混凝土中椭圆形骨料分布的边界效应

通过计算机模拟调查了椭圆形骨料分布的边界效应。模拟结果表明,对于给定的骨料面积百分数,随着模拟次数的增加,混凝土中各点的骨料分布密度趋于定值。在模拟方法的有效性得到试验结果的验证后,讨论了骨料级配、长细比、最小骨料直径和最大骨料直径对界面层厚度的影响,基于数值结果,发现界面层厚度随着长细比、最小骨料直径和最大骨料直径的增大而增大,也发现骨料级配对界面层厚度有较大的影响。     

混凝土界面面积分数和渗流阈值与应用(Ⅱ)——弹性模量预测

基于所获得的界面面积分数,提出了混凝土弹性模量预测的三相复合圆模型.在细观水平上将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过求解轴对称平面应变问题,获得了三相复合圆模型位移和应力的解析解.利用位移和径向应力的连续性条件,导出了混凝土平面应变体积模量的闭合解.通过与实验结果比较,证实了三相复合圆模型的有效性.定量讨论了最大骨料粒径、界面弹性模量和界面厚度对混凝土弹性模量的影响,结果发现,对于给定的骨料面积分数,混凝土弹性模量随着最大骨料粒径和界面弹性模量的增大而增大,但随着界面厚度的增大而减小.     

骨料分形系数对混凝土水渗透性的影响

分析了骨料分形系数对混凝土水渗透性的影响.应用有限差分法求解二维不可压缩黏性流动纳维尔-斯托克斯方程,通过计算平均速度和压力差计算混凝土水渗透系数.通过与理论解比较,验证了该文数值方法的有效性.基于数值结果,发现对于给定的骨料面积百分数,双骨科混凝土水渗透系数小于单骨料混凝土水渗透系数,当骨料分形系数从0.01增大到0.3时,双骨料混凝土水渗透系数随着分影系数的增大而减小,当骨料分形系数大于0.3时,双骨料混凝土水渗透系数基本趋向定值.     

再生骨料特性对再生混凝土强度和碳化性能的影响

为了评价再生骨料表面砂浆的强度及附着率对再生混凝土性能的影响,以再生骨料表面不同的砂浆强度及附着率为变量,配制了不同强度等级的再生骨料混凝土,通过对比性强度试验和碳化试验评价了再生混凝土内部存在的2个界面过渡区与混凝土性能的关系.结果表明:以高强度原生混凝土为再生骨料配制相对较低强度等级的再生骨料混凝土时,其强度与普通混凝土几乎相同,再生骨料表面砂浆的强度及附着率对再生骨料混凝土强度影响不大,但碳化深度有所增大;以相对较低强度原生混凝土为再生骨料配制同强度等级以上的再生骨料混凝土时,其强度与普通混凝土相差较大,再生骨料表面砂浆的强度及附着率对再生混凝土强度影响较大,碳化深度也相应增大.     

混凝土任意形状骨料及其界面层有限元模型的生成方法

以VC 为编程工具,编制了可视化程序,提出了混凝土任意形状骨料及其界面层的二维生成算法,在该算法的基础上,利用AutoCAD为二次开发工具生成了具有任意形状骨料及界面层的二维混凝土试件几何模型和有限元网格模型.该模型能很好地模拟人工骨料和再生骨料,从而为细观结构研究提供了有效的建模工具,为进一步的复合材料多尺度分析奠定了基础.     

混凝土界面面积分数和渗流阈值及其应用(I)——计算机模拟

应用计算机模拟研究了混凝土界面面积分数和渗流阈值.为了消除边界对骨料分布的影响,引入了周期性边界条件,提出了混凝土细观结构的静态模拟方法.结合MonteCarlo数值积分,获得了混凝土界面面积分数,并由合理的模拟精度确定了合适的样点数和模拟次数.根据计算结果,讨论了混凝土界面之间的重叠效应以及骨料级配、最大骨料直径和界面厚度对混凝土界面面积分数的影响.基于模拟所得的混凝土细观结构,提出了混凝土界面渗流阈值计算的数值方法,并通过与理论解进行比较,证实了该方法的有效性.同时,就最大骨料直径、骨料级配和界面厚度对混凝土界面渗流阈值的影响进行了详细的讨论.     

早龄期混凝土氯离子扩散试验研究

通过试验研究了养护时间、骨料级配、水灰比、骨料体积含量和最大骨料直径对早龄期混凝土氯离子扩散系数的影响。结果表明,早龄期混凝土氯离子扩散系数随着养护龄期的增大而减小,但随着水灰比的增大而增大;早龄期混凝土氯离子扩散系数随着骨料体积含量和最大骨料粒径的增大而减小;也发现骨料级配对早龄期混凝土氯离子扩散系数有一定的影响。     

基于真实骨料形状库的混凝土细观数值模型

针对混凝土细观数值模型生成的骨料形状与真实骨料形状不一致及难以进行凹凸型骨料的侵入判断等问题,提出了一种基于真实骨料形状库的骨料数值生成方法。采用双判据准则直接对凹凸型骨料进行侵入判断,并提出一种两阶段细观有限元方法对混凝土试件进行网格剖分;采用VC++开发的混凝土力学性能细观数值模拟前处理软件对该方法进行了验证。结果表明:这种改进的骨料数值生成方法使细观数值模型更加接近实际混凝土试件,消除了外包络辅助几何体增加骨料占用面积对骨料填充率的影响,同时能够尽可能地用矩形单元对混凝土细观数值模型中的各相材料分别进行网格剖分。     

混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型;应用能量等效原理,导出了格构梁和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.基于模拟所得的骨料分布和格构梁与骨料之间的相对位置,确定了每一个格构梁单元的刚度矩阵.通过有限单元分析,获得了混凝土氯离子扩散系数;定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数和骨料级配对混凝土氯离子扩散系数的影响.基于数值结果,发现混凝土氯离子扩散系数随着最大骨料直径的增大而减小;随着界面氯离子扩散系数的增大而增大;骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有较大影响.     

再生粗骨料混凝土界面参数研究EI北大核心CSCD

对不同再生粗骨料取代率和水灰比下9组混凝土的力学性能及耐久性能进行了测试;基于测试结果及分析,提出了长度界面参数、体积界面参数和广义界面参数的概念,并比较分析了3个界面参数与再生粗骨料取代率、水灰比、力学性能及耐久性能的关系.结果表明:再生粗骨料混凝土的力学性能及耐久性能与再生粗骨料取代率、水灰比紧密相关;广义界面参数可反映界面体积和新砂浆水灰比对混凝土性能的影响,较好揭示了再生粗骨料混凝土性能的劣化机理.     

再生粗集料混凝土界面微观结构的发展规律

分别制作相同配合比的再生粗集料混凝土和普通混凝土试件.在养护龄期为3,7,14,28d时,将再生粗集料混凝土试件切割,取样,然后对其内部不同界面微观结构进行扫描电镜观测;同时对再生粗集料混凝土和普通混凝土试件进行了抗压强度试验,观察了加载后再生粗集料混凝土试件内部裂纹的分布情况.结果表明:随着龄期的增长,再生粗集料混凝土各个界面过渡区都有不同程度的发展;天然粗集料新砂浆界面过渡区发展相对缓慢;再生粗集料中老砂浆新砂浆界面发展较快,老砂浆与新砂浆结合较好;再生粗集料中天然粗集料老砂浆界面为混凝土浇筑前已存在的界面,并且存在着一定数量的微裂缝.再生粗集料混凝土3d抗压强度略高于普通混凝土,7,14,28d抗压强度则与普通混凝土基本相当.荷载作用下,再生粗集料混凝土内部裂纹主要分布在天然粗集料新砂浆界面以及天然粗集料老砂浆界面处.     

废混凝土骨料和废砖骨料再生混凝土的模型化研究

为了更加清晰方便地观察并研究再生混凝土裂缝开展规律,利用模型混凝土的概念,将普通混凝土、废混凝土骨料混凝土和废砖骨料混凝土平面化,制得模型再生混凝土试件。在试件受压破坏的过程中,利用数字图像相关技术在模型混凝土前后两个表面制作不同尺度的散斑,分别用一般工业相机和显微镜相机采集图像,并分析得到全局应变场和界面过渡区附近的局部应变场,用以揭示再生混凝土裂缝开展过程和损伤演化机制。研究结果显示,废砖骨料模型再生混凝土的弹性模量最小,但是抗压强度反而比废混凝土骨料模型再生混凝土的高。废混凝土骨料模型再生混凝土全局应变场能表征应变集中位于旧砂浆区域,但不能区分新、旧界面过渡区,而局部应变场更加细致地显示裂缝首先在旧界面过渡区开展,然后新界面过渡区才有裂缝开展。对废砖骨料模型再生混凝土的分析发现,砖骨料和新砂浆之间的界面过渡区首先出现了应变集中,但是裂缝并未沿界面过渡区开展,而是贯穿了砖骨料,然后位于界面过渡区的应变集中由于应力重分布而削弱。     

界面强度对混凝土拉伸断裂影响的数值模拟

采用数字图像的处理手段表征混凝土的三相(基质、骨料、界面过渡区)细观结构,获取混凝土界面过渡区的形状与分布,并引入到原有材料破坏过程分析(MFPA~(2D))系统中,建立了能反映混凝土真实细观结构的数值模型,并应用该模型模拟了界面强度对混凝土拉伸断裂过程的影响.研究表明,当界面过渡区强度较低时,混凝土的断裂过程表现为界面过渡区中萌生的局部裂纹相互作用、桥接贯通的过程;界面强度与抗拉强度之间存在非线性关系,界面强度的提高增大了混凝土的延性,导致单轴拉伸荷载作用下混凝土试件的宏观断裂模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;模拟结果与试验结果比较吻合.     

集料对混凝土强度与界面特性影响的研究

测试了辉绿岩碎石和石灰石碎石作集料对混凝土工程性、强度以及界面特性影响。结果表明：由于辉绿岩碎石视比重较大，辉绿岩碎石配制出的混凝土坍落度优于石灰石碎石混凝土。由于辉绿岩为硅质集料，辉绿岩碎石与水泥石形成界面较石灰石碎石与水泥石所形成界面处的Ca（OH）2晶体更小，且界面显微硬度更高，表现出的宏观力学性质更好。     

轻骨料混凝土弹性模量预测的数值方法

提出了轻骨料混凝土弹性模量预测的快速傅里叶变换法。将轻骨料模拟成多边形,引入周期性边界条件,将轻骨料分布到正方形区域中而重构轻骨料混凝土细观结构。通过划分网格,等距离选取像素点,利用快速傅里叶变换法获得轻骨料混凝土弹性模量的数值解。通过与文献中的试验结果对比,证实该数值方法具有较高的精度。基于模拟结果,分析了最大轻骨料粒径、界面层厚度和界面弹性模量对轻骨料混凝土弹性模量的影响。数值结果表明,这三个因素的影响处于同一个数量级,在6%~10%之间。     

混凝土Cl-扩散系数预测的有限元方法

提出了预测混凝土Cl^-扩散系数的有限元方法．将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料，通过比较两种典型的单元细胞模型，说明了圆形单元细胞模型在混凝土模拟方面的优越性．由于界面厚度远小于骨料尺寸，采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞，应用有限元方法获得了混凝土Cl^-扩散系数的数值解．将数值结果与实验数据进行比较，验证了该方法的有效性．基于数值结果，定量评价了最大骨料粒径、界面Cl^-扩散系数、界面厚度和骨料级配对混凝土Cl^-扩散系数的影响．     

轻集料吸水率对轻集料水泥石界面区特性的影响

利用固体核磁共振硅谱(29Si NMR)和显微硬度计,定量表征了轻集料-水泥石界面区的水化程度、水化硅酸钙(C-S-H)凝胶聚合度和力学性能,研究了轻集料吸水率对轻集料-水泥石界面区力学性能和C-S-H凝胶微结构的影响规律,并以此验证了预湿轻集料的内养护效应.结果表明:轻集料-水泥石界面区的水化程度、C-S-H凝胶聚合度和显微硬度均高于水泥石基体;轻集料吸水率越大,轻集料-水泥石界面区的水化程度、C-S-H凝胶聚合度和显微硬度越高,预湿轻集料的内养护作用越明显.     

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.     

Effects of fiber curvature on the microstructure of the interfacial transition zone in fresh concrete

The study on the interfacial transition zone (ITZ) of concrete has received lots of attention in the last decade. However, no information is available on the influence of the curvature of a rigid surface on the microstructure of ITZ. This paper employed computer simulation technology to study the influence of fiber curvature on the initial microstructure of ITZ in concrete. For the sake of simplification, the investigation was first focused on the mono-size spherical particle packing system around a cylindrical fiber with different diameters. An algorithm of serial cylindrical sectioning was developed. The curve of the solid volume fraction versus the distance to the surface of the fiber was used as a parameter to characterize the microstructure of the ITZ. Then, the influence of the ratio of fiber diameter to particle diameter on the initial ITZ’s microstructure was studied. These curves were compared with the ones from flat aggregate surface on which mono-size spherical particles were packed. Furthermore, the multi-size spherical particles system was further investigated. The simulation results demonstrate that no matter whether the spherical particle system is mono-size or multi-size, the fresh ITZ’s microstructure is irrelevant to the curvature of the fiber. The shape of the curve of solid volume fraction versus the distance from the surface of the fiber is similar to that around a flat aggregate surface. In all cases, the horizontal coordinates of the first peak of the curves are located at around half the mean weight diameter of the particles. The thickness of ITZ reduces slightly with the decrease in water/cement ratio. Therefore, one may use the ITZ’s microstructure around a flat aggregate surface to represent the ITZ’s microstructure around a cylindrical fiber in the fresh state, and vice versa. Translated from Journal of the Chinese Ceramic Society, 2005, 33(4): 484–491 [译自: 硅酸盐学报]