骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

基于细观模拟的轻骨料混凝土动态压缩破坏及尺寸效应分析

轻骨料混凝土由于其轻质及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,采用塑性损伤本构关系模型,考虑应变率效应的影响,建立了对应的细观随机骨料模型,研究了轻骨料混凝土在动态压缩作用下的破坏行为及尺寸效应规律。发现：随着应变率的增加,惯性效应逐渐成为主导效应,动态压缩强度的尺寸效应逐渐被削弱,达到临界应变率时,尺寸效应被完全抑制。此外,结合率效应影响机制与规律,揭示了轻骨料混凝土动态压缩强度的尺寸效应机理,建立了“静动态统一”的尺寸效应半经验-半理论公式。     

混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度尺寸效应的细观数值分析

混凝土作为非均质材料,其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应。该文在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆和二者界面过渡区组成的三相复合材料,采用刚体弹簧元数值方法模拟了混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度的尺寸效应,并与已有的试验结果进行了对比验证。结果表明：劈裂加载的试件破坏形态和劈裂抗拉强度与试验结果均具有良好的一致性,并且小尺寸试件所表现出的尺寸效应要明显于大尺寸试件;对不同尺寸四点弯曲钢筋混凝土梁开展细观数值分析得到跨中截面混凝土的弯曲抗压强度,随着梁有效高度的增加,名义弯曲抗压强度整体上呈现降低的趋势,但当梁有效高度大于240mm时趋于稳定。     

轻骨料无腹筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应:细观模拟

轻骨料混凝土具有轻质、高强及保温隔热性能好等优点,被广泛应用于工程结构中。采用细观数值模拟方法,将普通及轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了无腹筋混凝土梁剪切破坏行为模拟的三维细观力学分析模型,研究了不同尺寸普通及轻骨料无腹筋混凝土悬臂梁在单调加载下的剪切破坏模式与失效机制,揭示了名义剪切强度的尺寸效应规律。此外,结合模拟结果对相关设计规范抗剪承载力计算公式的准确性和安全性进行了初步探讨。研究结果表明:区别于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁由于骨料强度较低而首先发生破坏;不同尺寸混凝土梁的剪切破坏模式基本一致,梁的名义剪切强度展现出明显的尺寸效应;相比于普通混凝土梁,轻骨料混凝土梁剪切破坏表现出具有更强的尺寸效应。     

塑钢纤维轻骨料混凝土细观破坏过程的数值模拟

为从细观结构上研究塑钢纤维轻骨料混凝土的破坏机理,通过ANSYS有限元分析软件进行二次开发建立了塑钢纤维轻骨料混凝土模型,采用"生死单元"技术描述了各相材料的裂纹开展形态,模拟了塑钢纤维轻骨料混凝土抗压和劈裂抗拉试验。对轻骨料混凝土与塑钢纤维轻骨料混凝土的裂纹演变过程进行了比较,结果表明:在抗压试验中轻骨料混凝土裂纹最先出现在轻骨料中,随着荷载的增大,裂纹扩展到界面和砂浆中,并与相邻轻骨料的裂缝贯通;而对于塑钢纤维轻骨料混凝土,由于塑钢纤维的掺入,改变了轻骨料混凝土裂纹的扩展路径,提高了轻骨料混凝土的延展性,起到抑制裂纹扩展的作用。在劈裂抗拉试验中,对于塑钢纤维轻骨料混凝土,大部分塑钢纤维被拉断,只有一小部分被拔出。这与宏观试验结果基本一致。     

三维混凝土细观模型构建与骨料形态对氯离子扩散影响的数值研究

氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的首要因素,而骨料自身特性对氯离子在混凝土中的传输行为有重要的影响。本工作提出了一种高效构建细观尺度下混凝土三维几何模型的方法,能够实现工程中常见碎石、卵石和片状骨料的生成和投放。将生成的几何模型进一步应用于氯离子扩散行为预测,并与第三方试验结果进行对比,验证了其可行性与准确性。本工作所提出的三维混凝土细观模型能够实现混凝土几何参数的精细控制,能够对骨料形状、体积分数、粒径以及连续级配等骨料形态学特征对氯离子传输的影响进行较全面的量化分析。此外,本工作还探究了实际中因振捣而导致的骨料不均匀分布对氯离子传输性能的影响。结果表明骨料的曲折度和体积分数的增大会降低氯离子的扩散速率;骨料级配连续的混凝土中小粒径骨料可填充在大粒径骨料的间隙中,相比于单一骨料级配的混凝土,其抗氯性能更高;混凝土振捣而产生的骨料不均匀分布对混凝土耐久性的影响同样不可忽视。     

考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型

混凝土宏观力学性能与其内部细观结构构造密切相关。该文建立了一类能够考虑细观组分影响的混凝土宏观力学性能理论预测模型。首先,采用细观力学数值试验法对理论模型中的参数进行了标定;进而,基于该模型对混凝土断裂能和单轴抗拉强度在材料层次的尺寸效应行为进行了分析。结果表明：混凝土断裂能和单轴抗拉强度均随骨料级配（即最大骨料粒径）发生变化,且受到界面特性的影响。当界面过渡区力学性能相对薄弱时,混凝土强度较低,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大而呈现减小的趋势;当界面过渡区力学性能较强时,混凝土强度较高,断裂能和单轴抗拉强度随骨料级配增大亦呈现增大的趋势。计算结果与试验结果吻合良好,验证了该文建立的理论预测模型的准确性和合理性。     

基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究

关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善,然而受试验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究.同时作为组分特殊的一种混凝土材料,碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义.将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料,建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件...     

考虑骨料尺寸的混凝土岩石边界效应断裂模型

该文比较了边界效应模型（BEM）和尺寸效应模型（SEM）在研究材料断裂性能方面的不同。提出了由处于准脆性断裂状态的三点弯曲试件的峰值荷载P_max,同时确定材料参数--断裂韧度K_IC与拉伸强度f_t的理论与方法。由于实验室条件下混凝土试件高度W与骨料最大粒径d_max的比例W/d_max约为5~20,试件的非均质性明显,破坏为准脆性断裂控制。因此,区别于以连续介质力学为基础的应用于准脆性断裂研究的力学模型,该文研究将骨料最大粒径d_max引入相应的断裂模型解析表达式中,由参数组合β d_max来计算结构峰值状态对应的裂缝扩展量,通过离散参数β的不同取值,实现了对材料参数--断裂韧度与拉伸强度的准确预测。基于不同学者的相同尺寸W而不同初始裂缝长度a₀,以及相同初始缝高比a₀/W而不同尺寸W的几何相似的砂浆、混凝土及岩石类材料试件的试验成果（骨料最大粒径d_max从1.2 mm~40 mm变化）,验证了所提理论与方法的合理性。     

基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究

在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率（1×10^-5 s^-1~2×10² s^-1）及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明：混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率（约为1 s^-1）,即：低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂预测模型及应用

基于对准脆性断裂边界影响模型参数的分析,该文将平均骨料粒径d_ave引入模型中,得到了考虑骨料体积含量及尺寸影响的混凝土准脆性断裂预测模型。模型中的有效裂缝与特征裂纹的比值,明确表征了三分点加载单边切口梁(SENB)试件的尺寸及初始缝长度变化时服从的断裂失效准则;模型中d_ave及分散系数β_ave将影响最大荷载P_max作用下临界微裂纹扩展区的平均虚拟裂纹长度Δa_fic。通过SENB试件在P_max时的受力分析,得到了临界正应力σ_n、有效裂缝长度a_e、拉伸强度f_t及断裂韧度K_IC之间的关系式。通过Amparano的试验结果,当a_fic为0.8~1.4倍d_ave时,采用混凝土准脆性断裂模型能较好预测混凝土拉伸强度及断裂韧度。通过对Δa_fic=1.2d_ave时模型得到的预测曲线与试验结果的对比,证明了模型计算结果的可靠性。考虑骨料体积含量影响的混凝土准脆性断裂模型能基于RILEM规范中三分点加载SENB试验预测混凝土断裂韧度与拉伸强度。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10^-5 s^-1~1 s^-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研究及强度变化机理

利用大型液压伺服试验机研究了不同加载速率下饱和混凝土与干燥混凝土的劈拉强度变化情况,试验研究表明:在准静态加载时,与干燥的混凝土相比饱和混凝土的劈拉强度有所降低,随着加载速率的升高,饱和混凝土的的动态劈拉强度有较大的提高。通过对干、湿混凝土强度变化的比较表明:孔隙及裂缝中的自由水对混凝土强度有所影响。根据细观层次上、不同加载速率下裂纹中孔隙水压力的作用形式(即低加载率时孔隙水的“楔入”作用和高加载率时的“Stefan效应”),利用断裂力学来探讨不同加载速率下饱和混凝土劈拉强度的变化机理。结果表明:提出的机理可以较好地解释饱和混凝土强度的变化情况。     

基于水泥水化度的混凝土早期力学性能发展预测

实验测量了3个强度等级混凝土(28d抗压强度分别为30MPa,50MPa和80MPa左右)在不同养护条件下典型龄期的P-CMOD曲线,借助断裂力学方法,获得了相应的混凝土开裂强度、抗拉强度和抗弯强度及其随龄期的发展规律,分析了养护条件对混凝土力学性能发展的影响。考虑混凝土内部湿度对水泥水化度的影响,对干燥环境下水泥水化度进行了修正,建立了基于水泥水化度的混凝土开裂强度,抗拉强度和抗弯强度的预测模型。