The effects of mismatch fracture properties in encapsulation-based self-healing concrete using cohesive-zone model

Finite element analysis is developed to simulate the breakage of capsule in capsule-based self-healing concrete. A 2D circular capsule with different core-shell thickness ratios embedded in the mortar matrix is analyzed numerically along with their interfacial transition zone. Zero-thickness cohesive elements are pre-inserted into solid elements to represent potential cracks. This study focuses on the effects of mismatch fracture properties, namely fracture strength and energy, between capsule and mortar matrix into the breakage likelihood of the capsule. The extensive simulations of 2D specimens under uniaxial tension were carried out to investigate the key features on the fracture patterns of the capsule and produce the fracture maps as the results. The developed fracture maps of capsules present a simple but valuable tool to assist the experimentalists in designing appropriate capsule materials for self-healing concrete.     

Computational modeling of fracture in capsule-based self-healing concrete: A 3D study

We present a three-dimensional (3D) numerical model to investigate complex fracture behavior using cohesive elements. An efficient packing algorithm is employed to create the mesoscale model of heterogeneous capsule-based self-healing concrete. Spherical aggregates are used and directly generated from specified size distributions with different volume fractions. Spherical capsules are also used and created based on a particular diameter, and wall thickness. Bilinear traction-separation laws of cohesive elements along the boundaries of the mortar matrix, aggregates, capsules, and their interfaces are pre-inserted to simulate crack initiation and propagation. These pre-inserted cohesive elements are also applied into the initial meshes of solid elements to account for fracture in the mortar matrix. Different realizations are carried out and statistically analyzed. The proposed model provides an effective tool for predicting the complex fracture response of capsule-based self-healing concrete at the meso-scale.     

加气混凝土砌块砂浆配合比的研究

加气混凝土砌块是一种替代粘土砖的良好墙体材料,但采用传统施工方法施工的墙体极易产生裂缝。本文利用本地区常用的材料,选取了粉煤灰与胶凝材料用量比,水胶比、平均浆体厚度这三个因素,通过正交试验来摸清它们对砂浆的工作性能和力学性能的影响。在初步配合比试验的基础上选取三组工作性能和力学性能良好的配合比,掺入由聚丙烯纤维和海菜粉等组成的添加剂,优化后的专用砂浆的保水性、粘结强度、折压比和粘压比有较大的提高。     

混凝土I-型细观断裂模型及其在材料层次#br# 尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I 型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明：当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

复合受力模式下CFRP混凝土界面剥离分析方法

为研究复合受力模式下碳纤维增强复合材料(CFRP)混凝土界面的剥离行为，提出在界面受压时采用摩尔-库仑强度理论以及在界面受拉时采用抛物线强度理论的损伤判定法则，建立复合受力状态下的界面本构模型。基于本构模型，推导界面的法向和切向应力对相对位移的偏导数，得到界面数值分析时所需要的雅可比矩阵。通过对比文献中4个试件的试验结果，验证了复合受力状态下界面本构模型的适用性。采用所提出的界面本构模型对CFRP增强混凝土进行参数分析，研究剥离角、界面相对位移的权重系数、法向与切向强度比以及CFRP板厚对界面破坏模式的影响。结果表明，提出的复合受力模式下的界面本构模型能够准确地反映界面剥离破坏的过程以及CFRP板的应变分布情况；剥离角度的增加会大大降低荷载峰值及峰值过后的稳定值，稳定剥离阶段的荷载极值不受界面相对位移的权重系数、法向与切向黏结强度比和CFRP板厚因素的影响；在法向出现剥离的临界位置，CFRP板上表面应变呈现出明显的波动现象；根据应变波动的部位，可以推测出CFRP板法向剥离破坏的位置。     

不同强度海水珊瑚骨料混凝土断裂性能对比研究

对不同强度海水珊瑚骨料混凝土(SCAC)开展了抗压、劈裂拉伸以及预切口梁三点弯曲试验,获得了其荷载-裂纹口张开宽度关系以及断裂能、特征长度等断裂参数.结果 表明:随着SCAC强度等级的提高,其抗压强度及劈裂抗拉强度增大,拉压强度比小幅降低,开裂荷载与峰值荷载比明显增大,峰值裂纹口张开宽度显著降低;SCAC试件破坏均为裂纹贯穿骨料,断面光滑;提高SCAC强度等级可在一定程度上弥补珊瑚骨料的低强度缺陷,提高SCAC的断裂性能,但其脆性也相应增加.     

异形钢纤维对超高性能混凝土增强增韧的影响

以钢纤维掺量、类型和分布方式为变量,测试了掺异形钢纤维超高性能混凝土(UHPC)的直接拉伸性能和弯曲韧性,并采用显微镜对这种钢纤维的拔出通道和拔断截面进行了观测.结果表明:异形钢纤维对UHPC具有较好的增强增韧效果,相应试件的直接拉伸强度、断裂能及裂后承载力均大幅提高,且其掺量越大,提高幅度越显著;当异形钢纤维沿拉应力方向有序分布时,与随机分布相比,更有利于UHPC的增强增韧;相比于端钩型钢纤维,在相同掺量下,波纹型钢纤维的增强增韧效果更佳,其拔出通道更加曲折,还存在被拉直的现象,这主要是由于其与基体间存在更强的机械咬合力所致;此外,在拉拔过程中,2种异形钢纤维的断口邻近截面均出现了明显的颈缩.     

相变储能微胶囊的制备和表征

以石蜡为囊芯,脲醛树脂为囊壁,采用原位聚合法制备具有相变储能功能的微胶囊,并研究了乳化剂、芯壁质量比以及搅拌速度等对微胶囊制备和性能的影响.结果表明,以司班-80和吐温-80复配作为乳化剂、用量为石蜡的8%,芯壁质量比为1.2:1,转速为1500r/min时,制备的微胶囊性能较好.研究表明,脲醛树脂可有效包覆石蜡,形成粒径分布较均匀的相变储能微胶囊,可用于制备储能建筑材料.     

癸酸微胶囊相变储能砂浆板的温控模拟与验证

以癸酸微胶囊相变储能砂浆板为研究对象,采用试验测试结合数值模拟的方法,验证癸酸微胶囊相变储能砂浆板在建筑围护结构中的温控效果.结果表明:与未掺癸酸微胶囊时相比,掺入2%和4%癸酸微胶囊的相变储能砂浆板导热系数分别降低了8%和21%,而蓄热系数分别升高了3%和11%.在数值模拟与试验验证中,相变储能砂浆板平面温度呈梯度分布,平面整体温度差异不大;随着癸酸微胶囊掺量的提升,相变储能砂浆板在相同时刻的温度上升速度变慢,在同温度下需要的加热时间增加;与未掺癸酸微胶囊的相变储能砂浆板相比,掺4%癸酸微胶囊的相变储能砂浆板相变完成时间延迟20min左右,说明掺入癸酸微胶囊能使相变储能砂浆板的温度增长出现明显延迟,癸酸微胶囊相变储能砂浆板具有良好的温控效果,且该效果随着癸酸微胶囊掺量的增加而变得更好.     

结构钢材基于CTOD的裂纹扩展阻力曲线的低温试验研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是材料断裂分析的重要判据指标。在钢材韧性较好的时候,随着裂纹的扩展,构件的承载力也会有所提高,说明随着裂纹扩展,裂纹尖端的断裂韧度有所升高。裂尖断裂韧度与裂纹扩展量的关系曲线称为裂纹扩展阻力曲线。裂纹扩展阻力曲线反映了构件断裂过程与构件的断裂模式、承载力的有关系。本文根据结构钢材低温断裂试验的结果,分析了常用结构钢材的低温条件下基于CTOD指标的裂纹扩展阻力曲线,试验结果可为钢结构断裂设计提供依据。     

根系作用下的基材土–岩接触面原位剪切试验研究

采用自制原位剪切仪,对不同粗糙度、不同多花木蓝根系密度的基材土–岩接触面进行原位剪切试验,研究了基材土–岩接触面的剪切变形特征。研究表明,基材土–岩接触面剪切应力–位移具有典型的软化特性;受根系加筋、锚固作用影响,含根试样的剪切破坏面粗糙、破碎。根系作用对土–岩接触面峰值剪切强度、峰值剪切位移及残余剪切强度影响明显,对比发现,不同粗糙度下,相同根系面积比对提高界面峰值剪切强度的贡献率差异较小;根系面积比较小时,增强界面峰值剪切强度的贡献率低于粗糙度,随着根系面积比增大,根系提高界面强度的作用更为明显,其贡献率显著增加。     

BFRP和CFRP加固受弯混凝土界面疲劳性能试验

以纤维增强复合材料（FRP）片材外贴混凝土受弯构件为研究对象,探讨玄武岩纤维（BFRP）和碳纤维增强复合材料（CFRP）加固混凝土界面疲劳性能。通过实施四点弯曲加载试验,研究了BFRP和CFRP加固混凝土界面疲劳破坏模式、界面疲劳裂缝扩展规律以及构件跨中挠度和FRP应变随加载循环次数的变化规律,并对BFRP和CFRP加固混凝土界面的静载剥离承载力和疲劳寿命进行了分析,给出了BFRP和CFRP加固混凝土界面的疲劳强度。研究结果表明:与BFRP 混凝土界面相比,CFRP 混凝土界面的静载剥离承载力提高了约50%,其疲劳寿命也明显提高;既有疲劳历程对BFRP和CFRP加固混凝土界面的静载剥离承载力影响不大。     

极地低温环境下混凝土断裂性能试验研究

为研究寒区和极地低温环境下混凝土结构的抗裂性能,设计了36个试件,对其进行了三点弯曲梁断裂试验,分析了20~-80 ℃温度区间内混凝土双K断裂韧度、断裂能和特征长度等关键断裂参数。结果表明：低温环境下,混凝土粗骨料和砂浆界面强度有所提高,横截面上有更多粗骨料发生断裂破坏;随着温度的降低,混凝土梁开裂荷载及峰值荷载有所提高,荷载-位移曲线斜率变大;混凝土断裂性能在低温环境下明显增强,其起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能均随温度的降低得到提高;低温环境下混凝土脆性变大,特征长度随温度的降低而减小。对低温作用下混凝土断裂能的增强规律进行定量分析,拓展CEB-FIP MC2010混凝土断裂能计算模型的适用范围。基于低温环境下立方体抗压和劈裂抗拉试验结果,分别提出了混凝土断裂能计算模型。     

CFRP加固混凝土梁微观界面性能分析

通过对CFRP加固混凝土梁建立宏、微观有限元界面分析模型,分析了界面端部附近砂浆、胶层及碳纤维布材料在不同载荷下关键应力的分布情况.结果表明在界面端部附近砂浆容易出现裂纹,随着载荷的增大,最终可能产生混凝土剥离破坏.而在界面端部附近胶层剪应力与正应力出现极大值,在该处容易发生面内剥离破坏.     

土结接触面黏聚区域模型及渐进累积破坏分析

首先探讨了土结接触面的含义、接触面相对位移的组成以及接触面的破坏形式,然后提出以黏聚区域模型描述接触面滑动和拉裂破坏变形、邻近非接触面单元描述接触面基本变形的分析思路,建立了基于黏聚区域模型的无厚度接触面单元,有效避免了接触面厚度确定的困难。在强化有限单元法（ FEM⁺⁺ ）的框架内完成了接触面模型的数值实现后,以直剪试验的模拟揭示了土与结构接触面的渐进累积破坏过程,说明了接触面模型与平均剪应力–剪切位移试验曲线的差异,并对模型本构参数的选取进行了阐述。     

大跨度变厚度钢筋混凝土中空板设计

为使自重较重的钢筋混凝土材料能够在大跨度楼盖中得到合理应用,对变厚度中空板进行分析研究。变厚度板是指将板带的截面由矩形转变为T形,且薄板与厚板高度之比满足h′/h≥0.45,当T形板带跨中截面达到承载能力极限状态时,厚板和薄板的受压区高度相等,其纵向受拉钢筋均能达到抗拉设计强度。支座截面达到承载能力极限状态时,薄板的上下钢筋也均能达到抗拉设计强度,充分发挥了薄板中钢筋的作用。同时给出了变厚度板的强度、冲切、裂缝宽度及挠度的计算方法,并将研究成果应用于工程实践,在满足规范要求的同时,相对于梁板体系,减小了结构高度,相对于无梁楼盖体系,减少了材料用量,取得较好的经济性,可供设计大跨度楼盖时参考。     

砂浆-骨料界面拉伸软化性能试验

对砂浆-骨料复合试件进行了劈裂试验和三点弯曲试验,基于试验结果和改进的J积分计算方法,提出了砂浆-骨料界面的拉伸软化曲线模型及其表达式。分析结果表明:砂浆基体的特性和粗骨料表面的粗糙度对砂浆-骨料界面的力学性能具有重要影响;界面断裂能随着砂浆基体强度的提高和骨料表面粗糙度的提高而提高;基体为普通强度砂浆的试件断裂多发生在界面附近的砂浆粘结层上;基体为高强度砂浆的试件断裂多发生在砂浆粘结层和砂浆-骨料接合处的粘结层上。     

灰砂比对防水干混砂浆性能影响的试验研究

通过试验研究不同灰砂比条件下新型防水干混砂浆力学性能、抗渗性、粘结强度的变化规律。试验表明随着灰砂比的降低，新型防水干混砂浆的强度降低；抗渗压力在灰砂比为1：2时取得最大压力值；粘结强度逐渐加大，到灰砂比为1：3时粘结强度趋于稳定；吸水率在灰砂比为1：2时取得最小值。综合考虑防水干混砂浆的性能要求，从规律中得出灰砂比为1：2时防水干混砂浆的性能最佳。为防水干混砂浆机理的进一步研究提供了可靠的依据。     

离子侵蚀对再生混凝土多重界面区(ITZ)性能的影响

通过研究氯离子和硫酸根离子侵蚀下再生混凝土不同界面过渡区的显微结构以及显微硬度变化,揭示了离子侵蚀对再生混凝土结构和性能的影响机理。结果表明:再生混凝土经氯离子侵蚀后,骨料老界面、骨料新界面、砂浆新界面的显微硬度逐渐降低,过渡区宽度逐渐增加;氯离子侵蚀前后,同种界面过渡区显微硬度值随着新浇筑砂浆强度等级的增加而增大,且氯离子扩散系数与界面过渡区宽度成正相关性;硫酸根离子侵蚀再生混凝土的界面过渡区宽度有所增加,显微硬度降低,界面区的致密性下降。     

ECC-混凝土黏结界面断裂试验研究

采用双材料楔入劈拉试件,研究了超高韧性水泥基复合材料(ECC)与混凝土黏结界面的断裂性能,讨论了最粗糙面、次粗糙面和光滑面3种界面粗糙度对界面破坏模式及断裂韧度的影响;结合界面力学理论,分析了裂缝偏折破坏与界面破坏的发生及界面粗糙度对裂缝偏折的影响.结果表明:对于最粗糙和次粗糙界面试件,以骨料-ECC黏结界面破坏及小角度偏折界面破坏为主,而光滑界面试件以界面破坏为主;提高黏结界面粗糙度可以使黏结界面的强度有一定程度的提高,并且界面裂缝在加载过程中易于偏向ECC,可实现ECC的裂缝捕捉,因此,当黏结界面受力状况不明确时,应尽量提高ECC-混凝土界面粗糙度,避免发生界面破坏,从而最大地发挥ECC效用.