基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

基于CT图像的混凝土单轴压缩裂隙与应变场分析

利用X射线计算机层析术(CT)对混凝土试件单轴压缩过程进行原位扫描,获得了不同荷载下试件的CT图像.通过对CT图像进行分析,获得了灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数随荷载变化的规律.结合数字体散斑法(DVSP)获得了试件内部三维位移场与应变场.结果表明:试件内部不同尺度裂隙的发展导致灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数发生相应的变化,灰度均值及其均方差可以揭示小于CT尺度裂隙的发展规律,孔隙率和计盒维数更适用于描述大于CT尺度裂隙的特征.试件内部的位移场与应变场能够直观地揭示出小于CT尺度微裂隙引起的应变局部化区域的产生及发展过程,为混凝土细观破坏机理研究提供了新方法.     

基于CT处理技术的混凝土破坏过程的分析

对混凝土试件进行单轴压缩实验,并利用CT技术扫描混凝土试样,获得混凝土内部细观破坏过程的CT图像.通过Amira软件图像处理技术提取混凝土试块孔隙,并对对混凝土试块不同加载阶段的孔隙进行统计计算,作出孔隙体积与压力的变化曲线,分析外部荷载和孔隙体积之间的关系。结果表明:在单轴压缩条件下,可以用孔隙体积的变化来描述混凝土的破坏过程。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

CT数字图像处理技术在沥青混合料微观结构分析中的应用

利用CT机对马歇尔成型的沥青混合料试件进行分层扫描.通过数字图象处理技术对试件冻融劈裂前后图像的变化进行分析,从空隙率、胶浆面积、粗集料面积等3个方面揭示了试件内部冻融劈裂前后微观结构的变化规律.通过数学假设,建立了沥青混合料CT值分布规律的数学模型,从而将CT值和沥青混合料的损伤变量联系起来.利用损伤变量对沥青混合料试件冻融劈裂前后水损害情况进行了对比分析.     

表征真实骨料形态的三维数值骨料建模

利用图像处理技术将骨料截面轮廓处理为二值图像,识别出各独立轮廓的形态特征后获取Hurst指数值的统计学规律,并使用改进的分形布朗运动(FBM)生成随机的数值骨料截面轮廓.使用该轮廓作为垂直于构建轴线的三维骨料上下两部分的连接面,基于改进的随机中点位移法,分别建立三维骨料的上曲面和下曲面并组装成完整的三维骨料模型.按相同纵长比生成的数值骨料与真实骨料具有相近的轮廓、扁平比和球度,且随机生成的数值骨料样本库与实测的真实骨料样本库具有类似的体积分布规律.按级配生成数值骨料并投放生成圆柱形沥青混凝土数值试件,相同工况下的仿真结果与单轴压缩蠕变试验数据的趋势吻合.     

既有裂缝混凝土的冻融劣化及损伤特性分析

采用预制裂缝的方法模拟实际工程中带裂缝混凝土,研究带裂缝混凝土在冻融循环条件下的损伤劣化过程及力学特性。通过对有、无预制裂缝的混凝土试件冻融循环后的表面变化观测、单轴压缩与弹性模量试验,研究冻融循环作用对有、无预制裂缝混凝土试件的弹性模量、轴心抗压强度、应力-应变关系的影响,得到了峰值应力与峰值应变随冻融循环次数的变化关系,结合损伤力学的方法分析预制裂缝对混凝土抗冻性能的影响。结果表明:无裂缝试件在冻融后出现成片剥落、边缘缺角的表面变化,而预制裂缝试件在此基础上还出现了预制裂缝沿径向扩展、侧面萌生横向裂缝的现象;预制裂缝混凝土试件强度和弹性模量的损失率更大,得到了预制裂缝试件峰值应力与冻融循环次数的计算式;裂缝使混凝土损伤率大于无预制裂缝试件。     

不同初始损伤的混凝土材料受压承载特性研究

混凝土是一种具有初始缺陷的多向复合材料,为研究混凝土材料的初始损伤对试件单轴受压承载特性的影响,结合CT和声发射,对4块不同含气量的圆柱形混凝土试块进行单轴压缩循环试验。一方面基于CT图像,利用Amira三维重建软件提取统计不同应力阶段的孔隙体积;另一方面由声发射采集的特征参数相关曲线,统计分析不同含气量的混凝土材料的Kaiser效应与Felicity效应关系。研究表明:混凝土试块含气量的提高,即试块初始损伤的增加,减少了试块弹性压缩阶段的时间。     

混凝土单轴压缩分形损伤演化的CT试验研究

在试验室对混凝土立方体试块进行了单轴压缩试验,完成破坏试验后用断层扫描CT技术研究混凝土立方体试件破坏过程的演化灾变过程,重点利用分形数学理论对混凝土试件的裂缝形成演化过程进行了分析研究,得出了一些有价值的结论。     

数字摄影量测在混凝土变形试验中的应用

利用数字摄影量测技术以及岩土工程数字摄影量测软件系统,采用MTS815实验机,对若干10 cm立方体混凝土试件进行了压缩变形观测试验,得出了试件表面的位移矢量、位移场和局部测点变形的发展演变过程;分析了混凝土裂缝的分布和发展规律,定量地测出了裂缝宽度。并且,利用数字摄影量测技术对混凝土弹性模量的动态变化规律及计算方法进行了研究,为混凝土力学性能的进一步研究提供了参考数据。     

重复荷载作用后钢筋混凝土梁损伤恢复测试分析研究

针对采用超声波CT无损检测技术对钢筋混凝土梁构件进行检测时可能导致误诊这一问题,借助混凝土梁试件在上限0.7Pu、下限0.1Pu的重复加载物理试验和超声波CT无损检测技术,通过观察卸除重复荷载后试件钢筋、混凝土的应变和超声波速的变化,展开对重复荷载作用后试件钢筋及混凝土应变、超声波速与卸载时间试验关系的研究,定义应变恢复速率νε和超声波速恢复率ηVP两个物理量来表征试件的损伤恢复情况。结果表明,νε主要受外荷载影响并随外荷载变化而变化,对试件损伤恢复的贡献可以基本忽略;ηVP主要受试件裂缝影响,随着卸载时间的增加,试件宏观开裂和微裂缝逐渐闭合,ηVP值也逐渐增大。这为桥梁的健康诊断及寿命预测提供了一定的依据和支持。     

既有裂缝对混凝土热湿物性参数的影响分析

为解决既有裂缝对混凝土热湿物性参数影响的问题，通过3D打印技术制作裂缝模型，以裂缝体积与混凝土试块体积比值作为变量，针对不同裂缝体积占比混凝土的导热系数、吸水系数、水分扩散系数和水蒸气渗透系数展开研究。结果表明：混凝土的导热系数随着含湿量的增大而增大，随着裂缝体积占比的增大而减小，且导热系数对裂缝体积的敏感性逐渐减小。裂缝体积占比0.1%～0.3%的干燥混凝土相较于无裂缝混凝土，导热系数增大比例最小为7.96%，最大为30.9%。拟合得到混凝土吸水系数、水分扩散系数与裂缝体积占比的关系曲线，两者皆随着裂缝体积占比的增大而增大。拟合得到不同裂缝体积占比的混凝土的水蒸气渗透系数与含湿量的变化曲线，曲线的斜率逐渐增大，其随裂缝体积占比的增大而增大，且含湿量越大，水蒸气渗透系数随裂缝体积增大的幅度越大。     

混凝土轴压溃裂过程的细观数值试验研究

将混凝土视为由骨料、砂浆以及它们之间的界面过渡区(ITZ)组成的细观复合材料,建立了一种包含零厚度粘结单元在内的有限元模型,将粘结单元嵌入到ITZ中以及砂浆单元的边界上,以形成潜在的裂缝发展路径。利用该模型对已生成的二维混凝土试件进行了单轴压缩的数值试验,获得了试件的应力-应变关系曲线以及试件从微裂纹萌发、裂缝开展到最后压溃破坏过程的裂缝演变状态,得到的宏观裂缝及溃裂形态与轴压物理试验十分相近,得到的力学响应曲线与物理试验也呈现良好的一致性。     

分形理论在沥青混凝土疲劳开裂过程中的应用

通过对沥青混凝土试件进行疲劳加载,用盒维数方法计算加载过程中裂缝的分形维数,利用分形理论对沥青混凝土疲劳开裂过程进行了探讨和分析。结果表明,沥青混凝土疲劳开裂过程具有很好的分形特征。     

基于X-ray CT技术的沥青混合料三维数值模型

运用MATLAB软件获取CT图像的数字信息,利用MATLAB语言构造出一系列M函数,用于显示、处理获取到的CT图像的图像数据,将得到的数据图像信息导入有限元软件ANSYS,建立了沥青混合料三维细观结构有限元模型,分别包括集料、空隙和沥青胶浆的模型,建立生成的模型与真实的模型更加接近,并对模型进行了有关的数值模拟。通过对比分析真实沥青混合料试件与数值模型内部结构中不同组分之间的差异,来验证模型的准确性。     

基于CT和声发射的混凝土材料细观破坏研究

为了描述混凝土材料细观损伤破坏过程,将单轴压缩下混凝土试块的CT实验和声发射损伤定位实验相结合,利用Amira三维重建软件,统计单轴压缩下混凝土试件不同应力阶段的孔隙体积和孔隙质量中心坐标。研究表明:单轴压缩下的混凝土试块经历弹性孔隙压缩阶段,裂纹稳定拓展阶段和裂纹非稳定拓展三个主要变形阶段,试块损伤从散乱无序到逐渐有序,丰富了定量描述混凝土细观破坏过程的有效手段,为进一步探索混凝土材料细观破坏的机理奠定基础。     

机场SMA高温变形中集料倾角变化规律

为探究机场重载下SMA(沥青玛蹄脂碎石混合料)的车辙变形特性,同时为建立沥青混合料细观模型提供数据支持,针对SMA高温变形过程中集料倾角的变化规律开展研究.采用车辙试件取芯方式,研究沥青混合料在高温及高荷载作用下集料倾角随碾压次数的变化规律.基于X-射线CT技术获取并重构了碾压前后沥青混合料的三维数字图像,提取了数字试件沿轮迹方向和垂直轮迹方向的二维图像,采用MATLAB编写图像的批量处理程序,获取二值化图像,进行集料倾角的计算和统计.结果表明:沥青混合料集料倾角的累计分布概率符合三参数威布尔分布;混合料集料倾角在0°~20°分布最多;碾压后,沿轮迹方向0°~20°区间集料倾角概率保持增大,垂直轮迹方向40°~60°区间集料倾角概率保持增大;沿轮迹方向集料倾角变化与车辙变形线性相关;掺加70#沥青的SMA集料较掺加SBS改性沥青的SMA集料倾角更易偏转.     

基于数字岩心的页岩储层岩石细观损伤机制研究

岩石损伤对储层的力学性能及渗流特性等具有显著影响。为研究页岩储层岩石的细观损伤机制,基于CT扫描试验重构三维数字岩心,基于单轴压缩试验及巴西劈裂试验获取岩石力学参数,结合岩石塑性损伤本构模型开展了单轴压缩数值模拟。结果表明：(1)页岩受压时,损伤从孔隙密集区开始发展,后损伤值升高,损伤范围扩展,直到各损伤区贯通,形成剪切斜裂缝。(2)压缩损伤和拉伸损伤存在不同的应力阈值,页岩受压时,压应力先达到压缩损伤的应力阈值,压缩损伤最先产生;拉伸损伤在压缩损伤较大处产生,且表现出滞后性,其损伤体积小于压缩损伤。(3)研究区页岩的孔隙等效直径分布范围为0～200μm,其中,等效直径为10～40μm的孔隙对孔隙度的贡献最大。随着孔隙度的增加,峰后强度的下降速度变缓,岩石延性逐渐增大。(4)孔隙空间分布对页岩的损伤扩展形式及破坏形式存在极大影响,引入分形维数表征孔隙空间分布的复杂程度,发现孔隙的分形维数仅在孔隙度较大时才影响岩石的峰值强度,相同孔隙度下,分形维数越大,峰值强度越低;分形维数对岩石弹性模量的影响极小;孔隙度和分形维数对岩石的损伤体积均存在较大影响,孔隙度和分形维数越大,损伤体积越大。