分形几何在混凝土研究中的应用及其前景

混凝土材料的复杂性及其非线性力学行为越来越受到重视.首先论述了混凝土研究的复杂性和应用分形理论研究混凝土问题的可行性,其次详述利用分形理论研究混凝土问题的方法,最后指出分形理论在混凝土研究中的应用前景.     

混凝土分形特征研究的现状与进展

阐述了混凝土材料分形特征测试评价的重要性．介绍了国内外研究现状及目前获得的一些重要结论,对目前亟待解决的问题以及今后的发展方向进行了探讨。认为将分形理论与混凝土材料科学和工程技术有效结合,描述微观、细观层次下的精细结构与宏观层次下的力学行为和自相似特征是有效的。提出了混凝土材料分形学的研究重点在分形特征的测试与评价,只有建立在合理的测试评价的基础上,混沌分形学的作用才能有效发挥,混凝土分形特征的测试在水泥及其掺合料的粉体特征、硬化混凝土孔隙特征、混凝土材料的断裂特征、冻害损伤特征、混凝土骨料分布、碱集料反应裂纹、早期开裂和冻害后的裂纹等宏观分形特征以及显微结构分形特征等方面是成功的。此外,在新拌混凝土分形特征测试评价方面的描述很少,从混沌动力学特征角度研究的内容不多,在混凝土孔结构与渗透特征方面也有较大的研究空间。     

基于分形理论的混凝土材料力学性能研究

介绍了分形理论、分数维种类及测量方法,然后全面总结了分形理论在混凝土材料中的力学行为、骨料的分布特征、断裂能、孔隙、混凝土材料声发射等诸多方面的应用,最后对其研究前景进行了展望。     

冲击作用下混凝土表面裂纹多重分形研究

采用多重分形理论,研究了钢纤维混凝土在SHPB试验中的裂纹特性,分析了断裂表面的多重分形性质与材料属性以及冲击压力的关系,同时给出了混凝土断裂表面多重分形的特点。研究了钢纤维混凝土的裂纹分布,从裂纹的疏密与均匀程度分析了纤维的阻裂效果,为探索混凝土表面裂纹图形的分形特征与其承受的动荷载之间的内在规律,建立适合描述混凝土分形结构和分形行为的数学力学方法和基本理论找到一个新的思路。     

水泥基材料混沌分形特征与耐久性

为深入研究水泥基材料混沌分形特征与耐久性,分析了水泥基组成材料的复杂性、应用环境的广泛性、宏观微观结构的特殊性,阐述了水泥基材料混沌分形特征与耐久性研究的重要性,提出了水泥基材料混沌分形理论可以作为继材料科学、细观力学、断裂力学、水泥化学、流变学等之后,构成混凝土材料科学研究的一个新的分支,有利于科学合理评价混凝土材料的复杂性,在水泥基材料混沌动力学特征和孔结构与渗流特征方面有较大的研究空间。     

冻融作用混凝土断裂面的分形特征研究

对冻融前后混凝土断裂面进行分形特征研究,将分形理论应用于混凝土冻融损伤研究中。混凝土断裂面具有良好的分形特点,冻融后混凝土断裂面断裂表面进行分维计算表明,其分形维数的方差非常小,线性回归的相关系数也非常好,断裂韧度与分维具有良好的相关性,可以将分形理论与混凝土的断裂理论结合起来,评价混凝土在冻融作用下的断裂行为。     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

混凝土的分形性及其单轴应力下裂纹演化的混沌效应

基于分形几何、损伤力学和混沌理论研究混凝土的复杂结构和功能及其在单轴应力作用下其内部微裂纹动态演化规律和破坏特征。首先从唯象和分形角度描述混凝土裂纹的产生和扩展过程,然后,推导了混凝土损伤演化方程,划规为统一形式并检验其混沌特征,进而分析了混凝土裂纹演化的混沌效应;同时,利用混沌理论解释了单轴受压混凝土构件的破坏特征。通过研究混凝土裂纹演化的混沌效应,为混凝土破坏机理研究提供新的手段,也为混凝土结构设计和维护提供理论依据。     

自然分形多孔储层复杂类型及其组构模式表征：理论与方法

自然储层孔隙结构由于成因多样，往往表现为一种多元几何在尺度不变属性控制下的多尺度组配系统，其定量表征是精准评估储层静态物性以及有效揭示输运属性细观控制机制的关键。最新研究表明，分形对象是由相互独立的原始复杂性和行为复杂性组配而成的双复杂系统，因此原始复杂性的等效表征以及行为复杂性的惟一定义是实现储层孔隙结构定量表征的关键。基于以上认知，系统研究储层复杂孔隙结构表征方法并总结各自的优势与局限性，界定分形孔隙结构中原始复杂性要素，发展孔–喉–固–网–连的算法并实现单尺度/多尺度、单相/多相、单元/多元等任意原始复杂类型的等效表征，利用分形拓扑理论确保了孔隙结构中自相同、自相似、自仿射等分形行为的唯一定义，依托复杂组构概念构建分形多孔介质复杂孔隙结构的统一表征模型，进而在充分验证了新模型有效性的基础上论述其对自然储层孔隙结构精细描述的适配性，形成了分形多孔介质定量表征的理论与方法体系。     

非均质混凝土破坏过程的细观数值试验

结合细观单元的弹塑性各向异性损伤本构模型,建立了研究非均质混凝土破坏过程及其非线性力学行为的细观数值试验模型。该模型基于混凝土材料细观层次的结构特征,采用Weibull随机分布函数引入材料的非均匀性;同时,为反映加载边界条件如端部约束等的影响,采用Bathe提出的接触问题约束函数法处理不同物体之间的相互作用。运用该模型,对压缩和拉伸加载方式下混凝土的渐进性破坏过程进行了系统性的数值试验,其结果与他人的研究结果基本一致,从而验证了该模型的合理性。该模型为从细观层次研究复杂加载方式下混凝土的渐进破坏过程,进一步揭示混凝土的破坏机理及其非线性力学行为本质提供了一种新的数值试验手段。     

关于混凝土骨料分形级配问题

随着分形理论研究的不断进展,作为当代自然科学的重大基本问题之一的“非线性科学和复杂性研究”显示了强大的生命力。使人们对一些久悬不解的基本难题有了新的认识。诸如物理学中确定性描述和概率性描述的关系,湍流发生的机制,自然界有序和无序转变的条件等等。几乎渗透到整个自然科学和社会科学的各个领域,使“分形科学”在数学、物理学、化学、材料科学、地质勘探、疾病诊断、股价预测、计算机科学和信息科学等方面得到了广泛的应用。 对于水泥混凝土这种多相、多层次复合材料体系、运用分形理论作为重要工具,进行深入研究是十分有效的。在水泥混凝土材料科学研究中,孔隙模型已由过去平滑圆柱表面、直线型的假设转化为曲线型、     

基于分形理论评价混凝土离析程度方法的研究

研究了不同离析度下混凝土的骨料分形特征;测试了掺加不同掺合料混凝土的离析度,通过计算得出混凝土骨料的分布分形维数。研究表明:当离析度不同时,混凝土的骨料分布分形维数也不同,随着离析度的增大,骨料分布分形维数标准差变大;分形理论可以较好的反应混凝土的离析状态,运用骨料的分形维数评价混凝土的离析状态十分有效。     

混凝土孔隙分形特征与氯离子渗透理论研究

混凝土内部孔隙的空间分布特征及形貌直接影响氯离子渗透性的大小,在已有混凝土的孔隙分形特征与氯离子渗透理论的研究基础上,通过构建混凝土分形毛细管束与大孔模型,并结合Katz-Thompson渗透理论方程和Byung hwan oha有效氯离子渗透系数方程,提出了考虑混凝土孔隙分形特征的氯离子渗透性方程。     

混凝土早期随机塑性开裂特征及分形评价

针对混凝土早期裂缝日益严重的现象,研究不同水灰比混凝土早期开裂的规律及分形特征,为优化混凝土配合比减少早期裂缝提供理论依据。采用平板约束法对不同水灰比的混凝土的早期开裂进行测试;并应用分形理论测量并计算不同水灰比混凝土裂缝的分形维数。水灰比从0.44减小到0.28,6h裂缝总长增加2.1倍,最大裂缝宽度增加了5.9倍,分形维数从0.95增加到1.14。研究表明,水灰比的减小加剧了混凝土的塑性开裂;应用分形理论定量描述混凝土早期裂缝的分布规律是十分有效的,为评价早期开裂提供了有力的工具。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

动压荷载下含水率对混凝土破碎块度及分形特征影响研究

本文为研究在动态压荷载作用下,混凝土力学破坏特征受含水率的影响规律,通过开展室内试验,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统与含水率控制法,分析了不同含水率混凝土试样的动态力学参数变化特征,并引入块度分析法与分形理论,探究了受动载混凝土试样的破坏特征随含水率的变化规律。研究表明:在不同应变率下,随着含水率增大混凝土试样的动态峰值应力与动态弹性模量逐渐减小,试样动态峰值应变增大;含水率会对混凝土试样造成损伤劣化,随着含水率增大,试样破碎块度粒逐渐减小,且在105. 93s~(-1)中高应变率下含水率的影响效果最大;混凝土试样破碎体的分形维数特征表现出与块度分布相似规律,动压荷载作用下,碎体分形维数D随含水率增大而减小,且在应变率105. 93s~(-1)时分形维数D受含水率的影响最明显。     

混凝土随机损伤力学研究进展

基于对混凝土构成性质的随机性与受力行为非线性的认识,对混凝土本构关系与结构非线性分析方法进行了系统的研究,形成了混凝土随机损伤力学的理论体系。研究发现：混凝土的非线性、随机性及二者的耦合对材料和结构的力学行为有深刻的影响;在细观-宏观以及本构-结构等不同尺度上,随机要素的传递、演化以及在演化过程中的涨落,均需要合理而细致地加以考虑;混凝土在细观层次的随机性直接影响结构的动力灾变行为。混凝土随机损伤力学的发展和完善,为实现基于可靠性的混凝土结构设计与控制提供了基础。     

水泥混凝土的孔结构分形特征研究

混凝土细观结构中的孔隙具有大小不一、无序分布等特点,在对孔结构研究中需借助分形理论实施细观孔结构特征的描述。针对目前混凝土孔结构特征研究中多种孔结构分形理论进行比较分析,揭示不同理论在混凝土孔结构研究中的适用性,对于采用有效的分形理论来开展混凝土孔结构分布研究具有一定的指导意义。     

混凝土力学性能及其细观力学机理研究综述

介绍了混凝土宏细观力学性能及细观力学机理研究现状,总结了混凝土细观力学机理研究的不足之处,提出了混凝土力学性能与力学机理的"宏细统一,拉压同质,压拱拉裂"的研究思路与力学模型。此研究思路与力学模型,有可能较好地统一混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化过程,较好地解释混凝土在拉压应力、拉压循环应力等状态下力学行为的细观损伤机理(本质)。