混凝土细观破裂过程的CT图像分析

在混凝土CT图像的处理、描述、分析等工作方面进行了有益的探索.利用CT技术对混凝土的细观破裂过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件实时CT图像和应力应变曲线,并提取出图像上各点的CT数加以整理.通过对图像和CT数进行分析表明,混凝土试件的裂纹一般围绕骨料在砂浆中扩展,尤其是砂浆与骨料的粘结面是研究混凝土破损的关键区域,混凝土的破坏过程可以分为压密、扩容、CT尺度裂纹扩展、破坏4个阶段.     

混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程的CT试验研究

对静力、动力拉伸荷载条件下混凝土的细观破损过程进行了CT试验研究,获得了试样内部裂纹萌生、扩展、贯通的全过程CT图像。通过对CT图像及图像兴趣区中整体统计区域、局部统计区域CT数均值的分析,研究了混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程。结果表明:静力拉伸荷载条件下,裂纹在界面的薄弱区域形成后逐渐往相邻的薄弱部位扩展,两个统计区域CT数均值呈降低趋势,试样破坏时伴有少量骨料被拉断的现象;动力拉伸荷载条件下,裂纹从界面薄弱区域形成后追随最快的路径扩展,局部统计区域CT数均值呈下降趋势,而整体统计区域CT数均值变化幅度较小,破坏后骨料沿界面脱离砂浆粘结,且试样破裂面更为平整;由于加载速率的提高,骨料被拉断的现象非常显著。     

不同粒组骨料对混凝土力学性质的影响

混凝土是工程性质复杂的多相人工材料,不同数量和级配的骨料,对其物理力学性质影响较大。在颗粒流数值平台上实现了具有骨料开裂功能的数字混凝土单轴压缩虚拟实验,通过砂浆和C15混凝土的抗压和抗拉强度实验、弹性模量实验、砂浆骨料界面粘接强度试验,测定了数值模型中需要的砂浆、骨料强度和变形参数。设计了砂浆、1-3、1-4和1-5粒组骨料混凝土虚拟单轴实验,并对其破裂形态、裂纹扩展过程、应力应变曲线和破裂能量演化规律进行了分析,发现:骨料对混凝土材料强度和变形特性具有明显的增强特性,且有阻止裂纹扩展的作用,骨料越大,改变裂纹扩展的作用越强,微裂纹多绕骨料产生和发展;骨料粒径范围越大,越容易形成架空结构,造成局部不稳定,会影响增强效果,造成应力应变曲线峰值附近的波动,形成次稳定和多级强化;数值实验测试结果落在砂浆和骨料测试强度之间,具体值与体积比和骨料结构稳定性有关,大致与体积比对应的分担比成换算关系,这种换算关系的精度与骨料粒径范围成反比。     

正弦荷载作用下的混凝土试件裂纹演化分析

为了研究大体积混凝土在地震荷载作用下的内部应力变化和裂纹的演化规律,文中应用混凝土小试件从细观角度研究,将混凝土材料当作由骨料和砂浆两种不同性质的材料组成的复合材料,试件顶部施加正弦荷载.通过数值模拟和CT试验研究两种方法分析在正弦荷载作用下混凝土试件裂纹演化规律,得出混凝土试件在周期循环荷载作用下随着荷载的变化内部应力同步变化.结果表明:试件内部裂纹沿着骨料和砂浆之间的接触面即强度薄弱面萌生,且裂纹发展方向多样;随着循环动力作用,混凝土材料内部惯性力增大,能量集聚增多,裂纹追随能量释放最短路径发展,裂纹急剧发展,开裂速度极快,开裂路径贯穿高强度骨料,且极短.裂纹由穿越薄弱面转化为穿越骨料.     

含单个孔洞大理岩裂纹扩展细观试验和模拟

采用扫描电镜实时观测系统,对含单个孔洞大理岩进行了单轴压缩试验,实时观测了大理岩加载过程中裂纹的萌生、扩展、演化和贯通特征,获得了不同应力下大理岩裂纹扩展过程,试验结果表明:大理岩裂纹首先在孔洞周边的拉伸应力集中区域产生,随后沿加载方向或晶粒边界逐渐向试样端部或边界薄弱部位扩展.考虑岩石材料非均质性,采用岩石破裂过程分析系统,进一步对两种非均质岩样进行了数值模拟分析,模拟结果再现了两种晶粒大理岩试验过程中裂纹的扩展特征.试验和模拟得到的裂纹扩展规律吻合较好,非均质性(晶粒及其尺寸)对岩样中裂纹扩展特征具有较大的影响.     

再生混凝土细微观结构和破坏机理研究

再生骨料相当于天然骨料表面附着了一层老砂浆,老砂浆力学性能相对天然骨料较差,造成了再生混凝土内界面过渡区的数量、分布和性能的不同,从而影响了再生混凝土的力学性能.首先通过试验方法研究了再生混凝土中老砂浆的含量和分布;利用扫描电镜考察了新老界面过渡区形貌的异同,分析了老砂浆对界面过渡区的影响;采用有限元软件ANSYS对再生混凝土细观结构的受力特征和破坏机理进行了初步分析.最后利用不同强度等级的废旧混凝土加工成再生粗骨料,制备成再生混凝土,测试其抗压强度和劈裂抗拉强度,验证了再生混凝土受力的破坏机理.     

开裂混凝土中氯离子扩散行为的细观数值模拟

为了研究氯离子在开裂混凝土中的扩散性能,考虑混凝土细观结构的非均质性,将含有裂纹的混凝土试件视为由砂浆基质、骨料、界面过渡区以及裂纹组成的四相复合材料,建立了带有单条裂纹的二维细观有限元模型.数值模型中,骨料不具有渗透能力,砂浆基质和界面中的氯离子扩散性能由水灰比确定,裂纹相中氯离子扩散系数与裂纹宽度的定量关系由文献中已有试验数据的拟合获得.研究了骨料分布形式对氯离子扩散行为的影响,分析并探讨了不同裂纹宽度下混凝土中的氯离子扩散行为.数值结果与试验数据的良好吻合说明了该方法的准确性.研究结果表明:骨料的随机分布形式基本不影响混凝土中氯离子的扩散行为;裂纹宽度小于50μm时,混凝土中氯离子的扩散行为基本不受裂纹的影响;裂纹宽度介于50~170μm时,氯离子的扩散随裂纹宽度增大而明显加剧;裂纹宽度大于170μm时,氯离子在裂纹附近的扩散趋于二维扩散形态.     

混凝土材料细观结构断裂数值模拟

在细观层次上，应用蒙特卡洛法，在二维平面上建立了混凝土多边形骨料随机分布结构模型。对该模型采用有限元方法，根据最大周向正应力准则，以混凝土三点弯曲梁试件为例，进行了开裂过程的模拟，得出了裂纹在基质、骨料及界面中的扩展路径。仿真分析表明，混凝土试件的承栽能力随着组成骨料粒径的不同而变化，中对此进行了讨论。     

基于离散元方法的沥青混凝土断裂机理分析

为了从细观角度深入分析沥青混凝土的断裂机理,根据概率理论,建立了集料质量级配与二维数量级配的关系,并通过计算机随机投放技术生成了具有2种不同沥青膜厚度的沥青混合料二维数字试件;利用离散元方法,模拟了沥青混合料小梁试件的断裂过程,分析了沥青砂浆抗拉强度、砂浆与集料黏结强度和沥青膜厚度对沥青混合料断裂过程的影响.结果表明:对于沥青膜较厚的沥青混合料而言,起裂阶段和扩展阶段的裂纹主要出现在沥青砂浆中,沥青砂浆的抗拉强度是影响混合料断裂的主要因素;当沥青膜较薄时,起裂和扩展阶段的裂纹在沥青砂浆内部和砂浆与集料界面中都有发现,砂浆抗拉强度决定着混合料的破坏应力和应变,砂浆与集料的黏结强度决定着混合料裂纹扩展的速率.     

泥岩实时细观破坏过程及其声发射事件产生机制研究

利用自制的与CT系统和声发射系统配套的加载装置,研究了泥岩在破坏过程中裂纹、孔隙等变化规律及与声发射事件之间的关系.研究表明:从CT图像可以观测到不同加载阶段试件中微裂纹闭合、扩展、分叉等细观损伤活动,声发射事件的空间分布规律很好地反映了内部微破裂、微裂纹的演化过程,定位结果与裂纹发育区域较一致.破坏模式不同反映了破坏过程和破坏机理的不同,破坏从规模较大的原生微裂纹处起裂,起裂载荷约为峰值载荷的80%,无原生裂纹区域和含坚硬夹层区域发生突发性脆性破坏,坚硬夹层对破坏模式起控制作用.声发射事件主要来源于加载初期新生裂纹的形成、原生裂纹的压密及裂纹的稳定扩展,此时声发射信号为突发型.裂纹的起裂和非稳定扩展过程不能形成声发射事件,此时声发射信号为连续型.能量累积陡增是裂纹起裂、分叉及宏观破坏的标志.