基于高阶块体元-有限元建模的混凝土细观数值分析

提出一个高阶块体元-有限元的混合建模方法进行混凝土的细观数值模拟,即采用高阶块体元离散骨料区域、有限元离散水泥砂浆区域、高阶块体元与有限元相结合的界面元离散混凝土内部的界面过渡区,既避免了复杂的网格划分及其带来的庞大计算规模问题,又便于边界条件的施加。在传统塑性损伤模型的框架下,建立了一个关于微裂纹表征的水泥砂浆损伤模型,该损伤模型能够反映由微裂纹产生所导致泊松效应弱化现象;提出一个界面过渡区的双曲滑移开裂面,并通过相对开裂位移量和相对滑移位移量,定义了界面抗拉强度和内聚力的后继软化规律,同时引入二次流动势面反映压应力状态下界面过渡区的非关联流动特性;采用建立的高阶块体元-有限元混合模型对混凝土进行细观非线性计算分析,获得了混凝土内部界面过渡区和砂浆的破坏特点,揭示了骨料对损伤路径的影响规律。     

基于细观尺度的再生混凝土性能研究综述

基于当前国内外学者对再生混凝土性能试验的结果,研究骨料、砂浆、界面过渡区等细观参数对再生混凝土宏观性能影响.在骨料方面,骨料分布的均匀程度高、颗粒级配较好、大中型骨料颗粒数越多的再生混凝土在抗拉、抗压、抗折强度及弹性模量等方面都会有所提高;在砂浆方面,随着新、老砂浆的强度提高,再生混凝土力学性能更好,老砂浆厚度越高,再生混凝土内部氯离子浓度越大;在界面过渡区方面,随着新、老界面过渡区弹性模量的提高,再生混凝土的性能表现地越好,界面过渡区厚度越大,氯离子扩散系数越大.     

不同强度等级再生混凝土多重界面结构显微硬度分析

根据再生混凝土界面结构的特点,建立了多重界面重构模型.通过测试分析不同强度等级再生混凝土多重界面过渡区的显微硬度,研究了再生混凝土多重界面结构及其对性能损伤的影响规律.研究结果表明:提高再生混凝土的强度等级能有效地增大砂浆基体及界面过渡区的显微硬度;由C40废弃混凝土加工成的再生粗骨料,配制C30或C40再生混凝土,其薄弱界面为老骨料-新浆体界面;而配制的C50再生混凝土的薄弱界面则为老浆体-新浆体界面.     

热活化煤矸石粉对基体-骨料界面过渡区性能的影响

煤矸石是煤炭工业产生的固体废弃物，持续产生及长期堆存会对环境产生一定影响，亟需开展资源化利用研究。以贵州黔西市煤矸石为研究对象，以粗粒级煤矸石为骨料，热活化后细粒级煤矸石为矿物掺合料，采用微机控制抗压抗折试验机、显微硬度仪、扫描电子显微镜研究热活化煤矸石粉对基体-骨料界面过渡区性能的影响。结果表明：随着热活化煤矸石粉掺量的增加，胶砂试块的抗折强度和抗压强度均先升高后降低，质量分数为2.5%的热活化煤矸石粉对胶砂试块力学性能具有提升作用，能够减小界面过渡区宽度，提高界面过渡区显微硬度，同时密实界面结构；随着热活化煤矸石粉掺量进一步增加，界面过渡区宽度反而增大，微孔数量和尺寸也增加，部分胶凝物质呈团状附着在煤矸石骨料表面，进而对胶砂力学性能产生不利影响。     

不同强度砂浆界面过渡区对再生骨料混凝土性能的影响

为了探明不同强度砂浆界面过渡区对再生骨料混凝土性能的影响,试验以再生骨料表面不同的砂浆强度以及附着率作为变量,配置了不同强度等级的再生骨料混凝土,与普通混凝土进行了对比性强度试验以及碳化试验.试验结果表明,高强度原生混凝土经破碎后作为再生骨料配制低强度等级的再生混凝土,即再生混凝土内部旧砂浆界面过渡区强度比再生混凝土内部新砂浆界面过渡区强度高时,再生骨料混凝土的强度与普通混凝土强度几乎相同,再生骨料表面砂浆的强度以及附着率对再生混凝土的强度影响不大,但碳化深度有所增大.当使用低强度原生混凝土经破碎后作为再生骨料配制高强度等级再生混凝土,也就是再生混凝土内部再生骨料与旧砂浆界面过渡区强度比新砂浆界面过渡区强度低时,再生骨料混凝土的强度与普通混凝土相差较大,再生骨料表面砂浆的强度以及附着率对再生混凝土强度影响较大.     

再生混凝土单轴受压下多重界面过渡区的破坏机理研究

为研究再生粗骨料混凝土在单轴受压荷载下的破坏特性,使用数字图像相关技术记录混凝土立方体在破坏过程中的应变变化规律,并结合显微硬度测试、背散射电子成像技术等观测手段对界面过渡区的宽度和孔隙率进行定量表征。试验结果表明,分别经骨料强化和砂浆强化后,再生混凝土的抗压强度较未处理试样提升了17.86%和35.55%,说明砂浆强化更有利于提升再生混凝土的抗压强度。骨料强化可以提升老砂浆显微硬度值,降低老骨料-老砂浆界面过渡区孔隙率;砂浆强化可以提升新砂浆显微硬度值,降低老骨料-新砂浆界面过渡区以及新-老砂浆界面过渡区的孔隙率。经强化处理后的特定界面产生贯通裂缝的概率降低。     

再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀的多相数值研究

为定量分析再生骨料混凝土各组成相对其抗氯离子侵蚀性能的影响,研究建立可实现任意体积分数再生粗骨料随机分布的再生混凝土五相细微观数值模型,包括新砂浆、新界面过渡区、旧砂浆、旧界面过渡区和核心区原始天然骨料.根据各相氯离子扩散性能和几何性质的不同,探究再生粗骨料体积分数、旧砂浆附着率及新、旧界面过渡区厚度等关键几何参数对再生混凝土抗氯离子侵蚀性能及离子时空分布的影响.结果 表明:作为再生骨料混凝土的重要组成部分,附着旧砂浆和核心区天然骨料的性质与含量对其抗氯离子侵蚀性能起着相互博弈的效应,导致再生骨料混凝土有效氯离子扩散系数随着骨料体积分数的增大而产生明显波动,尤其是当旧砂浆附着率较小时,此现象尤为明显;当骨料体积分数一定时,再生骨料混凝土氯离子扩散性能随着旧砂浆附着率的增大而增强,且增幅随着骨料体积分数的增大而增大;再生骨料混凝土抗氯离子侵蚀性能与新、旧界面过渡区的厚度呈负相关关系.     

再生粗骨料混凝土抗冻性能研究进展

将再生粗骨料应用于混凝土制备可有效减少原材料生产对生态环境的破坏,还可实现建筑废弃物的再生利用。但由于存在老旧砂浆包裹、原始缺陷较多等问题,再生粗骨料混凝土吸水率较高且薄弱界面较多,抗冻性能较差,对寒冷环境下的混凝土结构产生了极为不利的影响。本文综合分析国内外对再生粗骨料混凝土抗冻性能的研究现状,发现复杂脆弱的界面过渡区是再生粗骨料混凝土承受冻害时的薄弱环节,微裂缝和孔隙的发育使其在冻融循环过程中的性能不断降低。再生混凝土的抗冻性能随着再生粗骨料掺量的增加而加速劣化,再生粗骨料质量掺量应控制在50%以内。质量损失、相对动弹性模量和抗压强度是评价再生混凝土冻融损伤水平的常用指标,质量损失在试验初期会出现负增长情况,相对动弹性模量在有限冻融循环次数下的反应较不敏感,相比之下抗压强度能更好地体现再生粗骨料混凝土的冻融损伤水平。未来,还应对再生混凝土冻融损伤机理进行更加系统深入的研究,探究效果良好的非破坏性试验指标,以及在标准冻融试验的基础上结合特定工程环境对再生混凝土抗冻性能进行具体评价,推动再生粗骨料混凝土更加广泛的应用。     

再生混凝土界面过渡区改性方法探讨

针对再生混凝土强度及耐久性均比普通混凝土差,在电子显微镜观察下发现再生粗骨料与新水泥石界面处呈现疏松多孔的形貌等不足;提出采用水胶比为1.0的水泥外掺硅粉浆液浸泡再生粗骨料一定时间后捞出阴干并用于拌制新的混凝土。试验结果表明,水泥外掺硅粉浆液预处理方法对再生混凝土强度的提高和界面过渡区形貌的改善效果良好。     

陶粒混凝土的破坏损伤数值模拟

全轻陶粒混凝土作为一种常见的轻骨料混凝土,具有非常好的工程前景,特别是在高层建筑和装配式结构方面。然而,目前对于陶粒混凝土的研究主要在宏观层次。在细观层次上,将陶粒混凝土视为由陶粒、水泥砂浆、陶粒-水泥砂浆界面过渡区构成的三相复合材料,采用M-T均匀化理论,通过对比试验结果验证模型参数的准确性。同时,建立陶粒混凝土细观二维模型,进一步研究陶粒混凝土的破坏损伤机理及裂缝发展规律。结果表明,通过合理的陶粒混凝土配合比设计,在陶粒等体积取代碎石下配制出可以满足LC35强度等级的陶粒混凝土,且符合规范对于轻骨料混凝土的密度要求。通过对陶粒混凝土二维150 mm×150 mm的构件进行模拟,发现陶粒混凝土的抗压破坏是从界面过渡区开始产生裂缝,随后裂缝贯穿陶粒并进一步扩展直至陶粒混凝土达到极限荷载强度;通过对陶粒混凝土劈裂抗拉的数值模拟,陶粒混凝土的端部裂缝一部分贯穿骨料,一部分沿着骨料与砂浆的界面区域发展。     

氯盐冻融耦合作用下再生混凝土损伤劣化规律

为了研究严寒盐渍环境中再生混凝土的损伤劣化规律,制备了再生粗骨料质量替代率为0%、50%、100%的再生混凝土进行氯盐冻融耦合作用下的试验研究,从外观形貌、质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度等方面探讨混凝土损伤劣化规律。结果表明,氯盐冻融对再生骨料混凝土的破坏随再生骨料替代率的增加而增大。与冻融循环0次相比,冻融循环200次时100%替代率再生混凝土的质量损失率、相对动弹性模量、相对抗压强度分别下降为6.8%、54.2%、50.5%。建立了以抗压强度损失率为损伤变量的线性演化模型,模型可以较好地表征氯盐冻融作用下再生混凝土的损伤劣化规律,为严寒盐渍地区再生混凝土使用提供理论依据。     

再生保温混凝土抗冻性能的细观研究

再生粗骨料和玻化微珠保温骨料的加入,会导致再生保温混凝土(RATIC)内部形成复杂的孔隙结构。为了进一步揭示冻融作用下再生保温混凝土的劣化机理,在宏观试验的基础上,通过CT扫描细观试验分析了不同再生粗骨料取代率的RATIC试件在冻融作用下的裂缝发展规律和孔隙特征。试验结果表明:新旧水泥砂浆界面过渡区是冻融循环作用下RATIC的薄弱环节,试件内部多数裂缝产生于新旧水泥砂浆界面过渡区;试件的相对孔隙率是定量反映RATIC试件内部冻融破坏规律的重要指标。     

母体混凝土强度对再生骨料及再生骨料混凝土性能影响研究进展

将建筑固废破碎成再生骨料加以使用，既可节约自然砂石资源，又可促进建筑固废循环利用。再生骨料的品质决定了再生混凝土的性能，而品质的影响因素很多，其中母体混凝土的强度是重要的影响因素之一。本文以母体混凝土强度为研究对象，综述其对再生骨料及再生骨料混凝土的性能影响规律。不同强度的母体混凝土通过影响再生骨料黏附砂浆的质量与含量，进而影响再生骨料及再生骨料混凝土的性能。母体混凝土强度增加，黏附砂浆的质量与含量均得到提高；而黏附砂浆质量的提高强化了再生骨料和再生骨料混凝土的性能；黏附砂浆含量的增加劣化了再生骨料的物理性能，使再生骨料孔隙率和吸水率增加，却强化了混凝土的内养护效果，有助于提升再生骨料混凝土的力学性能。微观分析发现，对于不同强度的母体混凝土，再生骨料混凝土界面过渡区中水化产物的含量有差异，从而对混凝土的力学性能产生影响。本文为再生骨料的进一步分级利用提供参考。     

混凝土单轴受拉断裂行为的近场动力学模拟

混凝土的宏观力学行为取决于材料组成及其性质。本文基于键基近场动力学理论建立了多相非均质性的混凝土细观尺度数值模型,研究了单轴拉伸作用下混凝土的宏观力学性能和断裂过程。通过改变粗骨料含量、砂浆强度、粗骨料强度以及界面过渡区强度对模型合理性进行了验证。结果表明:软化段之前的应力-应变曲线能够被很好重现,能准确描述混凝土在单轴拉伸作用下的力学性能和断裂过程;调整数值模型中各相材料的力学参数能够合理模拟出不同类型的混凝土在单轴拉伸作用下的断裂过程。     

基于细观尺度的树脂基混凝土力学性能数值模拟

在细观尺度上对树脂基透水混凝土进行分析研究,采用Python编程语言结合有限元分析软件ABAQUS建立基于随机骨料的三维实体模型模拟骨料单粒级配下的树脂基混凝土在单轴压缩和三点弯曲作用下的损伤断裂和应力分布情况,以删除失效单元的方式来模拟裂纹的扩展过程,得到应力强度值,并对其进行参数化分析。结果表明:数值模拟结果与已有试验结果吻合性较好,能够很好地体现裂纹损伤效果,在细观层次研究的基础上揭示了其宏观力学性能。     

基于MATLAB程序语言建立再生混凝土随机骨料几何模型分析

学习认识再生混凝土细观组成，建立其细观模型。根据富勒级配理论，利用瓦拉文级配公式，分别求得试件在二维、三维层次上各种骨料粒径的颗粒数，然后应用蒙特卡罗方法，基于MATLAB程序语言研究出圆形普通混凝土放置编程，实现其二维、三维随机骨料几何模型的生成。最后依照再生混凝土组成，对几何模型进行改进，提出再生骨料的简化模型，并在ANSYS中建立再生混凝土二维、三维随机骨料几何模型图。     

化学溶液预处理再生粗骨料对再生混凝土改性的影响

为研究不同浓度的硅酸钠溶液和硅烷溶液复合改性再生粗骨料对再生混凝土力学与变形性能及微观结构的影响,通过立方体抗压强度试验研究复合改性对再生混凝土力学性能的影响,同时基于数字图像相关(DIC)方法研究复合改性对再生混凝土变形性能的影响,并借助扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)微观测试方法分析改性再生混凝土内部微观结构。结果表明:质量分数为5%的硅酸钠溶液和质量分数为10%的硅烷溶液改性后的再生粗骨料24 h吸水率降幅最大,由其制成的再生混凝土28 d抗压强度显著提高,较未改性再生混凝土提高了35.80%;硅酸钠溶液和硅烷溶液复合改性再生粗骨料可有效减小再生混凝土的变形,应力较大时,可阻止应力过度集中,使再生混凝土整体变形性能较好;此外,还可以改善再生粗骨料表面疏松结构和粗糙程度,加强骨料与砂浆界面过渡区(ITZ)性能,但对于新、旧砂浆ITZ性能的改善不明显。     

考虑骨料表面强化的再生混凝土内氯离子传输细观数值模拟

采用纳米强化再生骨料表面的措施来改善再生骨料性能,建立多相再生混凝土细观数值模型,进行氯离子在再生混凝土内部传输的模拟和试验验证,并预测了氯盐环境下再生骨料表面强化混凝土耐久性寿命。结果表明:数值模拟得到的氯离子在再生混凝土内的分布与试验结果吻合较好;同一深度处,越靠近骨料表面,氯离子浓度越大,其中未强化再生骨料表面的氯离子浓度要大于强化再生骨料表面的氯离子浓度;增加保护层厚度可以有效提高纳米强化再生混凝土在氯盐环境下的耐久性寿命;随纳米包裹层氯离子扩散系数的减小,再生混凝土的耐久性寿命有所增加。     

机制砂再生混凝土基本力学性能与微观结构分析

为研究石粉含量与再生骨料取代率对机制砂再生混凝土力学性能与微观结构性能的影响,对128个机制砂再生混凝土标准立方体试块进行了劈裂抗拉和抗压强度试验,并通过SEM电镜试验,研究了机制砂再生混凝土的微观结构性能.试验结果表明,当石粉含量小于10％时混凝土的强度与微观结构性能随石粉含量增加而提高,并在石粉含量达到10％时强度达到最大,在此之后强度随石粉含量的增加而降低.再生骨料及其与砂浆的微观结构不利于机制砂再生混凝土强度的发展,混凝土强度随再生骨料取代率的增加而降低.     

不同冻融介质作用下再生骨料透水混凝土耐久性试验研究

为探索不同冻融介质下再生骨料透水混凝土的冻融耐久性,分别以清水和3.5wt％ NaCl溶液为冻融介质,分析比较了不同冻融环境下再生骨料透水混凝土质量损失、动弹性模量、剩余抗压强度、CT扫描断面平均孔隙率随冻融循环次数的变化规律.试验结果表明,不同冻融介质作用下,再生骨料透水混凝土的质量损失率、相对动弹性模量、平均抗压强度与CT扫描断面平均孔隙率的劣化程度均随冻融循环次数增加而逐渐增大,氯盐环境下更易引起再生骨料透水混凝土的冻融破坏;再生骨料透水混凝土相对剩余抗压强度与相对动弹性模量之间具有良好的相关性,可通过测量冻融后再生骨料透水混凝土相对动弹性模量来评估其剩余抗压强度;最后基于两参数Weibull概率分布函数建立了再生骨料透水混凝土冻融损伤演化方程,可用于表征不同冻融介质作用下再生骨料透水混凝土试件的冻融损伤破坏程度.