基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

基于CT图像的环氧沥青混凝土压裂损伤的演化分析

针对如何合理的利用CT图像获取数据来评定环氧沥青混凝土压裂损伤的演化过程问题,本研究利用万能材料试验机对环氧沥青混凝土试件进行单轴压缩试验,运用CT断层扫描技术获取试件的CT图像,采用图像处理技术得到断面的以灰度值显示的二维CT图像,基于二维CT图像重构生成不同加载阶段试件的三维数值模型,并通过超声波环氧沥青混凝土损伤检测获取损伤值,得到压缩位移与损伤、裂缝体积与损伤的变化关系。研究结果表明:随着压缩位移和裂缝体积的增大,损伤逐渐增大,当损伤快速增大时,则预示着环氧沥青混凝土试件临近破坏。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

基于CT图像的混凝土单轴压缩裂隙与应变场分析

利用X射线计算机层析术(CT)对混凝土试件单轴压缩过程进行原位扫描,获得了不同荷载下试件的CT图像.通过对CT图像进行分析,获得了灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数随荷载变化的规律.结合数字体散斑法(DVSP)获得了试件内部三维位移场与应变场.结果表明:试件内部不同尺度裂隙的发展导致灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数发生相应的变化,灰度均值及其均方差可以揭示小于CT尺度裂隙的发展规律,孔隙率和计盒维数更适用于描述大于CT尺度裂隙的特征.试件内部的位移场与应变场能够直观地揭示出小于CT尺度微裂隙引起的应变局部化区域的产生及发展过程,为混凝土细观破坏机理研究提供了新方法.     

单轴拉压状态下混凝土破坏的细观数值演化分析

在提出可同时满足级配曲线及指定骨料填充率的任意凹凸形骨料配置算法的基础上,建立了混凝土试件的细观随机骨料模型,并建立了空间应力环境下细观单元的弹性损伤本构关系;分别就工程中常采用的两种不同的混凝土强度,研究了混凝土试件的细观损伤演化过程及细观单元力学参数取值对混凝土试件宏观表征强度的影响。数值算例验证了模型的有效性,并揭示出混凝土试件破坏主要是由细观单元的拉伸损伤积累所导致的。     

复杂动荷载作用下全级配混凝土损伤机理细观数值试验

提出了一种适用于复杂应力状态下的双折线弹性损伤模型,对混凝土试件进行了轴向拉压细观数值模拟试验,同时探讨了复杂应力状态下混凝土损伤破坏机理。然后基于实际工程采用的混凝土细观动态参数试验实测值,利用细观数值模型对循环荷载作用下全级配大坝混凝土试件进行了弯折损伤破坏模拟。其数值计算结果与材料试验测的数据吻合较好,进一步验证了在循环动荷载作用下预静载对动弯拉强度也存在强化现象。本文轴向拉压细观数值模拟试验表明,细观界面黏结强度是控制混凝土宏观抗压强度和宏观抗拉强度的关键参数,而黏结面泊松比的大小对混凝土宏观抗压强度影响很大。这个研究结果表明,混凝土材料受拉破坏机制与剪切破坏机制在本质上可统一为受拉破坏机制。     

非贯通节理介质细观损伤演化的CT 分析

 利用CT 识别技术对非贯通节理试样的单轴加载全过程进行即时扫描, 根据CT 图象灰度值均值和灰度分布随应力变化来分析细观损伤演化过程和机理, 并绘制出损伤等值线图, 对检测断面损伤分布和损伤演化过程作定量描述, 结果显示损伤演化具有阶段性特征。     

单调荷载下冻融混凝土应力-应变关系试验研究

混凝土应力-应变关系是冻融损伤钢筋混凝土结构非线性分析的基础,利用不同强度等级的两批24个混凝土试件(100 mm×100 mm×300 mm)冻融试验,探讨了试件表面形态、质量损失率随冻融循环次数的变化规律;通过单调加载试验,研究了单调荷载作用下冻融损伤混凝土试件的破坏特征,揭示了单调荷载作用下冻融损伤混凝土应力-应变关系随冻融循环次数的变化规律,分析了冻融损伤混凝土应力-应变关系曲线特征参数(峰值应力、峰值应变)与冻融循环次数之间的关系,提出了单调荷载作用下冻融损伤混凝土应力-应变关系计算模型。     

岩石轴压CT图像的分区损伤信息与临界破坏识别

岩石三轴压缩试验过程中虽然损伤不断积累,但宏观破坏前其CT图像却没有明显的变化,因此在峰值前仅通过CT数难以准确分析其损伤破坏信息。为了识别岩石的损伤信息及临界破坏特征,将轴压过程中的砂岩CT图像进行分区,使用位置线上灰度的变化代表分区内灰度的变化。CT图像中某一位置线上灰度值的变化曲线是一种起伏、粗糙的曲线,利用描述粗糙曲线的分形R_d指标定量分析砂岩损伤规律,并基于CT图像上全部位置线的R_d值总和来定义损伤变量,用其表征砂岩的损伤程度。计算结果表明荷载水平在0.84左右时,R_d值波动大,损伤变量加速增大,表明损伤进入了加速发展阶段,岩石处于损坏破坏的临界状态。由此可以合理地预测岩石的损伤破坏。     

既有裂缝混凝土的冻融劣化及损伤特性分析

采用预制裂缝的方法模拟实际工程中带裂缝混凝土,研究带裂缝混凝土在冻融循环条件下的损伤劣化过程及力学特性。通过对有、无预制裂缝的混凝土试件冻融循环后的表面变化观测、单轴压缩与弹性模量试验,研究冻融循环作用对有、无预制裂缝混凝土试件的弹性模量、轴心抗压强度、应力-应变关系的影响,得到了峰值应力与峰值应变随冻融循环次数的变化关系,结合损伤力学的方法分析预制裂缝对混凝土抗冻性能的影响。结果表明:无裂缝试件在冻融后出现成片剥落、边缘缺角的表面变化,而预制裂缝试件在此基础上还出现了预制裂缝沿径向扩展、侧面萌生横向裂缝的现象;预制裂缝混凝土试件强度和弹性模量的损失率更大,得到了预制裂缝试件峰值应力与冻融循环次数的计算式;裂缝使混凝土损伤率大于无预制裂缝试件。     

氯盐环境下钢筋锈蚀损伤混凝土应力应变本构模型

采用加速腐蚀试验,对氯盐环境下钢筋锈蚀损伤混凝土棱柱体试件的破坏形态、应力-应变全曲线、峰值应力、峰值应变、极限应变及弹性模量进行了试验研究.结果 表明:钢筋锈蚀损伤混凝土试件的破坏多为微柱失稳破坏,大致平行于受力方向的锈胀裂缝是主要的破裂面;钢筋锈蚀损伤混凝土实测应力-应变全曲线与未锈蚀损伤混凝土相似,但是随着钢筋锈蚀率的增加,其应力-应变全曲线上升段的斜率逐渐减小,峰值应变增大;钢筋锈蚀率越大的试件,脆性越明显;钢筋锈蚀损伤混凝土试件的峰值应力均低于未锈蚀损伤试件,峰值应变、极限应变随钢筋锈蚀率增加而增大,弹性模量随钢筋锈蚀率增加而减小;建立了钢筋锈蚀损伤混凝土应力-应变本构模型,模型计算值与实测值吻合较好.     

再生混凝土与锈蚀钢筋间的粘结性能试验研究

为了探究再生混凝土结构的耐久性能,对5组不同钢筋锈蚀率(0~9%)的再生混凝土梁式试件进行加载试验。分析不同钢筋锈蚀率对再生混凝土梁式试件的钢筋应变、局部粘结应力、粘结滑移和极限粘结应力的影响。结果表明:钢筋锈蚀率大于3%时试件底部开始有细微锈胀裂缝出现;锈蚀率越大,荷载作用下钢筋应变沿锚固位置的变化曲线越平缓;局部粘结应力沿锚固段呈现出双峰分布,峰值主要集中在加载端和自由端附近;加载端附近位置滑移现象最先发生,远离加载端滑移现象延后;随着钢筋锈蚀率的增大,极限粘结强度先增加后降低,极限荷载下的滑移值增大。     

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。     

基于统计损伤理论的混凝土应力应变行为

基于统计损伤理论,从有效应力的角度阐述了混凝土损伤演化累积诱致灾变的整个过程,分析了细观损伤机制与宏观力学行为之间的内在联系;建立了考虑强度等级影响的混凝土单轴拉伸、压缩统计损伤模型,该模型考虑断裂和屈服2种细观损伤模式,分别与微结构的"劣化"和"强化"机制相对应;同时区分峰值名义应力状态和临界状态,并将临界状态作为损伤局部化的前兆.结果 表明:所建立的模型能够预测不同强度等级(C20～C80)混凝土的单轴拉伸、压缩宏观应力-应变行为,并能够反映强度等级对混凝土细观损伤演化过程的影响规律;随着强度等级的提高,表征细观断裂和屈服损伤演化过程的特征参数展现出明显规律性的变化趋势;细观损伤机制最终决定了混凝土宏观非线性的应力-应变行为,屈服损伤模式在整个过程中起决定性作用.     

砌体受压本构关系模型

通过一个细观模型,从细观层次上分析了砌体在单调受压荷载作用下的损伤破坏机制,解释砌体受压应力-应变关系的非线性和应变软化,根据单元体平衡条件,建立了砌体单调轴心受压时的损伤本构关系模型,基于细观单元体强度分布特征确定损伤演化,利用应力-应变曲线特征条件和标准试件强度值确定模型参数,分析得出应力-应变关系仅与砌体的峰值点割线弹性模量与原点切线弹性模量有关,该式能反映砌体受压试验所表现的特征,与已有受压结果吻合良好。     

基于CT处理技术的混凝土破坏过程的分析

对混凝土试件进行单轴压缩实验,并利用CT技术扫描混凝土试样,获得混凝土内部细观破坏过程的CT图像.通过Amira软件图像处理技术提取混凝土试块孔隙,并对对混凝土试块不同加载阶段的孔隙进行统计计算,作出孔隙体积与压力的变化曲线,分析外部荷载和孔隙体积之间的关系。结果表明:在单轴压缩条件下,可以用孔隙体积的变化来描述混凝土的破坏过程。     

循环受压状态下钢纤维混凝土一维弹塑性损伤本构模型研究

设计制作36个钢纤维混凝土试件,通过单轴循环受压试验,研究钢纤维混凝土循环受压性能,分析钢纤维特征参数对其影响,在此基础上,参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010―2010）,建立了钢纤维混凝土循环受压弹塑性损伤本构模型。结果表明：钢纤维混凝土试件在循环荷载下破坏特性呈现明显延性特征;钢纤维的掺入显著提高混凝土峰值强度,改善其延性及滞回能耗;钢纤维混凝土循环受压应力-应变曲线包络线与单调荷载下应力-应变曲线近似一致;相同卸载点应变时,混凝土累计塑性应变随钢纤维掺量增加而逐渐减小。该文提出的本构模型能较好地反映钢纤维混凝土在循环荷载下的应力-应变关系以及损伤演化过程,可为钢纤维混凝土的工程应用和相关规程的修订提供参考。     

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段，由于岩石损伤高度局部化，声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。     

早龄期普通混凝土直剪性能及损伤耗能分析

为了研究早龄期普通混凝土直剪作用下的力学性能,完成了12个普通混凝土试件的直剪试验,获取了试件的破坏形态及直剪荷载-位移全过程曲线,分析了直剪作用下龄期对普通混凝土直剪强度、峰值变形、变形模量、损伤演变、能量耗散等力学特征参数的影响规律。结果表明:龄期越长,受剪荷载-变形曲线上升段越陡峭;当龄期≤3 d时,混凝土断面剪切破坏形态为骨料与水泥基体之间界面的黏结破坏,当龄期≥7 d时,剪切破坏形态为骨料与水泥基体之间界面的黏结破坏与粗骨料本身的剪断破坏;随着龄期的延长,普通混凝土试件的峰值剪切变形减小,直剪强度、变形模量和能量耗散系数增大,混凝土损伤的出现变晚。     

层状复合岩体损伤演化规律及分形特征

采用现场所取页岩和灰岩经室内加工"拼接"成6种不同组合方式的层状复合岩体,研究其在单轴压缩下的损伤破裂过程和声发射特征。试验过程中采用声发射系统采集试件在试验过程中所释放的声发射信号,试验前后对复合岩体进行CT扫描,分析试件破裂前后内部裂纹发育情况,并引用分形理论对破裂试件不同部位CT图像进行损伤程度分析。研究结果表明:(1)层状复合岩体的破坏是页岩组分材料和灰岩组分材料在荷载作用下耦合破坏的过程。破坏过程中灰岩组分材料对页岩组分材料的横向变形有制约作用,页岩组分材料对灰岩组分材料的横向变形则有反向促进作用,破坏时页岩组分材料的强度大于单一页岩,灰岩组分材料的强度则小于单一灰岩。(2)根据组合方式不同,将层状复合岩体破坏模式分为张拉劈裂型破坏、剪切滑移型破坏和劈裂剪切复合型破坏3种。岩石的组合方式决定着其受力状态,从而影响着复合岩体的破坏模式。(3)复合岩体平均CT数和试件扫描破裂断面盒维数均能够反映出复合岩体的损伤程度,即试件破坏前后断面CT数差值越大,断面盒维数越大,则其损伤程度也越大。