混凝土氯离子扩散系数预测的三相复合圆—格构模拟方法

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的三相复合圆—格构模拟方法.基于骨料分布的体视学分析,给出了界面面积百分数的解析算法.应用能量等效原理,导出了梁单元和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.将混凝土模拟成三相复合圆,应用格构模拟方法确定每一个梁单元的刚度矩阵,并计算混凝土氯离子扩散系数.在数值方法的有效性得到试验结果的证实后,定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数、骨料级配和界面厚度对混凝土氯离子扩散系数的影响.     

混凝土氯离子扩散系数预测的两步解析法

针对现有混凝土氯离子扩散理论模型的不足,提出了混凝土氯离子扩散系数预测的两步解析 法．将混凝土看成一种是由骨料、水泥石基体和界面组成的三相复合材料,基于非均匀界面模型,估 算出水泥石基体和界面的水灰比、水化度和氯离子扩散系数,然后根据微分有效介质方法,提出了 混凝土氯离子扩散系数的简单解析解．做了一组混凝土氯离子扩散试验,通过与试验结果比较初步 证实了所提出的两步解析法的有效性．最后通过敏感性分析量化了影响混凝土氯离子扩散系数的 两个主要因素,结果表明：随着水灰比增大或骨料体积分数减小,混凝土氯离子扩散系数增大．     

混凝土中氯离子渗透的试验与细观数值分析

采用试验研究与数值模拟相结合的方法,从细观角度研究了粗骨料含量、界面区和孔隙率等对混凝土中氯离子渗透性能的影响。通过氯离子扩散系数快速测定RCM试验和压汞试验,分析了不同粗骨料含量、水胶比、孔隙率与氯离子扩散系数的关系;通过编写程序建立混凝土细观随机骨料模型,进而对氯离子的扩散性能进行数值模拟,分析了粗骨料含量和界面区等细观参数对氯离子渗透扩散的影响。结果表明：数值模拟与试验结果吻合性较好,验证了细观数值模型的有效性;氯离子扩散系数随粗骨料含量的增加而降低;混凝土孔隙率随水胶比的增加而增大,进而增加混凝土的渗透性;混凝土的渗透性能随着界面区厚度和界面区扩散系数的增加而增大。     

再生混凝土抗氯离子渗透的五相细观数值模拟

考虑到再生混凝土微细观结构的非均质性,建立了包括新、旧界面过渡区,新砂浆、旧粘结砂浆和天然骨料的再生混凝土五相模型。基于Monte Carlo理论,借助MATLAB软件平台开发了更贴近实际的再生混凝土凸多边形粗骨料分析模型。模型计算结果与试验结果相近,证明五相凸骨料细观模型能较好地预测再生混凝土中氯离子的渗透行为,进而定量分析了再生骨料混凝土特性因子对氯离子渗透的影响。研究结果表明:当再生粗骨料体积分数由0增至50%时,氯离子扩散系数和扩散深度分别增加102.0%和23.9%;当界面过渡区厚度从25μm扩大至100μm时,氯离子扩散深度和扩散系数分别增加13%和37.0%;当再生粗骨料含量较大时,旧粘结砂浆的增加会显著降低再生混凝土抗氯离子渗透性能,旧砂浆粘结率从0.1增加到0.4,氯离子扩散系数增加18.2%;新、旧界面过渡区和旧粘结砂浆是影响再生混凝土抗氯离子渗透能力的根本原因。     

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.     

混凝土真实细观模型的生成及氯离子传输的数值模拟

基于改进的遗传算法和8邻域边界跟踪法,对混凝土断面的数字图像进行处理,得到二值图像并提取粗骨料的边界坐标;根据提取的坐标编写程序,生成浆体集料界面过渡区（ITZ）,得到真实的混凝土细观模型;将得到的混凝土细观模型导入COMSOL软件,模拟海洋水下区氯离子侵入混凝土内部过程,得到不同时刻混凝土内部氯离子浓度云图。研究结果表明：使用的建模和模拟方法所得结果与长期实海暴露混凝土实验结果一致,可以用来研究和评价海洋环境下混凝土的耐久性能;ITZ的存在会加速氯离子向混凝土内部扩散,其厚度越大,扩散过程越快,界面区厚度增大1倍,混凝土表观氯离子扩散系数增大12.3%;对比真实混凝土细观模型与参数化生成的圆形随机骨料模型中氯离子传输模拟结果发现,圆形随机骨料模型中氯离子的浓度总是小于真实细观模型中氯离子的浓度。     

基于细观层次的混凝土抗压强度与尺寸效应的数值模拟

为了实现混凝土试件抗压强度与尺寸效应的仿真计算分析,在细观尺度下,把混凝土看作是由砂浆、粘结带和骨料组成的三相复合材料,细观尺度下的各相物理力学参数都以试验数据为依据,用随机骨料模型代表混凝土细观结构,利用有限元法和混凝土细观力学的本构关系,借助于计算机强大的运算能力,对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟.通过计算发现:...     

数值建模方法对混凝土靶板侵彻过程的影响

混凝土靶板侵彻过程中,弹丸通常会受到骨料及砂浆带来的非对称力作用,导致弹丸质量非对称磨蚀,造成弹丸偏转,影响精确打击目标的效果。从细观组成出发,将混凝土看作是由骨料、砂浆和二者之间的界面过渡区构成的三相复合材料。介绍了3种不同类型随机骨料模型的程序语言实现方法及各自的建模特点,结合连续介质模型,采用动力学分析软件LS-DYNA对S.J.Hanchak的部分混凝土靶板侵彻试验进行了数值模拟,考察了细观组成对弹丸剩余弹速及偏转角的影响,为细观力学层次上混凝土靶板侵彻问题数值模拟方面的研究提供一定参考。     

轻骨料混凝土断裂行为的细观数值模拟

基于细观尺度,将轻骨料混凝土看作由轻骨料、砂浆基质、两者之间的粘结界面层和气泡组成的四相复合材料。采用蒙特卡罗方法,随机生成轻骨料与气泡的位置和大小数据,在有限元计算软件ANSYS中建立二维的轻骨料随机分布数值模型,再将该模型导入ABAQUS中,在任意相连的两单元之间插入零厚度粘结单元,在单轴拉伸和压缩载荷作用下得到轻骨料混凝土数值试件的裂缝扩展路径及破坏形式。结果表明:通过该方法建立的数值模型,可模拟得出轻骨料混凝土试件的裂缝扩展路径,从而有助于在细观尺度上对轻骨料混凝土的力学性能进行深入研究。     

混凝土随机损伤本构关系的数值模拟研究

从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibull分布的随机力学参数（弹模、强度和泊松比等）并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示,本文提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。     

基于多场耦合模型的混凝土冻融三维细观研究

基于蒙特-卡洛理论和工程粗骨料粒径分布情况,将骨料形状简化为球形,应用Matlab与Comsol Multiphysics接口进行二次开发,以生成区分骨料、界面过渡区（ITZ）和砂浆的混凝土三相三维细观模型. 采用改进的热-水-力耦合模型,将耦合模型与物理试验进行验证分析,结果吻合较好. 将该耦合模型应用于研究冻融作用下混凝土三维细观尺度的性能演化规律. 研究结果表明,当渗透率较高时,试件整体第一主应力急剧减小,且出现骨料受压而砂浆受拉的情况;当骨料体积分数增大时,试件应力整体呈现下降趋势. 砂浆渗透率和骨料体积分数对混凝土抗冻融性能的影响较大. 不同的ITZ线膨胀系数下混凝土应力变化不大,说明ITZ线膨胀系数对混凝土抗冻融性能的影响相对较小.     

考虑界面过渡区及集料因素的水泥基材料碳化模型

集料和界面过渡区对水泥基材料抗碳化性能有显著影响。基于Fick第二定律,提出一种考虑集料和界面过渡区影响的CO₂扩散模型,模型中首次引入界面过渡区的扩散系数并给出相应参数的计算方法,并基于质量守恒定律给出CO₂反应模型,利用该模型研究荷载作用下C30和C50混凝土中CO₂的浓度分布。结果表明,考虑集料和界面过渡区影响能更准确地计算CO₂在水泥基材料中的扩散系数及碳化深度值。通过与文献中的试验数据进行比较,进一步验证了理论模型的可靠性。模型将集料和界面过渡区作为评价混凝土耐久性的重要因素,为钢筋混凝土结构的设计和寿命预测提供依据。     

相邻钢筋非均匀锈蚀引发混凝土保护层开裂的细观数值模拟

对2根相邻钢筋非均匀锈蚀膨胀引发的混凝土保护层破坏行为进行了细观数值模拟研究;考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,以施加强制位移的方式模拟钢筋的非均匀锈胀作用,建立了混凝土保护层开裂分析的细观尺度数值模型,并进行了影响参数分析。结果表明：细观数值模拟结果与已有文献中的试验结果吻合良好;相邻钢筋非均匀锈蚀时会发生内部裂纹相互贯通先于和落后于外部开裂2种破坏模式;钢筋直径不是影响混凝土保护层破坏的主要参数;混凝土保护层厚度主要影响外部开裂的发展;钢筋间距则主要控制内部裂纹的相互贯通。     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

碾压混凝土直剪力学性能的数值模拟

为从细观结构上研究碾压混凝土的直剪力学性能,采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,在细观层次上将碾压混凝土看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆体、粗骨料颗粒、二者间的黏结带和砂浆层面构成的三相非均质复合材料;利用有限元方法数值模拟碾压混凝土的细观损伤断裂和直剪,对其抗剪参数进行了研究.结果表明:层面和黏结带是碾压混凝土直剪破坏的薄弱环节,所采用的数值模拟计算方法基本可行.     

离岸混凝土氯离子扩散系数的人工神经网络模型

为研究人工神经网络在离岸混凝土氯离子渗透中的应用,从已有文献中选用653组数据,建立网络结构为13-27-1的模型进行训练、预测。研究结果表明:人工神经网络能有效预测离岸混凝土中的氯离子扩散系数;水灰比,水泥、减水剂、外加剂(粉煤灰、矿渣、硅灰)、骨料的含量以及混凝土的抗压强度、养护机制、试验方法、暴露时间和暴露环境均会对氯离子扩散系数产生影响。     

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.