冻融循环后蒸汽养护混凝土的损伤—声发射特性

为研究冻融循环对蒸汽养护混凝土力学性能演化规律的影响,通过开展蒸汽养护混凝土试件冻融循环试验和单轴压缩-声发射试验,分析了冻融循环作用后不同蒸汽养护制度下混凝土加载损伤破坏声发射过程,依据声发射特征参数建立了冻融循环后蒸汽养护混凝土受压损伤本构模型,探究了损伤变量与冻融循环次数的变化关系.结果表明：60、80℃蒸汽养护对混凝土抗冻性能不利,40℃蒸汽养护混凝土与标准养护混凝土抗冻性能无明显差异;混凝土受压破坏过程的声发射振铃计数变化呈现出明显的接触期、平静期、陡增期三阶段变化规律,平静期-陡增期分界点随冻融循环次数的增加在时间上发生后移;受压过程前期,蒸汽养护混凝土损伤发展较为缓慢;相对峰值应力达到0.8以后,蒸汽养护混凝土损伤发展较为迅速,直至受压破坏.     

煤矸石混凝土轴心受压声发射特性与损伤模型研究

对煤矸石粗集料取代率分别为0%,20%,40%,60%的4组煤矸石混凝土进行了轴心受压试验,并使用声发射(AE)技术对煤矸石混凝土受压破坏过程中的损伤演化规律进行动态分析.根据煤矸石混凝土受压损伤时所释放的声发射信号与能量,定性分析了材料的损伤程度,并以声发射参数为基础建立了煤矸石混凝土损伤演化方程与损伤本构模型.结果表明:煤矸石混凝土轴心受压应力-应变全曲线形状与普通混凝土基本一致,随着煤矸石粗集料取代率的增大,煤矸石混凝土的峰值应力略有下降,但下降幅度不大;声发射参数可有效描述煤矸石混凝土损伤的演化规律,且随着煤矸石粗集料取代率的增大,煤矸石混凝土的耗能能力减弱;以声发射参数为基础建立的煤矸石混凝土轴心受压损伤本构模型与试验结果吻合较好,可以为煤矸石混凝土的理论研究与工程应用提供可靠的依据.     

冻融循环作用下煤矸石混凝土的损伤特性及本构关系

考虑煤矸石粗骨料取代率(0、20%、40%、60%)的影响,开展冻融循环试验、单轴受压本构试验及声发射检测试验,研究煤矸石混凝土的损伤本构模型。结果表明:不同取代率煤矸石混凝土的相对峰值应变与冻融损伤值具有较高的相关性,所得冻融损伤值与相对峰值应变的方程可为本构模型的建立提供有效参数。煤矸石混凝土声发射特性与其荷载损伤发展情况、力学性能、应力应变曲线有紧密联系,基于受压声发射特性,采用PBS平行杆力学模型建立了未冻融循环作用下煤矸石混凝土的荷载损伤模型,并结合其冻融损伤模型,建立了煤矸石混凝土冻融损伤本构关系,计算结果与试验数据符合较好。该模型能较准确地反映混凝土在冻融和单轴受压荷载作用下的全过程损伤特征。     

基于声发射技术的再生混凝土梁受弯过程的损伤特性研究

基于声发射技术对不同再生粗骨料取代率的再生混凝土梁进行四点加载试验,根据试验中所得到的声发射事件数、声发射能量释放值、声发射累计事件数及累计能量释放值等参数建立再生混凝土梁的损伤模型,基于构建的损伤模型解释了声发射信号和再生混凝土梁损伤之间的关系,进一步的探究再生混凝土梁受弯破坏的损伤特性。结果表明:再生混凝土的声发射特性与普通混凝土总体趋势相似,再生混凝土的极限承载力随着再生粗骨料取代率的增加呈现出先增大后减小的现象;再生混凝土声发射特性能有效的反映混凝土的损伤程度,随着再生粗骨料取代率的增大,声发射事件数及能量释放在前期损伤积累过程中越大,梁的损伤变量D先减小后增大;基于AE累计事件数与应力的关系,建立再生混凝土声发射损伤演化模型,可以较好的表征再生混凝土梁受弯破坏的损伤演化规律。     

高温后混凝土损伤评估的声发射试验研究

为研究高温后混凝土的损伤特征,对25~900℃范围10种温度水平的混凝土立方体试块进行单轴压缩和变幅循环加卸载试验,同步进行声发射采集。试验结果表明高温后试块表观特征、受压破坏形态、力学性能、加载过程中的Kaiser效应和声发射速率过程参数均能有效表征高温对混凝土的损伤作用;以声发射速率过程理论和损伤力学建立的高温后混凝土损伤模型,实现了利用初始损伤因子D0对高温后混凝土损伤程度进行定量评估。     

单侧压对冻融混凝土劈拉损伤特性的影响

对冻融混凝土进行了不同单侧压下的劈拉试验,分析了冻融循环次数和单侧压对混凝土劈拉性能的影响,并结合声发射技术研究了混凝土在劈拉过程中的损伤发展,建立了混凝土损伤演化方程。结果表明：随着冻融循环次数的增加,混凝土冻融劣化程度加深,峰值应力明显降低;相同冻融循环次数下,单侧压越大,混凝土的峰值应力越大;经历冻融循环后的混凝土损伤发展速度加快,单侧压的存在对混凝土的损伤发展起到延阻作用;考虑冻融循环次数和单侧压作用的混凝土劈拉损伤演化曲线均可分为损伤初始发展阶段、损伤稳定发展阶段和损伤快速发展阶段。     

大理岩热损伤声发射力学特性试验研究

为研究经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程,对25℃,200℃,400℃和600℃后的大理岩进行单轴压缩试验,并监测其全变形过程的声发射现象,对其声发射特性、破裂模式、启裂应力和损伤应力取值范围、损伤演化规律及应力–应变模型进行研究。研究表明,随着大理岩经历温度的升高,岩石峰值强度逐渐降低,峰值应变增大,岩样延性增强;高温后大理岩的声发射特性与常温有明显区别,热损伤导致岩样加载初期声发射信号比较活跃,而进入弹性阶段后,声发射活动性不如常温下剧烈;用声发射法求出归一化启裂应力和归一化损伤应力的范围分别为0.33~0.46和0.71~0.82,随着温度升高,二者有增大的趋势;600℃以内,岩样破坏模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏转变,最后变为单剪破坏,试验表明声发射定位与岩样宏观破裂规律对应较好。同时,建立基于累计振铃计数的损伤变量,25℃下岩样损伤演化过程分为4个阶段,高温后岩样初始损伤变大,损伤变量随应变演化变得缓慢。根据裂纹轴向应变规律和声发射参数推导大理岩变形全过程应力–应变本构模型,模型计算结果与试验曲线吻合较好,且温度越高,模型适用性越好。     

基于三轴压缩声发射试验的岩石损伤特征研究

 利用MTS815岩石伺服试验系统和AE21C声发射监测仪,对灰岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：(1) 相同试验条件下,检波器置于三轴室内时的声发射振铃计数和能量的最大值分别比置于室外时高27%和32%,表明,声发射检波器置于三轴室内能够接收到更全面、真实的声发射信号。(2) 围压使岩石压密阶段声发射活动降低,同时声发射振铃计数最大值稍滞后于岩样宏观破坏时间,说明围压提高了岩石的剪切强度和峰后承载能力。(3) 建立基于声发射累计振铃计数的岩石三轴压缩损伤演化模型,岩石的损伤演化过程可划分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段和损伤破坏阶段。初始损伤阶段,声发射参数较小;损伤稳定发展阶段,声发射活动明显活跃,振铃计数和能量逐渐增加;损伤加速发展阶段,声发射活动异常活跃,宏观破坏后不久声发射振铃计数和能量达到峰值;损伤破坏阶段,岩石仍具有相当的承载能力,在破坏过程中仍有声发射活动出现。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

崩塌体失稳关键区岩石损伤特性试验研究

针对导致大型高陡危岩失稳的底部关键区域损伤劣化问题,通过声发射试验以及数值模拟试验获取关键区岩石试样在三轴压缩过程中的应力应变及声发射特征参数,利用损伤理论对试样的损伤特性与演化规律进行分析。研究结果表明:试样呈现出典型的脆性岩石破坏特征,伴随能量集中释放,在主破裂出现时刻声发射计数骤增;随着围压升高,声发射活跃频度增大,沉寂期缩短;不同围压下累计声发射计数曲线均呈现出初期平缓—中期缓增—后期陡升的阶段性特点,并与应力应变曲线具有良好对应关系;数值模拟试验所得到的力学及声发射数据能够合理反映并补充声发射试验结果,两种试验方法获取的岩石损伤性质参数及其趋势规律基本一致;基于累计声发射计数构建损伤变量,据此可定量化分析试样及危岩失稳关键区的损伤演化状态。本研究对具有相同失稳模式的高陡危岩损伤特性分析具有重要参考。     

冻融环境下煤矸石混凝土毛细吸水性能

采用ASTM C1585-13测量水硬水泥混凝土吸水率的标准试验方法,研究了煤矸石混凝土(CGC)和普通混凝土(OC)在冻融环境下的毛细吸水性能,分析了冻融循环作用及煤矸石取代率对CGC毛细吸水性能的影响机理,建立了冻融环境下CGC初始毛细吸水率预测模型.结果表明:冻融环境相同时,煤矸石取代率越大,CGC的累积吸水量就越大,初始毛细吸水率也越快,毛细吸水性能越强;冻融环境不同时,冻融循环次数越多,相同煤矸石取代率的CGC累积吸水量越大,初始毛细吸水率越快,毛细吸水性能越强;CGC的毛细吸水能力比OC强;CGC对冻融循环作用响应强烈.通过回归分析建立的冻融环境下CGC初始毛细吸水率预测模型计算精度较高,可用于预测CGC的毛细吸水性能,为CGC的抗冻耐久性研究提供理论依据.     

弯拉荷载冻融循环氯盐侵蚀作用下混凝土的劣化

研究了冻融循环-氯盐侵蚀和弯拉荷载-冻融循环-氯盐侵蚀作用下混凝土的劣化行为,分析了氯盐侵蚀和冻融损伤的相互影响,以及弯拉荷载对混凝土抗冻性能的影响.结果表明:冻融循环导致混凝土微裂纹萌生、扩展,使孔隙结构遭到破坏,从而加速了氯盐的侵入;氯盐的侵入会影响混凝土的饱水度和孔隙溶液的迁移,加速冻融循环造成的表面剥落和内部损伤.在弯拉荷载-冻融循环-氯盐侵蚀作用下,混凝土的破坏形式以表面剥落为主,弯拉荷载会加速劣化,甚至使其脆性断裂.     

基于孔结构的单面冻后混凝土抗压强度模型研究

通过单面冻融试验,研究了介质和冻融循环次数对混凝土抗冻性能和微观孔结构的影响规律.使用盒维数建立了混凝土单面冻融循环后的孔径分布分形模型,分析了分形维数与抗压强度的关系,建立了基于复合孔参数、分形维数的多因素抗压强度模型.结果表明：在不同冻融介质条件下,混凝土表观形貌、质量损失、相对动弹性模量、抗压强度、抗冻耐久性系数和孔参数随着冻融循环次数的增加逐渐劣化,盐冻对混凝土损伤程度大于水冻;混凝土孔径分布分形维数随着冻融循环次数的增加逐渐减小;在单面冻融循环过程中,混凝土孔参数演化分为初期、中期、后期3个阶段,中、后期对冻融循环作用较敏感的孔参数分别为气孔平均弦长和气孔比表面积、含气量和气孔间距系数;多因素抗压强度模型与复合孔参数、分形维数之间的回归效果显著,可以准确地描述水、盐单面冻融循环前后混凝土抗压强度与孔结构的定量关系.     

基于NMR的风积沙混凝土冻融孔L隙演变研究

利用风积沙等质量替代河砂来配制风积沙混凝土,并对其进行抗冻性试验,同时借助核磁共振(NMR)技术分析其冻融孔隙演变特征.研究表明:评价风积沙混凝土抗冻性时,相对动弹性模量指标比质量损失率指标更为精准;经冻融循环后,风积沙混凝土的孔隙度和渗透率均增大,其中风积沙替代率为40%的风积沙混凝土束缚水饱和度增大、自由水饱和度减小,其抗冻耐久性最佳;风积沙混凝土的孔隙分布会影响其抗冻性的优劣,冻融循环后若孔径小于10nm的孔隙增多且大于100nm的孔隙减少,则可延缓混凝土冻融损伤,若孔径小于10nm的孔隙减少且大于100nm的孔隙增多,则会加剧混凝土冻融损伤.     

混凝土抗水冻融和抗盐冻融循环作用的相关性

以相对动弹性模量作为冻融损伤的评价指标,对比分析了人工砂混凝土试件在水和质量分数为3.5%的NaCl溶液2种冻融循环下的损伤程度,研究了混凝土抗水冻融与抗盐冻融循环作用之间的相关性,并基于渗透压理论,对其相关性进行了理论阐释.结果表明:抗水冻融和抗盐冻融循环次数之间具有线性相关性,且该线性相关性与混凝土的强度等级及石粉含量无关;进一步结合天然砂混凝土抗水冻融与抗盐冻融试验数据的分析,验证了该定量关系的普适性,即混凝土抗水冻融循环次数约为其抗盐冻融循环次数的2.8倍.     

在盐冻循环、钢锈与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土的损伤失效研究

采用自行研制的一套环境性能综合评估试验方法对钢筋混凝土试样成功地进行了冻融循环与除冰盐腐蚀协同作用(简称盐冻循环)、钢筋锈蚀与弯曲荷载协同作用下的失效试验。通过测量损伤演变过程中钢筋混凝土动弹性模量、钢筋应变和混凝土应变的变化,研究了盐冻循环、钢筋锈蚀与弯曲荷载协同作用下钢筋混凝土损伤失效的演变过程。结果表明,普通混凝土(C4 5 )和高强混凝土(C70 )在不同损伤因素协同作用下,损伤规律存在相似性,但损伤速率明显不同。相似性表现在:多因素协同作用下导致的损伤大于单因素损伤,特别是叠加上弯曲荷载后,混凝土动弹性模量下降速率大大增加,表明弯曲荷载对盐冻循环与钢锈协同作用下的钢筋混凝土的损伤有促进作用。在相同试验条件下,普通混凝土的损伤速率大于高强混凝土,表明普通混凝土的损伤阻力低于高强混凝土。另外,试验发现在给定的温差变化条件下,盐冻循环、钢锈与弯曲荷载协同作用导致钢筋混凝土中钢筋的应变幅值随着冻融循环次数的增加而逐渐增大。     

基于唯象损伤观点的混凝土冻害模型研究

对混凝土冻害机理的认识大多是从材料学角度出发，集中在孔溶液对孔结构的作用上，是从原因学观点出发的物理解释。但鉴于混凝土冻害的复杂性，现在还未统一对混凝土冻害机理的物理认识。从混凝土受冻后宏观性能衰退的表现出发，结合已有的对混凝土冻害在细观上的认识，应用疲劳损伤观点在唯象学层面上理解混凝土冻害的机理是一个新的探索，也为解决现实冻害评估问题提供了定量化手段。本文在综述已有冻害机理的基础上，结合冻融试验及现场检测结果，从细观上分析冻害发展的过程，从宏观材料性能衰退的角度认识混凝土冻害机理，认为混凝土冻害是一个疲劳损伤的过程。最后给出了作者应用疲劳损伤机理建立的混凝土冻害模型，并与已有试验数据比较，验证了模型的合理性。     

冻融循环下CFRP—高性能混凝土的粘结性能

通过双面剪切试验,研究了冻融环境下CFRP-高性能混凝土界面粘结性能的发展规律。对比分析了未经冻融和经历25、50、100、150、200及300次冻融循环作用试件的破坏特征、剪应变分布、荷载滑移曲线、粘结承载力以及粘结破坏机理。结果表明,所有试件的界面破坏均发生在混凝土表层内,但随着冻融循环次数的增加,破坏界面有向胶层发展的趋势;经受冻融循环次数较少时(25、50次),界面的粘结强度、刚度及开裂荷载的变化不明显,甚至略微提高;但随着冻融循环次数的进一步增加,界面粘结性能有明显的变化,界面粘结强度、端部滑移量减小,刚度退化,初始开裂荷载水平降低,非线性特征增强。粘结极限承载力与混凝土立方体抗压强度均随冻融循环次数的增长存在先提高后下降的趋势,混凝土强度变化是界面粘结性能变化的最重要因素。     

碱集料反应与冻融循环协同作用对混凝土破坏的影响

研究了碱集料反应与冻融循环协同作用下的混凝土的破坏行为，结果表明，当混凝土先进行碱集料反应试验而随后再冻融时，碱集料反应对冻融循环有促进作用，随着碱集料反应程度的提高，混凝土开裂愈严重，随后表现的混凝土抗冻性愈差；然而当混凝土先冻融，而后再进行碱集料反应时，冻融循环对碱集料反应的促进作用则不大，随着冻融次数的增加，混凝土破坏程度增大，在继续进行的碱集料反应结束时，混凝土最终膨胀值增大，相对动弹模量损失增大，但是混凝土劣化速度则相差不大。     

不同含水状态下砂岩剪切过程中声发射特性试验研究

 利用自主研发的煤岩细观剪切试验装置和PCI–2型声发射测试分析系统对饱和度分别为0%,50%和100%三种不同含水状态下砂岩剪切破坏过程中的声发射特性进行试验研究,探讨声发射信号随时间的演化规律及其与砂岩裂纹的开裂、扩展之间的关系。研究结果表明：声发射活动伴随着砂岩整个剪切破坏过程,表现为剪应力峰值前,声发射活动不显著,声发射信号均较小,而在剪应力峰值后声发射信号出现剧增;且随着含水量增加,砂岩抗剪强度依次减小,声发射信号的剧增点出现的时间相应提前;在各含水状态下,声发射事件率峰值出现的时间总是滞后于剪应力达到峰值的时间;饱和度为0%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之后,且声发射活动最强烈,破坏时的累计声发射事件数最多,即累计损伤最大;而饱和度为50%和100%时砂岩表面裂纹出现在剪应力峰值之前,破坏后累计声发射事件数相对较少,累计损伤也相应小一些。