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。     

基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点，而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程，本文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，提出一种基于裂纹分形维的损伤变量计算方法，对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究，利用分形维对混凝土开裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明：细观模拟的裂纹形态与试验结果相符；裂纹分形维能够更好地反映混凝土材料损伤的变化过程，可以定量描述材料损伤演化的特性；发现了混凝土从“均匀”损伤至局部破坏的临界点；细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小；随着混凝土试件骨料级配数的增加，骨料颗粒和界面减少，整体耗能降低，应力峰值和裂纹分形维均减小。此外，本文建议应力峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从“均匀”损伤进入局部破坏的临界点，是损伤和断裂的分界点，相应的损伤值约为0.8，该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机理的认识。     

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。     

再生砖粗骨料混凝土梁正截面承载力试验与分析

通过对具有相同强度等级的5根不同再生砖粗骨料替代率的再生砖粗骨料混凝土梁进行静力加载试验,分析其正截面受弯破坏过程,研究正截面承载力状况及再生砖粗骨料取代率对其承载力的影响。结果表明,再生砖粗骨料混凝土梁受力性能良好,与普通混凝土梁的受弯破坏过程相同。通过理论分析计算,提出了再生砖粗骨料混凝土梁正截面承载力计算公式。     

再生砖粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究

为研究再生砖粗骨料混凝土梁正截面受力特点和破坏特征,以及再生砖粗骨料取代率对再生砖粗骨料混凝土梁正截面抗弯性能的影响,对具有相同强度等级的5根不同再生粗骨料替代率的混凝土梁进行了静力加载试验,观察分析了每根梁的受弯破坏过程及裂缝发展状况.试验结果表明:再生砖粗骨料混凝土梁与普通混凝土梁的受弯破坏过程基本相同,且随着再生砖粗骨料取代率的增加,再生砖粗骨料混凝土梁的受力性能更加稳定,承载力也较高.说明再生砖粗骨料混凝土梁可应用于工程实践.     

基于分形理论的人工骨料比表面积计算方法——以白鹤滩水电站为例

分形理论目前已经越来越广泛地应用于岩石力学问题中。骨料比表面积常可通过图像处理技术计算得到,但操作步骤繁琐,存在一定误差,且无法将骨料比表面积和骨料级配联系起来。基于分形理论,对骨料的粒径分布、级配、体积、表面积进行相关分析,推导出了一种骨料比表面积计算方法。结合白鹤滩水电站旱谷地料场人工骨料,计算了不同级配粒径成品料的比表面积。结果表明：80~150,40～80,20～40,5～20 mm级配成品料比表面积分别为22.57,30.75,60.44,15006,计算值与实测值较为吻合;骨料粒径对骨料分形维数和比表面积都有较大的影响,级配骨料越细,其比表面积越大,两者呈幂函数相关;计算结果与软件处理结果误差为10%左右,说明利用分形理论可准确计算人工骨料的比表面积。     

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。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面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了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

不同岩性骨料水工混凝土的抗冻性能试验研究

冻融破坏是水工混凝土的重要破坏形式,具有影响因素的多元性和影响机理的复杂性。以混凝土骨料为切入点,利用试验研究的方法对不同岩性骨料混凝土的抗冻性能进行试验研究。结论显示,花岗岩和灰岩骨料混凝土的抗冻融性能最佳,同时也验证了混凝土试件气泡间距系数判断其抗冻性的可靠性。     

寒冷地区混凝土发生碱骨料破坏的可能性分析

文中以实际工程为例，通过不同试验方法验证工程使用的骨料为碱活性骨料，分析工程发生混凝土碱骨料破坏的必要条件及通过混凝土碱含量计算，对混凝土发生碱骨料破坏的可能性进行分析论证。     

聚合物改性水泥混凝土集料分形特征研究

利用分形几何学原理对集料分形特征进行分析,研究了分数维与聚合物改性水泥混凝土(PMCC)集料级配、振实空隙率、强度及刚度性能的相关联系。研究结果表明,分数维与集料级配、空隙率具有较好的线性关系;分数维与PMCC强度、刚度性能的内在联系并不明显,但当分数维D为2.394时,PMCC的抗折强度与折压比均出现最大值,D≥2.394时,其弹性模量减小幅度显著增加。利用集料分数维实现对集料级配及PMCC性能的定量描述,可为PMCC的组成设计与性能研究提供一种新方法。     

混凝土的断裂能随断裂路径的变化规律

本文指出了混凝土的断裂能与抗压强度之间不存在直接的关系，采用分数维理论定理研究了混凝土的断裂面和断裂能与断裂面特征之间的关系。试验结果表明：(1)断裂面分数维随最大集料尺寸的增加而增加，较高水胶比的混凝土分数维增加速度较快；(2)在同样水胶比下，断裂能随分数维增加，较低水胶比混凝土的断裂能随分数维增加的速率较较高水胶比的混凝土快；(3)采用延性指数描述了混凝土的脆性，对所有试件延性指数与分数维之间都存在较好的线性增加关系。     

给水管网的分形特征研究

在研究给水管网分形维数的基础上,结合我国不同地区的给水管网分析了给水管网的分形规律.从功能、结构和自相似性三方面,同自然界中广泛存在的具有分形特征的物质流输送系统进行比较,阐述了给水管网的分形特征.并基于盒计数法提出了给水管网分形维数的计算方法,计算了实例管网的分形维数.计算结果表明给水管网是分形体,具有分形特征.同时,分析了影响给水管网分形维数的因素并构建了给水管网分形维数的计算方程.     

混凝土断裂能尺寸效应的细观方法

本文提出了混凝土断裂能尺寸效应的细观方法。首先，根据混凝土细观结构的边界效应确定主宏观裂缝的分形维数，发现此分形维数随着离边界距离的不同而变化。为了计算这一变分形维数主宏观裂缝的长度，通过延伸分形曲线长度的定义，提出了分形长度与欧几里得长度的微分关系。其次，应用能量等价原理，将混凝土名义断裂能表示成分形断裂能、分形维数、细观结构参数和混凝土试件尺寸的函数。进一步的理论分析表明该名义断裂能的基本力学特征与混凝土宏观实验现象一致。最后，本文的理论预测与一些混凝土实验结果进行了比较，证实了该方法的有效性。     

岩石节理形貌的分形维数与摩擦角的关系研究探讨

在土木工程设计和施工中岩石节理的摩擦角是一个相当重要的参数，该值的获取既费时又费力。本文首先简述了节理形貌的描述方法和分形几何理论，然后将分形理论引入到岩石节理摩擦角的研究中，得出了用分形维数表示摩擦角的经验关系式。     

基于分形理论的混凝土动力拉伸过程定量研究

为了从细观层面上定量研究混凝土动荷载作用下的破坏过程,以正弦波动力荷载作用下的混凝土 CT 试验为基础,编制了基于差分盒维数理论的分形维数计算程序,分别研究了混凝土试样三个断面大统计区域和感兴趣区域上的分形维数随加载过程的变化过程,通过分析混凝土试样在加载过程中分维数的变化规律,探讨了分维数变化与损伤裂纹演化过程的关系。结果表明: 正弦波动力拉伸荷载作用时混凝土试样中一般有多条裂纹同时萌生,但当主裂纹形成后,次生裂纹会闭合,主裂纹会抑制次裂纹的发展,且裂纹大致与拉荷载方向垂直,破坏形式属于脆性断裂,损伤裂纹表面平整,裂纹沿材料强度较弱的区域发展; 混凝土试样各断面分形特征明显,分形维数能较好地描述混凝土损伤裂纹的演化规律,可作为研究混凝土裂纹演化的定量参数; 感兴趣区域分维数的变化更明显,更有利于描述混凝土受力破坏时内部的应力集中、应变局部化和损伤裂纹的演化规律。     

再生混凝土弹性模量变化规律试验研究

结合不同工程领域对混凝土结构弹性模量高低的要求有所不同的实际情况,针对C20、C30、C40等中低强度等级再生混凝土,进行了不同再生粗骨料取代率情况下的弹性模量变化规律试验研究.试验结果分析表明:再生混凝土中骨料、水泥浆基体、过渡区等因素对混凝土结构的影响与普通基准混凝土存在差异,导致在同强度等级的再生混凝土中,其弹性模量随着再生粗骨料取代率的增加而呈明显下降的趋势.试验所建立的再生混凝土的弹性模量ER与基准混凝土弹性模量E0、再生粗骨料取代率R之间的相关关系式ER=E0(1+0.127 8R-1.802 3R2+2.458 5R3-1.05R4),可以在实际工程中结合对再生混凝土弹性模量的不同要求,为再生粗骨料的合理取代率做出估计.     

混合再生骨料混凝土配制技术试验研究

以废弃砖骨料和废弃混凝土骨料混合使用替代天然骨料制备混凝土,即为混合再生骨料混凝土.试验研究再生砖骨料和再生混凝土骨料不同替代率条件下水灰比、砂率、用水量等因素对混合再生骨料混凝土立方体抗压强度的影响,总结得出混合再生骨料混凝土的最佳配合比和最佳成分比.