混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。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弹性损伤退化，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

基于细观层次的混凝土随机骨料建模

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、砂浆和二者之间的界面层构成的三相复合材料,而界面层是混凝土的最薄弱环节,也是混凝土抗拉强度低的主要原因。基于MATLAB软件生成圆形、多边形和椭圆形3种随机骨料模型,并生成一定厚度的骨料界面层,结合有限元软件ABAQUS划分界面层单元,建立二维混凝土细观数值模型。通过算例表明骨料投放算法简单,模型真实可靠。通过引入界面层并对其进行网格剖分,对多边形骨料模型进行单轴拉伸试验,得到的应力-应变曲线基本符合宏观混凝土单轴拉伸试验结果,为后续研究混凝土的损伤断裂机理提供了数值模拟基础,并且有效地解决了MATLAB,AUTOCAD和有限元软件之间的接口问题。数字模拟生成的多边形骨料分布情况占有率与真实骨料最接近,可用作混凝土的损伤断裂机理分析。     

椭圆形骨料混凝土弹性模量预测的格构模型

提出了椭圆形骨料混凝土弹性模量预测的格构模型。首先通过在正方形区域中模拟椭圆形骨料分布获得混凝土细观结构;再应用格构模型将混凝土连续体等效为离散体,把格构梁分为骨料、界面和水泥石基体3类单元,并根据三相组分的面积百分数对这3类单元的比例进行修正,较准确地描述了混凝土材料的非均匀性;最后用有限单元法获得混凝土弹性模量。通过与文献中的2组试验结果比较,验证了本文数值方法的有效性。     

基于数值方法的混凝土细观结构变化规律与力学性能研究

本文基于分形理论,以混凝土试件细观结构中的骨料面积-界面周长关系作为细观结构的表征指标,通过分形维方法将其量化,利用数值方法研究了混凝土试件的细观结构变化规律,分析了试件细观结构变化对其力学性能的影响,并在此基础上进一步探讨了细观结构变化对试件力学特性的影响机理。研究发现:(1)试件骨料投放率的变化对细观结构影响甚小,而试件尺寸的变化则对其影响较大;(2)试件尺寸变化对试件承载力学性能的影响更大,而骨料投放率变化对其影响则较小:骨料投放的增多对承载力的提升作用和对整体应力水平的降低作用在大尺寸试件中更为明显;(3)骨料投放率的增大能提升试件局部开裂应力,但会降低开裂应变,增大开裂脆性,试件破坏呈现出明显的局部特性。     

后掺骨料混凝土梁抗弯性能试验研究

后掺骨料混凝土是将粗骨料嵌锁技术应用于结构工程的一种新的尝试,它能够有效改善泵送 混凝土的早期开裂问题并降低工程成本。目前国内外缺少对于此种混凝土构件抗弯性能的研究。通过 对6根后掺骨料抛填率不同的简支梁进行抗弯试验,探讨了后掺骨料混凝土受弯构件的抗弯性能。结 果表明:后掺骨料混凝土梁正截面平均应变仍服从平截面假定;受弯破坏的过程仍分为弹性、带裂缝工 作和屈服三个阶段;Ｃ40泵送混凝土的最佳后掺粗骨料抛填率为20％。     

混凝土碱骨料反应力学性质劣化机理研究

本文建立了混凝土三相介质(骨料、水泥砂浆及其交界面)细观颗粒模型,通过对不同碱骨料反应程度的混凝土试件进行单轴受压数值模拟,得到混凝土刚度退化和宏观损伤因子随碱骨料反应膨胀应变增加而增加的规律。基于细观层面,分析碱骨料反应引起的混凝土内部细观应力分布和细观损伤演化的规律。由数值结果可知,碱骨料反应造成骨料膨胀,在砂浆内产生细观拉应力,一旦超过材料的细观强度即产生微裂缝,使细观拉应力得到释放。这些微裂缝构成了混凝土内部的细观损伤,随着碱骨料反应发展,细观损伤范围不断增加,从而导致碱骨料反应的混凝土力学性质的劣化。     

物质点法在椭圆骨料混凝土损伤模拟中的应用

为研究混凝土结构的宏观力学响应及损伤行为,应用物质点法这一新型数值方法对椭圆骨料混凝土进行数值模拟研究。基于蒙特卡罗模拟方法,考虑混凝土的细观结构,提出了一种构建随机椭圆骨料混凝土细观几何模型的方法。在该几何模型的基础上,进一步提出一种快速建立混凝土细观物质点模型的方法。分别以弹塑性损伤本构模型和弹性本构模型模拟砂浆和骨料的力学行为,采用开发的物质点法程序对混凝土数值模型进行了单轴拉伸及单轴压缩数值试验。结果表明,物质点法模拟所得的结果与设计规范及有限元结果相近。可见,物质点法为混凝土结构损伤行为的数值模拟提供了一条可行的途径。     

基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。     

混凝土劈裂抗拉力学性能的细观数值研究

采用随机骨料模型模拟混凝土的细观结构,在细观层次上将混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料。利用有限元方法数值模拟混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉,并对其劈裂抗拉破坏进行了研究。结果表明:骨料与砂浆的界面是混凝土劈裂抗拉破坏的薄弱环节,所采用的数值模拟计算方法基本可行。     

混凝土骨料随机分布的分形研究及其对破坏特性的影响

混凝土的破坏特性和损伤破坏形态具有明显的离散性和随机性,骨料的随机分布形态是重要的影响因素之一。但是对骨料分布的量化表征一直是比较棘手的问题。在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上,建立了细观混凝土力学模型。对36组不同骨料分布形式下的混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行了数值研究,并利用盒维数和多重分形谱表征骨料分布,研究其随机分布规律以及对混凝土破坏特性的影响。发现多重分形谱较盒维数可以更好地提取局部细节特征,为骨料分布的量化研究提供了一种新的方法。进而统计分析了骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度、软化段曲线（脆性）和裂纹分布盒维数的相关关系,研究表明骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度和脆性呈反相关关系,与裂纹分布盒维数成正相关关系,即骨料分布多重分形谱谱宽越小,骨料分布越均匀,峰值应力越大,脆性越明显,裂纹扩展越规则,裂纹分布盒维数越小。该研究有助于加深对混凝土破坏特性和开裂破坏形态的认识。     

考虑材料层次尺寸效应影响的混凝土力学性能理论预测方法

大坝混凝土粗骨料粒径范围为5~150 mm,混凝土材料的宏观力学性能易随骨料级配等发生变化。本文从细观角度出发,提出了一种能够考虑材料层次尺寸效应影响的预测混凝土宏观力学性能的理论分析方法。结合混凝土材料内部细观结构形式,将其看作由粗骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区组成的三相复合材料。假定骨料颗粒在混凝土受力过程中不发生破坏,采用双线性本构模型描述砂浆基质和界面过渡区的材料力学行为,基于断裂力学基本理论框架,推导得到了混凝土细观裂缝长度、宏观断裂能、单轴拉伸强度、特征长度以及脆性指数等力学参数的理论公式。基于本文提出的理论预测方法,分析了界面过渡区力学性能以及粗骨料级配、含量对混凝土宏观力学性能的影响。     

基于细观结构性能和尺度的混凝土材料层次尺寸效应解析理论

本文以细观为基本研究尺度,认为混凝土材料层次尺寸效应主要根源于粗骨料、砂浆以及界面等细观结构性能和尺度的不确定性。首先,基于建立的能够考虑细观结构影响的混凝土I-型裂缝断裂破坏分析模型,采用理论解析法对不同级配混凝土宏观力学性能预测方法进行了修正;进而,提出了一套混凝土材料层次尺寸效应解析理论,并分析了混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为。分析结果表明:单轴拉伸加载条件下,强骨料夹杂混凝土中界面力学性能、骨料含量和最大骨料粒径均显著影响细观断裂裂缝中界面裂缝的占比,从而影响到混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为。     

沙漠砂混凝土动态力学性能数值模拟

沙漠砂混凝土动态力学性能非常复杂,利用SHPB进行沙漠砂混凝土动态冲击压缩试验,分析冲击速度对沙漠砂混凝土动态性能影响规律。编写沙漠砂混凝土圆形骨料随机分布程序,运用ANSYS/LS-DYNA软件对试件尺寸、冲击速度、粗骨料体积含量和粗骨料颗粒大小不同沙漠砂混凝土动态破坏过程进行模拟,分析试件尺寸、冲击速度、粗骨料体积含量和粗骨料颗粒大小对沙漠砂混凝土动态力学性能的影响规律。数值模拟表明:沙漠砂混凝土具有明显尺寸效应;随着粗骨料颗粒最小粒径增大,沙漠砂混凝土峰值应力逐渐减小;随着粗骨料颗粒最大粒径增大,沙漠砂混凝土峰值应力呈先增大后减小趋势;随着粗骨料体积含量增大,沙漠砂混凝土峰值应力呈先增大后减小趋势,数值模拟结果为沙漠砂混凝土优化设计提供依据。     

不同粒径再生粗骨料混凝土单轴受压应力 －应变关系试验研究

研究了粗骨料粒径对再生混凝土力学性能的影响,为再生混凝土工程中合理选取再生粗骨料粒径及取代率提供参考和依据。以再生粗骨料粒径和取代率为变量,用 5 ～ 20 mm、20 ～ 30 mm 及5 ～ 30 mm 粒径范围内的再生粗骨料制作了不同取代率的二级配再生混凝土试件,利用混凝土单轴抗压的试验方法,分析了不同再生粗骨料粒径以及不同取代率再生混凝土的力学性能。实验结果表明:再生混凝土的弹性模量随取代率的增大而减小; 相同取代率下,再生粗骨料粒径为 5 ～ 30 mm 的二级配再生混凝土的抗压强度比粒径为 5 ～ 20 mm 或 20 ～ 30 mm 的二级配再生混凝土的抗压强度高; 粒径为 20 ～ 30 mm 的再生粗骨料对二级配再生混凝土力学性能的影响最大。再生粗骨料全级配取代,且取代率为 30% 时二级配再生混凝土的抗压强度最大。     

科氏芽孢杆菌对再生粗骨料混凝土抗压强度的影响

将实验室废弃的强度等级为C30混凝土试块经人工破碎后通过筛选得到粒径为20～50 mm的再生粗骨料。为探究科氏芽孢杆菌矿化沉积对再生粗骨料的影响,研制了不同pH条件科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理的再生粗骨料。利用科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理后的再生粗骨料(取代率选用20%)制备再生骨料混凝土,开展了再生骨料混凝土试件的单轴抗压强度和声发射损伤特征试验,分析了不同pH条件的科氏芽孢杆菌矿化沉积再生粗骨料对浸泡液残余Ca²⁺浓度、混凝土峰值抗压强度和损伤演化的影响。试验结果表明:科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理再生粗骨料后,残余Ca²⁺浓度随浸泡液pH值的减小而减少,科氏芽孢杆菌菌液浸泡能有效改善再生粗骨料的密实性,且酸性条件下效果最好;再生粗骨料经酸性环境的科氏芽孢杆菌菌液浸泡处理后制备的再生骨料混凝土的峰值强度有明显的提高;在抗压过程中,损伤演化减缓,损伤劣化程度降低,当浸泡液从pH=8到pH=5时,再生骨料混凝土损伤变量逐渐减小且累积损伤明显降低。研究成果可为微生物改良再生骨料的实际应用提供参考。     

乌东德特高拱坝混凝土砂石骨料生产质量改进措施研究

砂石骨料质量的优劣是混凝土质量的基础,对大坝的长期安全稳定运行具有重要意义。结合乌东德大坝砂石加工系统生产工艺特点,对料场毛料开采、砂石骨料加工全过程进行全面的梳理和质量改进措施研究,提出了粗、细骨料生产工艺的优化改进措施。结果表明,砂石骨料生产工艺的改善有效控制了粗骨料粒型,提升了成品砂的产量和质量(细度模数、石粉及微粒含量),确保了乌东德大坝混凝土品质,保障了大坝工程全生命周期的质量和安全。研究结果为类似水电工程人工骨料品质改善提供了参考。     

基于随机骨料数学模型的混凝土弹性模量预测

按照混凝土试件的实际配比计算出各粒径区间的骨料体积含量,对骨料颗粒进行随机投放,生成随机骨料的数值模型。对不同形状骨料的随机骨料模型建立的体积表征单元(RVE)施加均匀位移边界条件,通过有限元方法计算该RVE中的应力和应变场,然后由细观力学数值均匀化方法预测RVE的有效弹性模量。数值计算结果和试验值的对比表明,基于随机骨料模型的混凝土弹性模量的预测是有效的,骨料含量为40%和60%时预测值与试验值相近;由多边形骨料模型得到的弹性模量略高于圆形骨料,骨料的空间分布对于预测结果的影响甚微。假定材料的细观单元力学性质服从Weibull分布时,预测的有效弹性模量结果偏低,且随均质度的减小而减小。     

高寒地区RCC坝越冬层碾压式导电混凝土电阻率细观分析

高寒地区碾压混凝土重力坝越冬层的保温是坝体温控防裂的关注要点。不同于传统的外部保温措施,本文提出一种用于RCC坝越冬层面的碾压式导电混凝土(Electrically conductive Roller-Compacted Concrete, ERCC),可通过自发热解决寒潮期坝体内外温差大的问题。ERCC的电热性能是区别于常规混凝土的主要特性,电阻率是其关键参数。首先制备了不同粗骨料含量的ERCC试件,测量不同龄期下电阻率的变化趋势,得出粗骨料含量对电阻率的影响;进而建立ERCC-2D细观数值模型,分析了界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)对混凝土电阻率的影响,通过数值计算对ITZ进行参数率定;最后通过耦合连续介质与非连续介质计算方法,建立出不同粗骨料含量下的ERCC-3D细观数值模型,通过试验验证细观数值模拟的正确性。可以发现,混凝土中骨料含量增加可显著增大ERCC 28 d龄期的电阻率;ITZ的电阻率为砂浆电阻率1.5倍,且ITZ电阻率对混凝土电阻率几乎无影响;为量化ERCC电阻率与骨料含量和砂浆的关系,结合试验与细观数值模拟提出了ERCC...     

再生混凝土力学性能提升技术与应用

针对大量混凝土废弃物造成生态环境日益恶化及天然骨料资源日益缺乏的问题,通过配制不同强度等级和不同再生骨料掺量的再生混凝土,并结合锡澄运河三级航道整治工程对再生混凝土力学性能及其提升技术进行试验研究。结果表明:再生骨料的掺量对C35及以下中低强度混凝土力学性能影响较小,而对C40及以上中高强度混凝土有较大影响,随再生骨料掺量的增加,再生混凝土力学性能降低;通过合理选用再生骨料级配、与天然骨料复掺、对再生骨料进行强化以及优化配合比参数等措施能提升混凝土力学性能;锡澄运河三级航道整治工程实际应用取得了很好的技术经济效益。     

基于细观刚体弹簧元的轻骨料混凝土力学性能数值模拟

采用基于二维细观刚体弹簧元的数值方法,模拟了轻骨料混凝土静态加载下的力学性能,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析.得出的主要结论为:加载边界无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低31.4%、55.6%;立方体试件抗压强度、峰值应变随尺寸的增大而减小,100mm×100mm×100mm、200mm×200mm×200mm非标准立方体试件抗压强度换算系数分别为0.95和1.09,峰值应变换算系数分别为0.91和1.08,通过数值模拟得到了棱柱体试件单轴受压、单轴受拉状态下的应力应变关系全曲线,并给出了单轴拉压强度之间的关系.与试验结果的比较分析表明,二维刚体弹簧元数值方法能较好地预测轻骨料混凝土的静态力学性能,可以用于分析轻骨料混凝土结构.