混凝土劈拉开裂和裂缝自愈合机理

<正>采用混凝土圆盘试件,研究了劈拉加载下混凝土的开裂过程和裂缝形态,分析了试件劈拉应力-裂缝口张开位移曲线的特征,探讨了不同卸载位移下曲线的变化规律;对劈拉开裂后混凝土在不同环境中(海水、淡水和标准养护)的性能恢复规律和自愈合机理开展了试验研究。结果表明:混凝土劈拉开裂导致自身刚度降低,并且裂缝口张开位移越大,刚度降低越明显;自愈合产物与混凝土基体黏结强度较低,再次     

混凝土水力劈裂试验研究

本文采用改进后的楔形劈拉试验密封装置进行了有(无)水压作用下的混凝土(水力)劈拉试验。设计的密封装置通过特制的夹具、硅胶板来实现密封水的作用,以承受施加在混凝土试件预制缝的外部水压力。试验表明,本文设计的密封装置对混凝土试件断裂参数的影响相对较小。根据预埋在裂缝尖端水压力传感器记录的数据,拟合并总结出混凝土试件缝面水压力在不同阶段的分布情况及一般规律。试验结果表明,不论是慢速加载还是快速加载,当水稳定进入裂缝时,缝面水压分布曲线主要由直线段和抛物线段两部分组成;慢速张开情况下裂缝口的水有足够的时间流入裂缝内,快速张开时缝内水的运动明显有滞后性。当慢速与快速加载作用达到相同的裂缝张开宽度时,慢速加载时缝面水压力是快速张开情况下的2~3倍。外水压对混凝土楔形劈拉失稳荷载影响较大,随着外水压的增大,试件的失稳荷载明显减小;快速加载下,失稳荷载比慢速加载时要有所增大。水力劈裂试件的扩展裂缝形状比较平直,而无水压作用时,试件劈裂扩展裂缝形状则有较多的曲折。     

基于虚拟裂缝模型的混凝土双K断裂参数

本文将虚拟裂缝模型与线弹性断裂力学相结合，利用楔入劈拉试件在实验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc，求得了混凝土裂缝亚临界扩展量Δac的解析解，据此计算了最大尺寸为700×700×200mm的楔入劈拉混凝土试件的起裂断裂韧度,失稳断裂韧度及临界裂缝尖端张开位移CTODc，并与试验结果进行了比较。研究结果表明，当试件高度h＞400mm时，、，CTODc是一个与试件高度无关的断裂参数     

静水压力下混凝土双K断裂参数试验测定

本文主要研究混凝土在机械荷载和水压力的双重作用下，裂缝的起裂、扩展和失稳断裂情况。试验采用楔入劈拉试件，试验时每间隔一定的机械荷载，施加一个循环的一定数值的水压力，直至试件断裂。试验采用“恒定裂缝张开位移”和“恒定荷载”两种加载方式，恒定裂缝张开位移是对水压力作用下的试件进行的定性对比分析，恒定荷载是对固定水压力作用下的试件，通过表面粘贴应变片的方法监测裂缝的起裂和扩展长度。采用混凝土裂缝扩展的双K断裂准则计算了粘聚韧度、失稳韧度和起裂韧度，并与试验测定结果进行了比较。结果表明，随着水压力的逐渐增大，试件的可承受最大荷载逐渐减小，裂缝的起裂提前。     

UHTCC加固混凝土梁断裂行为分析

超高韧性水泥基材料(UHTCC)在结构加固改造中具有巨大潜力,运用断裂力学方法研究了UHTCC加固混凝土梁的开裂行为,其中混凝土以及UHTCC的开裂采用虚拟裂缝模型模拟。通过引入裂缝扩展准则以及裂缝口张开位移的协调条件,建立整体控制方程;通过叠加原理计算得到裂缝尖端净应力强度因子,最后得到荷载-裂缝口张开位移曲线。断裂力学方法计算结果与试验结果吻合良好,为UHTCC加固混凝土梁的设计提供了一种有效的计算手段。     

长期恒荷载作用下混凝土时变断裂试验研究

服役中的大体积混凝土结构处在长期荷载作用下,与服役时间相关的时变断裂问题直接关系到结构的安全。采用标准三点弯曲梁试件,分别施加约0.7Pmax、0.75Pmax、0.8Pmax、0.85Pmax、0.95Pmax的恒定荷载进行长期加载,试验测得在不同恒荷载水平下的时变裂缝口张开位移CMOD(t)。试验结果表明,CMOD(t)在持载阶段不断增大,CMOD(t)-t曲线呈现出三个阶段特征:第一阶段,CMOD(t)快速增大而裂缝口张开速率CMOR(t)逐渐减小;第二阶段,CMOD(t)增大而CMOR(t)几乎不变;第三阶段,CMOD(t)和CMOR(t)都快速增大直至试件断裂破坏。与不考虑时间相关性的单调加载静态断裂试验相比,时变断裂试验的临界裂缝口张开位移CMOD(tc)偏大;随着恒荷载水平的增大,时变断裂临界裂缝口张开位移CMOD(tc)减小且接近单调加载静态断裂的临界裂缝口张开位移。对于不同恒荷载水平的试件,其时变断裂寿命tcr随着长期恒荷载水平的增大而减小,且时变断裂寿命与荷载比P/Pmax成指数关系。     

混凝土非标准楔入劈拉试件断裂参数的确定

目前混凝土非标准楔入劈拉试件还没有一个合适的确定裂缝尖端断裂参数公式,通常的方法是借用紧凑拉伸试件的应力强度因子公式,不便于应用。文中利用有限元程序,对在不同高度以及不同初始缝高比条件下非标准楔入劈拉试件进行了模拟。得到了裂缝尖端的应力强度因子公式以及裂缝张口位移曲线。分析结果及举例表明,非标准楔入劈拉实验断裂参数确定模型是可靠的。断裂韧度不随试件尺寸变化,是材料常数;裂缝扩展量不受初始裂缝长度影响,而随着试件高度的增加而增长。     

基于局部滑移理论的钢筋混凝土轴拉构件刚度分析

基于钢筋与混凝土黏结的局部滑移理论,将开裂后混凝土轴心受拉构件分为无滑移未开裂段和局部滑移段,以一个裂缝间距范围内这两段的平均刚度作为整个构件的刚度,推导出轴心受拉构件刚度的计算公式。该公式刚度计算值与试验值差距较大,但该公式计算的平均裂缝宽度与我国现行规范中的计算值吻合较好。给出了一个范例试件局部滑移长度和轴拉刚度随轴力增加的变化曲线。结果表明:局部滑移长度随轴力的增加近似线性延长;轴拉刚度在试件刚开裂时迅速退化,开裂后退化速度减缓。     

试件初始缝长对混凝土双K断裂参数的影响

本文采用尺寸为400mm×400mm×200mm，初始缝高比分别为0.2、0.4、0.5、0.6的楔入劈拉试件，应用线性渐近叠加原理，利用试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODc计算了混凝土裂缝的亚临界扩展量Δαc，在此基础上利用虚拟裂缝模型并结合线弹性断裂理论，采用不同的闭合力方程计算了混凝土起裂断裂韧度KiniIc、失稳断裂韧度KunIc及临界裂缝尖端张开位移CTODc.结果表明，采用不同闭合力方程所计算的混凝土KiniIc值有所差异，但当试件缝高比大于或等于0.4时KiniIc及CTODc均与试件初始缝高比无关，而KunIc值则与初始缝高比无关，这表明双K断裂参数及CTODc可以作为描述混凝土裂缝起裂、稳定扩展及失稳破坏全过程的材料常数。     

基于能量理论的混凝土梁裂缝口张开位移分析

混凝土结构在未使用之前往往已经存在裂缝,在外荷载作用下,混凝土内部微裂缝会不断产生、扩展,成为混凝土破坏的根源,因此有必要计算混凝土已有裂缝口的张开位移。应用基于能量理论的裂缝扩展准则和虚拟裂缝模型,通过编程来模拟混凝土梁混合裂缝的扩展,对于混凝土梁裂缝口张开位移的计算是有效的;切口深度增大时,裂缝口张开位移增大;弹性模量增大时,裂缝口张开位移减小,混凝土的抗裂性能得到加强。     

带裂缝混凝土轴拉力学性能及Kaiser效应试验研究

为了解带裂缝混凝土在轴拉荷载作用下的力学特性和在变幅循环荷载作用下声发射Kaiser效应,设计了3种带不同初始缝长的混凝土轴向拉伸试验,详细分析了初始缝长对混凝土轴拉强度、断裂韧度、弹性模量等力学参数和声发射Kaiser效应的影响。结果表明:随着初始缝长的增加,混凝土弹性模量保持不变,断裂韧度逐渐增加,轴拉强度与初始缝长呈线性递减关系;在变幅循环荷载作用下,混凝土表现出明显的Kaiser效应,随着荷载水平的提高,Kaiser效应逐渐减弱;当缝高比小于0.4时,Kaiser效应随初始缝长的增大逐渐增强;Kaiser效应本质上是由混凝土内部损伤程度决定的。此外,混凝土轴拉强度的大小会影响其在低荷载水平作用时声发射信号的强弱,据此可判断混凝土试件强度的高低。     

截面高度对钢筋混凝土梁裂缝分布影响的试验研究

为建立混凝土结构裂缝验算的统一公式,通过试验研究了截面高度对钢筋混凝土简支梁裂缝分布形态、裂缝间距和裂缝宽度的影响规律。根据裂缝的产生机理、延伸发展特征和宽度变化规律提出了分型统计的原则,进行各类型裂缝数量、平均裂缝间距、平均裂缝宽度及最大裂缝宽度分布规律的分型统计分析。明确了结构设计中裂缝宽度验算对应的裂缝形态特征的物理意义,即该裂缝为在后续各级荷载作用下,因开裂截面钢筋拉应力和混凝土受拉区高度的持续增大而得以持续延伸到中和轴附近的主裂缝。提出了以纵向受拉钢筋直径为变量的有效受拉截面高度的计算方法,提出了考虑截面高度与有效配筋指数耦合影响的平均裂缝间距计算模式。     

基于声发射循环加卸载时侧压混凝土损伤特性研究

在水平单向侧压应力作用下,进行了竖向等应变步长循环加卸载的混凝土抗压性能试验。对不同侧应力状态下的外包络线、共同点轨迹线和循环加卸载全曲线进行了分析,研究了侧应力对累积残余塑性应变和刚度退化的影响,探索了混凝土在加载全过程中的能量释放特性,基于声发射事件数构建的损伤变量分析了混凝土的损伤规律。研究结果表明:①在整个循环加卸载试验过程中,声发射事件数主要集中在峰值应力以前,峰值应力以后出现较少,峰值应力后的声发射能量随侧向压应力的增大而增大;②混凝土刚度退化速度及累积残余塑性应变随侧压应力的增加而减小;③不同侧向压应力下混凝土损伤发展路径各异,侧压应力越高,损伤路径越短,水平与竖向荷载间的大小比例,决定了混凝土损伤的主导因素与损伤机制。     

不同冻融方式下混凝土双K断裂韧度对比试验

为了研究不同冻融方式对混凝土双K断裂韧度带来的不同影响,设计了5组共计15个试件,分别经历干燥、水浸泡、水冻融、盐浸泡、盐冻融作用20 d后进行三点弯曲梁试验。测定了试件断裂过程中的荷载、张口位移、裂缝尖端应变等参数的特征值和全过程曲线,基于双K断裂理论分别计算了各组环境下混凝土的有效裂缝长度、起裂荷载、失稳荷载等断裂参数。结果表明:不同冻融方式对混凝土造成的影响具有一定的相似性,水冻融与盐冻融均会对混凝土的弹性模量造成损失,使其断裂力学性能下降,但会提高混凝土韧性。在损伤程度和损伤后混凝土受力表现上不同冻融方式有显著区别。水冻融后混凝土受荷时更易开裂,但水冻融环境对混凝土抵抗裂缝发展能力的影响不明显。盐冻融后混凝土抵抗裂缝发生以及发展的能力同时降低,但混凝土受力时裂缝的发生会相对推迟。     

基于单轴约束试验的早龄期混凝土开裂行为评价

早龄期阶段,大体积混凝土由于自身变形受到相邻构件或地基的约束产生温度应力,一旦拉应力超过混凝土自身强度,混凝土便会开裂。鉴于传统的约束圆环法和平板法无法考察温度历程对大体积混凝土温度开裂行为的影响,基于研制的新型开裂全过程仿真试验机在实验室内实现了对混凝土日降温0.3 ℃的速率控制,重现了大体积混凝土浇筑后的真实温度历程,测量了不同龄期（3、7和14 d）快速温降条件（0.5 ℃/h）下混凝土的温度应力,并基于开裂温差分析了龄期和水泥类型对早龄期混凝土抵抗快速温变性能的影响。试验结果表明,混凝土抵抗快速温变的能力与龄期（强度）正相关,松弛能力随加载龄期的推迟逐渐减弱;低热水泥混凝土较中热水泥混凝土应做好更严格的早龄期阶段表面保温措施。     

基于声发射的自然与饱水状态混凝土动态劈拉特性对比

为研究自然状态与饱水状态混凝土的动态劈拉特性,进行了不同应变速率(10^-5/s ,10^-4/s ,10^-3/s ,10^-2/s)下的径向劈拉试验,对混凝土劈拉强度进行了深入分析,并利用实时采集的声发射数据分析自然状态与饱水状态混凝土在劈拉破坏全过程中的能量释放特性及破坏规律。结果表明:自然状态和饱水状态混凝土的劈拉强度随加载速率的增加而增大。在低应变速率(10^-5/s,10^-4/s和10^-3/s)时,由于自由水的楔入作用,饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土的劈拉强度小;在应变速率为10^-2/s时,由于Stefan 效应,饱水状态混凝土的劈拉强度比自然状态混凝土大;饱水状态混凝土的动态增强因子比自然状态混凝土的大,饱水状态混凝土率敏感性更显著;声发射信号特征与混凝土的破坏特性相一致,实时采集的声发射信号可对混凝土的劈拉破坏过程进行较准确的监测。     

高压水工隧洞BFRP网格增强钢筋混凝土衬砌试验研究

为探究玄武岩纤维增强树脂复合材料网格(简称BFRP网格)对高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构裂缝控制能力及承载能力的增强作用,进行了高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构模型对比试验,试验采用真实高压水加载。通过对隧洞模型内壁环向变形监测,以及通过声发射系统对模型在加载全过程中的声发射信息监测,对比分析了BFRP网格对裂缝产生及扩展的影响。研究结果显示,与常规混凝土衬砌结构模型相比较,BFRP网格增强钢筋混凝土衬砌结构模型的极限承载力提高21%、宏观裂缝最大开度减少了68%、宏观裂缝空间分布更为分散;开裂前内壁环向拉应变增大了81%,开裂时的声发射绝对能量占加载过程中声发射总累积绝对能量的33.78%(前者为99.38%),主要破坏模式表现为韧性破坏。可见,BFRP网格可显著提高高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构的裂缝控制能力和承载能力。     

圆形截面钢筋混凝土构件裂缝宽度试验研究

对大偏心受压、受弯、大偏心受拉、小偏心受拉和轴心受拉圆形截面钢筋混凝土试件进行了试验，测定了不同荷载下的钢筋应变、裂缝宽度、裂缝宽度-荷载曲线和钢筋应力-荷载曲线，研究了各种试件的裂缝发展规律．结果表明，各种试件的裂缝发展规律基本一致，即荷载很小时不出现裂缝；从混凝土出现第一条裂缝到钢筋屈服，裂缝宽度随荷载基本呈线性增长；钢筋屈服后，裂缝随荷载增大而迅速增长．最后对裂缝宽度进行了统计分析，给出裂缝宽度的概率分布．     

基于能量法的混凝土循环加卸载动态损伤特性

为了从能量法的角度研究混凝土循环加卸载下的损伤演化特性,利用大型动静力三轴仪对边长为150 mm的立方体混凝土试件,进行不同侧应力、不同应变速率的循环加卸载试验。用改进的Najar能量法,确定了一种新的损伤变量计算方法,对比分析了改进后的混凝土损伤演化曲线与试验所得混凝土应力-应变包络曲线,将修正后的Weibull-Lognormal损伤本构模型对试验数据进行拟合分析。结果表明:新的损伤变量计算方法简单,物理意义明确;改进后的混凝土循环加卸载损伤演化曲线可以分为三个阶段,损伤不变阶段、损伤加速发展阶段、损伤稳定发展阶段;选用的塑性变形公式与试验结果拟合较好;经过修正后的混凝土损伤本构模型能较好地模拟混凝土循环加卸载条件下的应力-应变包络曲线。     

早期养护方式对高性能混凝土塑性开裂的影响

高性能混凝土比普通混凝土更容易发生塑性收缩开裂,适宜的早期养护措施是防止或减免高 性能混凝土塑性开裂的重要途径。通过早期抗裂试验研究了几种养护方式以及养护起始时间对高性能 混凝土塑性开裂的影响。结果表明:在干燥、高温、大风环境中,高性能混凝土浇筑后如果不及时进行养 护,混凝土表面很容易产生较大面积的塑性开裂;养护起始时间对混凝土是否发生塑性开裂以及开裂程 度的影响很大,混凝土浇筑成型抹面后应在１ｈ内对混凝土表面进行覆盖养护,才能有效防止或避免塑 性裂缝的产生;覆盖塑膜养护与涂刷养护剂养护的防裂效果相近;在混凝土终凝时覆盖湿毯及时补水, 能够有效抑制裂缝的产生和发展。