静力荷载作用下混凝土抗碳化性能及微观结构演化

通过静力弯曲荷载作用下的混凝土的快速碳化试验,研究了混凝土碳化深度和p H值的时变特征。通过微观测试方法X射线衍射仪(XRD)和压汞仪(MIP),表征了混凝土在静力弯曲荷载和碳化耦合作用下的固相组成和孔结构变化规律,利用孔表面积分形维数定量表征混凝土孔结构的微观特征。研究结果表明:拉、压应力分别增大和减少了混凝土的碳化深度,且应力越大,碳化深度的改变越大;碳化反应后,氢氧化钙的量明显减少,碳酸钙的量明显增加,其中以方解石形式的增加量最为显著;与未加载混凝土相比,碳化反应前后加载混凝土试件孔隙率均变大,孔表面积分形维数减小,二氧化碳气体的传输系数增加。     

水泥砂浆孔结构分形特征的研究

利用压汞仪测定了不同水灰比及龄期水泥砂浆的孔结构,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了水泥砂浆的孔表面积分形维数,并探讨了孔表面积分形维数与微观孔隙率、孔表面积、平均孔径、中值孔径等其他孔结构参数及砂浆强度之间的关系.结果表明:基于热力学关系的分形模型能够很好地表征水泥砂浆孔隙的复杂程度;孔表面积分形维数与微观孔隙率的相关性较差,而与孔表面积、平均孔径、中值孔径以及强度之间有较好的相关关系;随着孔表面积分形维数的增大,平均孔径和中值孔径减小,孔表面积增加,水泥砂浆的抗折强度及抗压强度增加.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数可作为水泥砂浆孔结构特征的综合评价指标,并且分形维数与其宏观力学性能相关性良好.     

碳化对混凝土孔结构的影响

通过对混凝土快速碳化试验和微观孔结构测试,研究了碳化龄期对碳化深度和碳化区试样密度的影响,分析了碳化区孔隙率和孔径大小随碳化龄期的变化规律,采用灰熵法探讨了4种孔隙对碳化区密度的影响程度,并基于热力学分型模型计算得到各个碳化龄期下碳化区孔结构分形维数.结果表明:混凝土碳化深度随碳化龄期的增加而增加,密度随碳化龄期先增加后减小,7 d时密度最大;碳化填充了多害孔和有害孔,提高了无害孔比例,并使多害孔更好的分散,连通和集聚了少害孔;对碳化区密度影响最大的是有害孔表面积,其分形维数随碳化龄期的增加出现了先降低后增加的趋势;碳化区密度与有害孔分形维数相关性良好,碳化区密度随有害孔分形维数的增加而减小.     

高流动混凝土孔分形特征及其与抗冻性的关系

采用压汞法测定了不同矿物掺合料高流动混凝土的孔结构参数,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了高流动混凝土的孔结构表面积分形维数,探讨了含不同矿物掺合料高流动混凝土分形维数与小于100 nm孔隙比例、中值孔径、平均孔径及抗冻性的关系.结果表明:孔表面积分形维数随养护龄期和掺合料的种类和掺量的不同而不同;分形维数越大,孔径小于100 nm孔隙比例越大,中值孔径与平均孔径越小,高流动混凝土抗冻性能越好.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数能够很好地表征混凝土孔结构的分布状况与抗冻性能.     

大尺寸试件岩爆试验碎屑分形特征分析

 通过自主研发的岩爆模拟试验装置对大尺寸试件进行岩爆试验,研究不同加卸载路径下产生岩爆碎屑的质量和形状分布特征,探讨试件发生岩爆的烈度与碎屑分形维数的关系。结果表明：(1) 大尺寸试件在不同加卸载条件下产生的碎屑形状分布不同,碎屑量不同;(2) 大尺寸试件岩爆的碎屑具有分形特征;(3) 试件在低围压环境卸载时,岩爆碎屑的分形维数值比其在高围压环境下卸载时的大,岩爆储存能量相对较少,岩爆烈度相对也小;(4) 在相同围压下卸载时,试件所受的竖向加载速率越大,试件产生的岩爆范围相对越小,试件岩爆时所受竖向荷载值相对越小,岩爆碎屑的大块率相对越少,分形维数值相对越大。     

基于分形理论的土体微观结构研究

土体的微观结构对土的工程性质具有重要的影响.基于分形理论适合于研究复杂不规则图形的特点,介绍了分形理论在土体微观结构研究中的作用,定义了研究土体微观结构的平面分形维数.利用光学显微镜对不同应力路径三轴试验的土样进行孔隙大小及分布的对比研究.利用MATLAB语言编写程序,对土体微观结构图片进行了平面分维计算,分析了不同应力路径试验后土体微观结构的分形特征.分析结果表明,土样的微观结构具有分形特征,其平面分维在1.5～2.0之间;土体越松散,平面分维的数值越大.     

硅灰水泥浆体中微孔表面分维及对浆体的影响

采用Ｘ射线小角散射技术对硅灰水泥石中微孔孔表面的分形结构进行了实验研究，并测定其分形维数，同时分析探讨了孔表面分维对孔比表面积、硬化水泥浆体强度等的影响．研究表明，水泥石中微孔孔壁是相当粗糙的，并且均具有分形结构的特点，表面分维与３较为接近；水泥浆体的抗弯、抗压强度以及孔内比表面积等均与微孔表面的分形维数存在一定的联系．     

高围压卸荷条件下大理岩破碎块度分形特征及其与能量相关性研究

 高应力条件下,岩石卸荷的力学响应特征及发生机制是高地应力地区岩体工程开挖稳定性评价及控制的关键问题。基于不同卸荷速率和初始围压条件下三轴高应力大理岩卸围压试验,结合分形理论和能量原理,研究高应力卸荷条件下岩石破裂块度分布规律及其与能量耗散和释放的相关性。高应力条件下三轴卸围压大理岩试样碎块分形性质具有较强的局部性,仅在小于某一特征尺度(分形特征尺寸阈值)范围内表现出较好的分形性质,其碎块分维数均大于2,分维数随卸荷速率增大而单调减小,但初始围压对分维数的影响与卸荷速率密切相关。相对常规三轴压缩岩样,高围压下卸荷岩样虽然峰值点附近耗散和储存应变相对少得多,但其峰值前、后应变能转化速率相对大得多,特别是峰后的弹性应变能释放速率和环向膨胀消耗应变能速率。高应力卸荷条件下卸荷速率越快、初始围压越高,峰前损伤和峰后破裂贯通历时越短,峰值点处耗散应变能和储存弹性应变能越大,峰前、峰后应变能转化速率越快,破碎岩样的分形特征尺寸阈值越大,分维数越小,张性破裂程度和性质越强。     

荷载作用下双掺混凝土碳化机理的试验与数值研究

围绕着含有两种矿物掺合料混凝土(粉煤灰和矿渣)在碳化和静力荷载耦合作用下的劣化过程和机理,揭示了掺合料对混凝土碳化深度、抗折强度的影响规律,同时分析了不同弯曲荷载应力对混凝土碳化深度的影响,并应用多物理场耦合有限元软件COMSOL Multiphysics进行求解。研究结果表明:对于单掺粉煤灰的试件,其抗碳化性能随着掺量的增加而降低;而对于单掺矿渣的试件,矿渣含量为10%时,其抗碳化性能最好,然而当矿渣含量达到40%时,其抗碳化能力大幅降低;对于双掺试件,在任一掺合料取代率达到40%时,抗碳化能力有着显著的降低;在一定应力范围内,弯曲拉应力能显著提高混凝土的碳化深度,而弯曲压应力改善了混凝土的抗碳化能力;COMSOL模拟显示碳化深度试验值和模拟值较为吻合。     

应力、碳化及酸雨作用下混凝土中性化试验研究

考虑酸雨、碳化和荷载等单一因素及多因素耦合作用下混凝土构件中性化的影响因子,对室内快速劣化试验进行设计与研究。通过模拟酸雨侵蚀和碳化作用对无应力、弯曲应力和轴心压应力混凝土试件进行相应试验,研究多因素作用下混凝土构件的中性化规律及耦合效应。试验结果表明,碳化和酸雨存在耦合现象,酸雨在某种程度上抑制碳化作用,酸雨和碳化耦合系数小于1,混凝土中性化各因素影响由低到高依次为dSdSTdTdTSd(T+S);无论酸雨、碳化等单一因素或多因素耦合作用,混凝土中性化深度值都与时间平方根呈正比关系;拉应力可促进混凝土中性化,而压应力抑制其中性化,应力与混凝土中性化深度值之间呈近似线性关系,并通过试验数据拟合出不同腐蚀模式下的应力影响因子。     

碳化水泥砂浆分形特征研究

利用压汞试验对不同碳化程度水泥砂浆孔结构的分形特征进行研究。结果表明:水泥砂浆具有多重分形的特征;碳化使水泥砂浆总孔隙率降低,孔径细化,凝胶孔的孔隙体积分形维数降低;而生成的碳酸钙在大孔、毛细孔中沉积,大孔、毛细孔的体积分形维数增大。因此,分形维数能表达碳化对混凝土材料孔结构的影响。     

基于数字图像处理的土石体粗料分形特性研究

考虑到土石混合体各要素之间的作用与重要性,选取粒度分维、粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维以及孔隙分布分维作为土石混合体分形特性研究结构参数指标,作为土石混合体结构定量化研究的依据。基于数字图像处理技术,分别对25%、30%、35%、50%及70%五组不同含石量的土石混合体试样进行了拍照、数字图形处理及分析计算,研究了土石混合体粗料分布分维及粗料轮廓分形特性以及粗料分布分维与含石量的关系。结果表明:土石混合体的粗料分布具有很好的分形特性,其分维值在1.0～2.0之间;粗料分布分维值与图像大小和图像划分的等分数有关,图形的处理效果受光线、拍照距离、灰度值的影响;对于级配良好的土石混合体,粗料的分布分维与含石量呈抛物线关系,含石量越大,粗料分布值越接近2.0;土石混合体粗料轮廓线具有分形特性,定量反应了粗料颗粒形状和起伏程度,其物理意义与通常所说的圆形度相对应。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙分维演化的影响

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对特定应力条件下岩石裂隙演化过程进行数值模拟,根据获得的不同应力状态下裂隙扩展的图片研究初始裂隙长度、裂隙数量对岩石裂隙分形维数的影响,根据岩石裂隙分维-应力曲线将岩石裂隙扩展演化过程分为五个阶段,分析不同阶段裂隙分形维数随岩石内部应力的演化特征,揭示初始裂隙几何要素对岩石裂隙分形维数的影响规律。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。     

Q420qD钢材应力腐蚀特征试验研究

为研究Q420qD钢材应力腐蚀特征,对应力水平为0.3倍屈服应力和无应力工况下共60个试件在相同腐蚀环境中进行通电加速腐蚀试验,建立了有应力和无应力腐蚀试件的腐蚀速率模型并进行对比。对部分腐蚀试件表面进行三维形貌扫描,研究了有应力和无应力试件的形貌发展规律、蚀坑深度分布规律以及蚀坑形态与径深比规律。利用差分盒维数计算腐蚀表面分形维数,对比了有应力和无应力试件分形维数随质量损失率和腐蚀时间的变化规律。结果表明:当试件应力为0.3倍屈服应力时,有应力和无应力试件腐蚀速率均表现为先快后慢,在目标腐蚀率小于18%时,有应力和无应力试件腐蚀速率近似为常数,且有应力试件的腐蚀速率近似为无应力试件的1.15倍; 有应力试件腐蚀形貌发展快于无应力试件,且最终腐蚀形态都以均匀腐蚀为主; 有应力和无应力试件表面分形维数变化规律相似,均在腐蚀初期迅速增大,之后出现减小—增大—减小的周期性上下波动现象; 有应力试件分形维数在腐蚀初期发展速率高于无应力试件,且有应力试件的分形维数普遍大于无应力试件; 蚀坑形态以球冠状为主,有应力和无应力试件单个蚀坑深度分布均能较好地服从正态分布规律; 蚀坑径深比变化范围稳定于2～6,平均值在4附近波动。     

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。     

不同养护条件下玄武岩纤维混凝土动态压缩力学特性及能量耗散研究

为探究冲击荷载作用下养护条件对玄武岩纤维混凝土力学性能的影响,采用分离式霍普金森压杆试验装置(SHPB)对不同养护龄期(1 d、3 d、7 d、14 d、28 d)及养护相对湿度(35%、55%、75%、95%)的玄武岩纤维混凝土开展动态单轴压缩试验,分析养护龄期及养护相对湿度对试件的平均应变率、峰值应力、能量耗散及分形维数的影响规律。结果表明：相同冲击荷载作用下试件平均应变率会随养护龄期的增长、相对湿度的增大而降低,峰值应力随之增大,养护龄期与平均应变率间呈指数负相关,与峰值应力间呈指数正相关;冲击荷载作用下试件能量时程曲线可分为三个阶段,其透射能、耗散能及破碎耗能密度均随养护龄期的增长、相对湿度的增大而增大,反射能随之降低,养护龄期的增长、相对湿度的增大会使试件水化产物增多,增强试件整体性;养护相对湿度为95%时,相较于养护龄期为1 d试件,养护龄期为3 d、7 d、14 d、28 d试件分形维数降幅分别为8.61%、13.91%、23.58%、26.68%,养护龄期减少、相对湿度降低会使试件破碎程度增加,分形维数随之增大。     

混凝土孔体积分形维数及其与氯离子渗透性和强度的关系

采用压汞法对含不同掺合料混凝土的孔分形结构进行了试验研究,测定了其孔体积分形维数,探讨了含不同掺合料混凝土的孔体积分形维数与氯离子渗透性能及强度的关系。结果表明:混凝土孔体积分形维数越大氯离子渗透系数越大;含不同掺合料混凝土的孔体积分形维数与氯离子渗透系数相关性由高到低依次为:粉煤灰矿渣石灰石水泥;含不同掺合料的混凝土的孔体积分形维数与强度相关性由高到低依次为:粉煤灰矿渣水泥石灰石。     

考虑弯拉荷载损伤的混凝土碳化性能试验研究

利用自行设计研制的长期弯曲持载装置,以不同应力水平下的弯拉荷载为基准,对不同粉煤灰掺量的钢筋混凝土试块进行受荷状态下的快速碳化试验,探讨粉煤灰掺量、弯拉荷载等因素对钢筋混凝土碳化性能的影响。研究结果表明:钢筋抑制了混凝土的碳化,且这种影响随碳化时间增大而减弱;粉煤灰掺量越大,混凝土碳化越严重,粉煤灰掺量和混凝土碳化深度符合线性关系;弯拉荷载越大,混凝土抗碳化能力越差,在荷载为40%～60%极限弯曲荷载时最明显,弯拉应力影响系数和弯拉荷载应力水平符合指数关系。     

弯曲应力损伤下钢筋混凝土抗碳化性能研究

通过自行设计研制的长期弯曲荷载持载装置,对4种不同粉煤灰掺量的钢筋混凝土构件进行弯曲应力损伤下的快速碳化试验。测量构件碳化深度,研究粉煤灰掺量、弯曲应力水平对其产生的影响,提出钢筋混凝土碳化损伤拉压影响系数,并分析拉应力下素混凝土和钢筋混凝土碳化损伤的差异。研究结果表明:粉煤灰掺量的增大会提高构件碳化深度;弯拉应力加剧了构件碳化损伤,弯压应力抑制了构件碳化损伤;拉应力作用下素混凝土和钢筋混凝土构件在碳化深度和碳化损伤趋势上均有所差异。     

基于分形理论的废弃纤维再生混凝土碳化深度模型

为改善再生混凝土由于骨料自身缺陷产生的性能不稳定,通过掺入废弃聚丙烯纤维的方式探讨其对再生混凝土碳化深度的影响,同时将分形理论引入到废弃纤维再生混凝土孔隙结构的评价体系中,为定性或定量评定废弃纤维再生混凝土孔结构的复杂性及孔结构与宏观性能的关系开辟新的思路。通过快速碳化试验,以再生骨料掺入量、废弃纤维掺入量、水灰比等为影响因素,结合分形理论对废弃纤维再生混凝土的碳化深度进行研究。结果表明:水灰比、再生骨料掺入量的减小及纤维掺入量的增大均会减小碳化深度;废弃纤维再生混凝土孔隙体积分形维数越小,碳化深度越大。利用孔隙体积分形维数与碳化深度的关系,建立了废弃纤维再生混凝土碳化深度预测模型,模型预测结果与试验值吻合良好。