细观结构不均匀性对混凝土动弯拉强度的影响

本文在随机骨料模型的基础上，提出了既能反映混凝土骨料分布随机性又能反映混凝土细观各相材料力学特性随机性的随机骨料随机参数模型。利用该模型并考虑材料的细观力学的应变率效应，对湿筛混凝土和全级配混凝土梁进行了三分点冲击弯拉断裂数值模拟，分析了混凝土材料参数的离散性、混凝土级配以及初始静预载水平对其动弯拉强度的影响。研究表明：(1)随混凝土材料的弹性模量和抗拉强度的离散性增大，静弯拉强度和动弯拉强度降低，但动弯拉强度增强系数得到提高；(2)一定条件下全级配的混凝土梁的动弯拉强度增强系数高于湿筛混凝土梁的动弯拉强度增强系数；(3)为了更准确地确定动弯拉强度增强系数，应该考虑混凝土级配和初始预静载水平所产生的应变率效应对其的影响。     

预静载作用下混凝土梁的动弯拉强度

动弯拉强度是高拱坝抗震设计中的控制性指标之一。有关试验发现一定预静载水平对混凝土动弯拉强度有强化作用，因此，对这一试验现象的探究具有工程应用价值。本文基于混凝土细观力学方法，对湿筛和全级配混凝土梁进行三分点冲击弯拉数值模拟，试图在不同随机骨料模型和不同静预载作用下寻求混凝土梁动弯拉强度的变化规律。计算结果显示，不同细观骨料模型具有相似的规律，即随预静载增大，混凝土动弯拉强度上升，至一定峰值后回归到静载强度。取跨中不同细观区域宽度和具有不同变异性的细观界面单元材料参数，对梁进行三分点弯拉数值模拟发现，动弯拉强度受混凝土细观结构不均匀性的影响，不均匀性越强动载增强系数越大。     

基于细观力学全级配混凝土梁弯拉试验的数值模拟

在细观层次上将全级配混凝土梁的跨中区域看作是由硬化水泥砂浆,粗骨料及两者间的粘结带构成的三相复合材料,采用位移控制的加载有限元程序对全级配混凝土梁的弯拉实验进行了数值模拟。数值试验结果表明:(1)对于同样尺寸的试件来说,三级配和四级配梁计算所得的极限荷载和抗弯强度基本接近。(2)对于同样级配的试件来说,截面尺寸大的梁计算所得的极限荷载远高于较小尺寸的极限荷载。(3)其它参数一定的情况下,粘结带抗拉强度每提高12.5%,全级配混凝土梁的极限荷载和抗弯强度提高约10%。     

全级配混凝土在破坏时的应力和变形关系

为了探讨全级配大骨料混凝土的多轴受力状态，本文采用试验的方法比较了全级配混凝土和湿筛混凝土在双轴拉压受力情况下在破坏时的强度和变形特性。通过对试验结果的分析看出，不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何，其破坏时的极限应力包络线都是相似的，并都可近似用一直线来代替，文中给出了这些极限应力的回归表达式。全级配混凝土与湿筛混凝土在破坏时混凝土的主拉应变与其平均应力具有较高的相关性，而混凝土的主压应变则与在受压方向上的最大压应力值同混凝土的单轴受压强度的比值具有较高的相关性。全级配混凝土与湿筛混凝土在破坏时的应力应变关系曲线具有相似的外形，其本构关系曲线可用统一的模式来描述。最后，用三组图形比较了试验测量结果和给定的本构关系方程的吻合性。     

混凝土三维细观力学模型分析

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接影响,选择合适的骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟的前提,在三维随机凸多面体骨料模型的基础上选择合适的试件模型并进行有限元剖分,利用并行计算技术分别对湿筛混凝土试件三维球形骨料和凸多面体骨料细观模型进行了静载弯拉破坏数值模拟对比计算.计算结果表明,三维凸多面体骨料生成算法是可行的,能够满足混凝土三维细观力学模拟的需要.     

掺磷渣粉全级配混凝土性能试验研究

 试验研究掺磷渣粉全级配混凝土的力学、变形及抗渗性能,并与湿筛混凝土进行对比,期望为理论研究和工程实践提供参考。结论表明：全级配与湿筛混凝土试件抗压强度差别不大,全级配混凝土的轴拉强度约为湿筛试件的60％～73％;全级配混凝土的轴拉强度小于劈拉强度。全级配混凝土的抗压弹模比湿筛小试件高,大骨料的存在对泊松比影响不大,受影响最大的是极限拉伸性能。全级配及湿筛混凝土试件的28 d抗渗等级都达到W10,但前者更能真实地反映大体积混凝土的抗渗性。     

锦屏一级拱坝混凝土全级配与湿筛试验分析

水工大坝混凝土力学特性试验迄今仍采用湿筛成型小尺寸试件进行,而湿筛试验过程中往往剔除大于40 mm大骨料,造成试验结果无法真实反映实际大坝混凝土的性能指标。结合锦屏一级高拱坝混凝土强度测试要求,开展其单轴抗压、单轴抗拉、极限拉伸及弹性模量等指标的全级配试验,并与湿筛试验进行对比。结果表明:在尺寸效应和骨料湿筛效应的影响下,大骨料混凝土全级配试件28 d以上龄期的强度和变形均比湿筛小骨料试件相应龄期的强度和变形小。     

全级配混凝土在不连续点处的应力和变形关系

为了探讨全级配大骨料混凝土在双轴受力状态下的特性，并建立大、小试件强度的关系和破坏准则，本文采用试验的方法比较了全级配混凝土和小尺寸湿筛混凝土在双轴拉压受力情况下在不连续点处的强度和变形特性。全级配混凝土的最大骨料尺寸为150mm，试件最小横向尺寸为450mm；湿筛混凝土的最大骨料尺寸为40mm，试件最小横向尺寸为150mm。文中描述了试件设计、材料配比、加载设备、减摩措施、加载方法和加载速度。通过对试验结果的分析看出，不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何，其不连续点处的两轴应力包络线都是相似的，并都可近似于一直线。混凝土在不连续点处的拉应变值与其平均应力具有较高的相关性。     

一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响。适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程，分析了骨料分布和形态的随机特性，按照骨料切面几何图形面积等效的原则，将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系，编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。     

全级配混凝土强度的尺寸效应研究

对溪洛渡与三峡工程全级配及其湿筛混凝土基本力学性能的试验成果,统计计算了相应工程混凝土强度的尺寸效应系数,并从高频振捣对混凝土含气量影响、全级配与其湿筛混凝土中粗骨料一砂浆界面的差异、受压面是否减磨对抗压强度值影响等方面,分析探讨了两工程全级配及其湿筛混凝土抗压强度比值关系问题,合理解释了在较早龄期全级配大试件抗压强度高于湿筛标准试件、并随龄期的增长此比值逐渐减小至小于1的趋势这一规律.     

基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。     

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。     

二滩拱坝原级配混凝土徐变试验研究

对二滩水电站大坝不同岩性的全级配混凝土徐变进行了试验研究,并与湿筛混凝土徐变进行比较.试验结果表明,原级配混凝土大试件的徐变较湿筛混凝土小试件的徐变低30%左右;原级配和湿筛二级配混凝土的徐变比与相应的灰浆率比成正比;正长岩骨料的混凝土徐变大于玄武岩骨料的混凝土徐变.并提出由小试件徐变折算原级配大体积混凝土徐变的方法     

再生混凝土疲劳损伤机理的数值模拟

基于再生混凝土内部细观结构的数字图像,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型。首先,对弯折疲劳破坏后的再生混凝士弯折疲劳试件进行机械切割并对切割后的表面使用数码相机拍摄,获得截面数字图像。然后,对所获得的数字图像进行处理并对骨料和砂浆部分进行边缘检测,获得骨料和砂浆的边缘坐标,将其导入有限元分析软件,获得实体模型。最后,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型,研究了再生混凝土在疲劳荷载作用下的损伤分布和应力分布的变化规律。     

混凝土破裂过程三维数值模拟及CT验证

将混凝土简化成由骨料、水泥砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料，建立了混凝土骨料随机分布三维模型，用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分，基于弹性损伤本构关系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，用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算，并从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果，发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性，说明用本文建立的三维数值模型模拟混凝土材料的损伤破坏过程是基本可行的。     

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。     

全级配混凝土单轴疲劳特性细观数值模拟

为研究全级配混凝土在等幅、变幅及阶梯重复荷载作用下的疲劳特性,揭示材料特性与疲劳应力水平对其疲劳寿命的影响规律,通过自编程序建立二维随机骨料模型,运用有限元软件和耐久性疲劳分析软件进行联合仿真,对全级配混凝土细观结构进行应力分析和疲劳分析,探讨了不同骨料分布、骨料形状及疲劳应力水平对混凝土疲劳性能的影响,并估算了疲劳寿命。结果表明:在阶梯重复荷载作用下,骨料形状和分布对混凝土疲劳寿命影响较小,而疲劳应力水平对疲劳寿命影响较大;圆形和椭圆形骨料混凝土疲劳寿命较高,多边形骨料寿命较低;在疲劳加载破坏过程中,骨料界面先起裂,然后裂纹逐渐扩展贯通,最后导致整个试件完全破坏,可见骨料界面是混凝土中的薄弱部位,其寿命直接影响整个混凝土试件的寿命。研究成果为后续混凝土疲劳性能研究提供了参考。     

随机骨料模型形态对大坝混凝土弯拉强度的影响

建立反映混凝土实际骨料级配、含量及其形态的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础.球形骨料模型和基于瓦拉文公式生成的圆形骨料模型基本上能够接近卵石、砾石等球状或浑圆状的骨料,但与一般碎石骨料的形态差异较大.本文分别采用随机圆形骨料、球骨料与多边形、多面体骨料模型,通过对全级配大坝混凝土试件弯拉破坏过程的细观数值模拟,对比分析了不同骨料模型形态对计算结果的影响,探讨了用球形骨料或圆形骨料简化实际碎石骨料的有效性.     

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。     

Meso-scale modeling of chloride diffusion in concrete with consideration of effects of time and temperature

A meso-scale truss network model was developed to predict chloride diffusion in concrete.The model regards concrete as a three-phase composite of mortar matrix,coarse aggregates,and the interfacial transition zone (ITZ) between the mortar matrix and the aggregates.The diffusion coefficient of chloride in the mortar and the ITZ can be analytically determined with only the water-to-cement ratio and volume fraction of fine aggregates.Fick's second law of diffusion was used as the governing equation for chloride diffusion in a homogenous medium (e.g.,mortar);it was discretized and applied to the truss network model.The solution procedure of the truss network model based on the diffusion law and the meso-scale composite structure of concrete is outlined.Additionally,the dependence of the diffusion coefficient of chloride in the mortar and the ITZ on exposure duration and temperature is taken into account to illustrate their effect on chloride diffusion coefficient.The numerical results show that the exposure duration and environmental temperature play important roles in the diffusion rate of chloride ions in concrete.It is also concluded that the meso-scale truss network model can be applied to chloride transport analysis of damaged (or cracked) concrete.