受侵蚀混凝土本构关系

混凝土腐蚀具有内外不均匀的特点,这使得真正意义上的受侵蚀混凝土本构关系一直都没有得到确定,为此提出了试验与数值模拟相结合的技术思路以解决上述问题.首先,利用Fick第二定律对硫酸钠腐蚀后砂浆和界面过渡区(ITZ)的细观本构关系分层修正,应用CT技术在细观层面模拟受侵蚀混凝土试件的应力-应变曲线;其次,利用力学试验结果,识别给出蚀强率参数;最后,对砂浆和ITZ的“腐蚀程度”进行全截面均匀化,通过数值模拟得到受侵蚀混凝土本构关系.基于此,提出了任一腐蚀介质质量分数下试件内任一位置处单元对应的受侵蚀混凝土本构关系的分析流程.     

锈胀影响下钢绞线与混凝土粘结性能研究

为研究锈蚀对钢绞线与混凝土粘结性能的影响,设计制作了12根钢绞线混凝土粘结试件。通过对试件进行室内加速锈蚀及拉拔试验,得到各试件混凝土表面锈胀裂缝分布、混凝土表面应变分布及粘结应力-滑移曲线。分析了锈胀裂缝宽度对粘结应力分布、粘结强度及粘结应力-滑移关系的影响。通过拉拔试件的粘结应力与先张法试件传递长度范围内的粘结应力的关系,建立了以平均锈胀裂缝宽度为变量的钢绞线传递长度计算公式。结果表明:钢绞线粘结应力沿整个试件呈不均匀分布,粘结应力峰值随锈胀裂缝宽度的增大呈下降趋势;试件自由端产生初始滑移及最大粘结应力下的粘结强度分别随锈胀裂缝宽度的增大而下降;锈胀裂缝对粘结应力-滑移曲线的初始线性段影响显著,不同锈胀裂缝宽度试件的粘结应力-滑移曲线差异明显;传递长度计算公式可为钢绞线试件锈胀开裂下的传递长度计算提供参考。     

混凝土压缩断裂过程及尺寸效应的数值模拟

将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的粘结带所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法生成混凝土随机骨料模型。在此基础上,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相单元的损伤退化。利用非线性有限元方法对湿筛、三级配、四级配混凝土试件的单轴受压破坏过程进行了数值分析,从而对试件的抗压强度进行了尺寸效应分析。研究结果表明,数值模拟所得的结果与试验结果表现出较好的一致性,混凝土的断裂主要发生在骨料与砂浆的粘结面上,裂纹沿平行于最大压应力的方向扩展。     

考虑端部摩擦约束的混凝土SHPB试验细观数值模拟

利用大型有限元软件LS-DYNA建立了包含骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)的三相混凝土细观数值模型,并将端部摩擦约束加入模型中。模拟再现了混凝土试件的破坏过程,且模拟的应力-应变曲线与试验吻合较好。模拟结果还发现:在考虑了端部摩擦效应后,混凝土抗压强度有一定的提高,摩擦效应有效地抑制了裂纹的开展。     

基于DIC技术的混凝土热力损伤破坏分析

混凝土的热力损伤行为会严重危及能源工程结构的运维安全。为此,本文开展了两类不同骨料体积分数的模型化混凝土单轴受压试验,并基于DIC技术对试验过程中混凝土裂缝进行跟踪,从细观力学角度分析在不同次数亚高温循环下试件的裂缝扩展情况,探究了亚高温循环作用后界面过渡区形变对混凝土力学性能的影响。研究表明,粗骨料体积分数大的模型化混凝土试件的强度和弹性模量相对较小,且在亚高温循环中体积膨胀较为明显,砂浆层因此出现较大拉应力使试件在未加载时出现裂缝。未经过高温循环的试件裂缝首先出现于砂浆层,经过亚高温循环的试件裂缝首先出现于界面过渡区。亚高温循环作用会加速界面过渡区未水化颗粒的水化以及部分水化产物的碳化,导致粗骨料和砂浆之间的粘结性能降低,界面过渡区孔隙率增大、更易产生裂缝;且随着循环次数增加,模型化混凝土试件破坏程度加剧。     

混凝土劈拉破坏机理研究

通过对混凝土进行巴西圆盘劈裂试验,测试了混凝土的抗拉强度,获取了试验试件的破坏形态、加载力—位移曲线,并对试验后混凝土试件破坏界面进行了分析,结果表明:巴西圆盘劈拉试验中,其破坏面上主要是砂浆和骨料界面的粘结破坏和骨料的断裂,水泥砂浆和骨料的力学性质,以及它们的几何分布都对劈拉试验中试件裂缝的形成和发展有重大影响。     

混凝土和聚合砂浆粘结界面的剪切性能试验研究

混凝土和聚合砂浆粘结界面的剪切性能试验结果,对于估算混凝土结构的修补和加固面积与长度具有重要的参考价值。介绍了对3组聚合砂浆与混凝土粘结试件进行的剪切试验,并对测试结果进行了讨论,得出砂浆和混凝土粘结剪切强度以及粘结剪切性能的一般规律。     

腐蚀钢绞线与混凝土粘结性能退化规律及模型

为研究腐蚀钢绞线与混凝土粘结性能退化规律,采用电化学腐蚀方式获取了腐蚀钢绞线与混凝土的粘结试件,通过拉拔试验得到了腐蚀钢绞线与混凝土的粘结滑移曲线,确定了基于裂缝宽度的粘结滑移特征参数退化规律,规律显示：随着腐蚀程度的加重,试样的极限粘结强度和粘结刚度随着纵向裂缝宽度的增大呈线性下降的趋势;试样的极限粘结滑移随着裂缝宽度的增大有明显下降,但不符合线性退化规律。     

铝合金配筋新型混凝土梁试验研究

对6根铝合金配筋新型混凝土梁试件进行了单调静载试验,研究该类新型混凝土梁的破坏机理,分析铝合金配筋混凝土梁的破坏过程、荷载-跨中挠度曲线以及纵筋应变和弯曲裂缝等的变化规律。研究结果表明:铝合金配筋新型混凝土梁发生弯曲破坏和粘结破坏2种典型模式,其中受弯破坏模式表现为铝合金纵筋拉断失效或受压区混凝土压溃失效,粘结破坏模式主要由"拱机理"导致,表现为试件在支座处锚固破坏或斜截面混凝土剪压破坏;该类新型混凝土梁的极限荷载和名义屈服荷载非常接近,二者之比均小于1.15;发生弯曲破坏的铝合金配筋混凝土梁试件的荷载-跨中挠度曲线可分为弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏失效阶段。     

混凝土界面过渡区水分传输特性试验研究

设计制作了一批圆柱形水泥砂浆试件和混凝土试件,通过水分传输试验获取各试件的平均水分传输系数,引入界面过渡区(ITZ)与砂浆基体水分传输系数的比值β,再根据混凝土试件的并联传输模型反算获得β值。研究了截面形式、砂浆水灰比、砂灰比、粗骨料材质、表面粗糙度等因素对β值的影响。试验结果表明:ITZ与砂浆基体水分传输系数的比值β在90～175的范围内;截面形式相同时,花岗岩质粗骨料表面不进行处理时的β值均比进行喷砂处理时的β值大;β值随着砂浆水灰比的变化无明显变化,随着砂浆砂灰比的增大而减小;截面形式及砂浆配合比相同时,β值的大小不仅与骨料表面粗糙度相关,还与骨料材质相关。     

Multi-scale prediction of the effective chloride diffusion coefficient of concrete

The N-layered spherical inclusion theory is applied to develop a multi-scale model to predict the effective diffusion coefficient of chloride ion in concrete. The model treats concrete as four-phase composite materials consisting of matrix phase, aggregate phase, ITZ (interfacial transition zone) and their homogenization phase. With hardened cement pastes characterized by three parameters such as the porosity, tortuosity and constrictivity, the effect of the cement paste microstructures and ITZ on the chloride diffusivity in concrete is taken into account and the porosity distribution function and effective chloride diffusion coefficients of the ITZ are given in the model based on the cement particle distribution characteristics of the ITZ in concrete. To validate the proposed model, the diffusion coefficient of chloride ion by the steady-state migration test is measured on a series of mortar and concrete specimens and good agreement between the model and experiment is obtained. In addition, the model predicts that the chloride diffusivity of concrete composite materials depends on the chloride diffusion coefficient of the matrix and ITZ, volume fraction of the aggregate and ITZ, with the volume fraction of the ITZ influenced by aggregate size distribution, the volume fraction of aggregate and thickness of the ITZ.     

掺矿物混合材混凝土"自愈力"研究

本文对水泥砂浆体系与电极的等效电路模型进行了理论分析。通过对掺混合材水泥砂浆交流阻抗试验。对该体系的界面电阻与材料的性能之间的关系进行了讨论,并引入了材料的“自愈力”这一概念,研究结果表明,利用交流阻抗实验测得的界面电阻Rint能够对水泥基复合材料进行体系的自愈力研究,并为合理选用混合材的掺量提供科学的依据。     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

聚丙烯纤维参数对水泥砂浆抗干缩开裂性的影响

利用圆环法测试研究了聚丙烯纤维掺量、长度、几何形状等参数对水泥砂浆在硬化阶段抗干缩开裂性能的影响．实验结果表明：三叶形聚丙烯单丝纤维的掺加能明显改善水泥砂浆在硬化阶段的抗干缩开裂性能，且其掺加的量越多，水泥砂浆的抗干缩开裂性越好；聚丙烯纤维横截面形状不同，其对水泥砂浆抗干缩开裂性的作用效果也不同，其中横截面为三叶形的聚丙烯单丝纤维对水泥砂浆抗干缩开裂性的作用效果较好；掺入的三叶形聚丙烯单丝纤维长度越长，水泥砂浆的抗干缩开裂性越好；三叶形聚丙烯单丝纤维经表面处理后，其对水泥砂浆抗干缩开裂性的影响有所增大．     

水泥砂浆塑性收缩开裂预警机制的初步建立

针对水泥砂浆塑性收缩开裂的问题,基于平板法和八字模法,分别对不同水灰比和灰砂比的水泥砂浆,改变其环境参数与聚乙烯醇(PVA)纤维参数,测试其塑性抗拉强度、塑性毛细管收缩应力及失水蒸发速率,通过在室内建立的水泥砂浆塑性收缩开裂本构方程,对水泥砂浆塑性收缩开裂预警机制的建立进行了探索.结果表明:室内建立的基准水泥砂浆抗裂指数基于失水蒸发速率的一元本构方程及掺纤维水泥砂浆的三元本构方程可有效预测室外环境下水泥砂浆的塑性收缩开裂,由此初步建立了水泥砂浆塑性收缩开裂预警机制.     

角部钢筋锈蚀引发混凝土保护层开裂行为研究

为研究角部钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层开裂行为,提出了角部钢筋的非均匀锈胀模式.并将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土细观随机骨料模型.以施加非均匀径向位移方式来表征钢筋锈胀对周围混凝土的力学作用.基于该方法对钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观数值模拟,模拟结果与已有文献中试验结果的良好吻合验证了该方法的合理性.另外,对比了宏观均质模型和细观非均质模型下不同角部钢筋锈胀模式导致的混凝土保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式以及钢筋锈胀压力的影响规律.     

早龄期约束水泥砂浆环开裂预测模型分析

采用约束圆环试验研究了早龄期水泥砂浆的应力变化规律与开裂趋势。应用早龄期砂浆水化热模型、收缩与徐变等预测分析模型,建立了考虑温度、干缩与自收缩、徐变及硬化等多种效应综合作用下的约束水泥砂浆环早龄期时变应力分析模型,讨论了约束钢环与砂浆环的相对约束刚度对钢环约束效应的影响,提出了圆环开裂预测因子以分析约束水泥砂浆环的开裂趋势,与实际观察结果和数值分析结果的对比表明,上述理论分析与预测模型是合理并适用的。     

聚丙烯纤维砂浆抗裂性能的定量图像分析

结合数字图像分析技术,提出了评价纤维砂浆抗裂性能的方法。自行设计一套模具,研究了聚丙烯纤维长度和掺量对砂浆抗裂性能的影响,并分析了纤维砂浆的抗裂机理。研究结果表明:聚丙烯纤维能显著降低水泥砂浆的早期塑性开裂,且随着纤维掺量和长度的增加,其抗裂性能增强。这一研究方法实现了纤维抗裂性能的定量表征,为聚丙烯纤维在砂浆及混凝土中的应用提供了参考。     

基于格构模型再生混凝土单轴受压数值模拟

根据再生粗集料的特点,建立了再生混凝土随机集料模型,进而基于格构模型理论定义了5种格构单元：粗集料单元、新砂浆单元、新界面单元、老砂浆单元和老界面单元.在对比分析的基础上,为不同单元确定了不同的力学参数.采用杆系结构有限元方法,以Fortran语言编程计算了再生混凝土的单轴受压应力-应变曲线.与试验曲线对比发现,在参数选择适当的前提下,所建模型可用于模拟计算再生混凝土单轴受压时的应力-应变曲线.     

Computational modeling of fracture in capsule-based self-healing concrete: A 3D study

We present a three-dimensional (3D) numerical model to investigate complex fracture behavior using cohesive elements. An efficient packing algorithm is employed to create the mesoscale model of heterogeneous capsule-based self-healing concrete. Spherical aggregates are used and directly generated from specified size distributions with different volume fractions. Spherical capsules are also used and created based on a particular diameter, and wall thickness. Bilinear traction-separation laws of cohesive elements along the boundaries of the mortar matrix, aggregates, capsules, and their interfaces are pre-inserted to simulate crack initiation and propagation. These pre-inserted cohesive elements are also applied into the initial meshes of solid elements to account for fracture in the mortar matrix. Different realizations are carried out and statistically analyzed. The proposed model provides an effective tool for predicting the complex fracture response of capsule-based self-healing concrete at the meso-scale.