胀率、压蒸粉化率均符合现行规范规定,稳定性良好;钢渣粗骨料混凝土单轴抗压强度随钢渣掺量的增加而提高,并高于普通混凝土抗压强度,破坏呈现的脆性特征也更为显著;钢渣粗骨料混凝土棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值相较于普通混凝土更高。根据过镇海本构模型及Wee模型,并引入钢渣粗骨料含量的修正系数,对钢渣粗骨料混凝土应力-应变关系采用分段式表达。该文提出应力-应变模型与试验结果拟合程度较好,可以更加全面的描述钢渣粗骨料混凝土的单轴受压力学行为。