混凝土材料的细观结构数值模拟与性能分析

在细观上将混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆和界面三相介质组成的复合材料,根据体视学原理并应用蒙特卡洛方法模拟出混凝土的二维圆形骨料分布;应用理论公式计算出界面厚度,并将界面看作是包围在骨料外面的一层圆环,在细观上模拟生成混凝土的三相组成;基于骨料随机模型,应用有限单元法提出了混凝土稳态氯离子扩散系数的计算方法并与试验结果进行了对比。结果表明,该模型用于计算混凝土稳定氯离子扩散系数是有效的。     

双轴受压下再生混凝土氯离子扩散规律

为了研究复杂应力状态下再生混凝土的氯离子传输特性,首先通过破碎不同水灰比的母体混凝土得到不同性能的再生粗骨料,并对天然混凝土和不同性能再生混凝土进行双轴受压试验。然后利用电场加速氯离子扩散和双轴受压装置测试了不同类型再生骨料混凝土和天然骨料混凝土在不同应力水平和不同应力比下的氯离子扩散系数,并利用压汞仪测试了混凝土内部的微观孔隙结构。最后建立了考虑双轴应力水平、再生骨料吸水率和粗骨料体积分数的再生混凝土氯离子扩散系数理论模型,并进行了试验验证。结果表明:来自不同母体混凝土的再生骨料中的附着老砂浆具有不同的孔隙结构,再生混凝土中老砂浆的孔隙率随着母体混凝土水灰比的增加而变大,进而影响再生混凝土的氯离子扩散性; 应力比相同时,随着双轴受压应力水平的增加,再生混凝土氯离子扩散系数普遍呈现先下降再上升的趋势,在应力水平约为0.5时再生混凝土氯离子扩散系数出现最小值; 在双轴受压荷载作用下,母体混凝土水灰比分别为0.4,0.5,0.6的再生混凝土氯离子扩散系数最多分别下降到无荷载时的0.76%,0.78%,0.78%。     

混凝土Cl-扩散系数预测的有限元方法

提出了预测混凝土Cl^-扩散系数的有限元方法．将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过比较两种典型的单元细胞模型,说明了圆形单元细胞模型在混凝土模拟方面的优越性．由于界面厚度远小于骨料尺寸,采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞,应用有限元方法获得了混凝土Cl^-扩散系数的数值解．将数值结果与实验数据进行比较,验证了该方法的有效性．基于数值结果,定量评价了最大骨料粒径、界面Cl^-扩散系数、界面厚度和骨料级配对混凝土Cl^-扩散系数的影响．     

压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟

将外荷载作用的影响等效为外荷载引起的混凝土孔隙率的改变,来研究其对混凝土中氯离子扩散特性的影响,提出了压缩荷载作用下非均质混凝土氯离子扩散行为的细观模型.首先对混凝土在压缩荷载作用下的力学行为进行模拟分析;然后,将荷载作用后的"结果输出"作为氯离子扩散模拟的"初始输入"条件,以单轴压缩荷载为例,将混凝土看作由骨料、水泥浆体基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土在力学与物理耦合作用下的细观模型,研究了压缩荷载对混凝土中氯离子扩散特性的影响,得到了氯离子有效扩散系数与压缩应力水平之间的关系式,揭示了压缩应力水平的影响规律.     

混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型;应用能量等效原理,导出了格构梁和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.基于模拟所得的骨料分布和格构梁与骨料之间的相对位置,确定了每一个格构梁单元的刚度矩阵.通过有限单元分析,获得了混凝土氯离子扩散系数;定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数和骨料级配对混凝土氯离子扩散系数的影响.基于数值结果,发现混凝土氯离子扩散系数随着最大骨料直径的增大而减小;随着界面氯离子扩散系数的增大而增大;骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有较大影响.     

模型再生混凝土氯离子非线性扩散细观仿真

考虑再生混凝土Cl-结合的非线性,对再生混凝土的二维Cl-扩散性进行仿真模拟分析,研究了再生混凝土的Cl-扩散特性.通过变化再生粗骨料取代率、老界面Cl-扩散系数、浸泡时间和老砂浆厚度等相关参数,对再生混凝土的Cl-单向扩散性能进行了对比分析.结果表明：再生混凝土内部Cl-浓度（质量浓度,下同）非均匀分布,Cl-非线性结合对其扩散影响显著,再生混凝土Cl-浓度沿着扩散深度呈波浪式下降,再生粗骨料取代率、浸泡时间和老砂浆厚度等因素的变化对Cl-浓度的影响随着扩散深度的增加而逐渐变大,且在界面过渡区的影响较为明显.     

混凝土界面面积分数和渗流阈值与应用(Ⅱ)——弹性模量预测

基于所获得的界面面积分数,提出了混凝土弹性模量预测的三相复合圆模型.在细观水平上将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过求解轴对称平面应变问题,获得了三相复合圆模型位移和应力的解析解.利用位移和径向应力的连续性条件,导出了混凝土平面应变体积模量的闭合解.通过与实验结果比较,证实了三相复合圆模型的有效性.定量讨论了最大骨料粒径、界面弹性模量和界面厚度对混凝土弹性模量的影响,结果发现,对于给定的骨料面积分数,混凝土弹性模量随着最大骨料粒径和界面弹性模量的增大而增大,但随着界面厚度的增大而减小.     

混凝土的耐钻磨性研究及数学模型

研究了水泥石和骨料的显微硬度以及骨料体积分数对混凝土耐钻磨性和抗压强度的影响,探索了影响混凝土耐钻磨性的主要参数,并基于两相复合材料理论建立了混凝土耐钻磨性的数学模型.结果表明:在各组分显微硬度和骨料体积分数分别变化时,混凝土耐钻磨性和抗压强度之间并不一直存在线性关系;各组分显微硬度及其体积分数是影响混凝土耐钻磨性的主要参数;根据混凝土耐钻磨性的数学模型得出的预测硬度与实测硬度偏差大都在20%以内,验证了所提模型的合理性.     

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。     

早龄期混凝土氯离子扩散试验研究

通过试验研究了养护时间、骨料级配、水灰比、骨料体积含量和最大骨料直径对早龄期混凝土氯离子扩散系数的影响。结果表明,早龄期混凝土氯离子扩散系数随着养护龄期的增大而减小,但随着水灰比的增大而增大;早龄期混凝土氯离子扩散系数随着骨料体积含量和最大骨料粒径的增大而减小;也发现骨料级配对早龄期混凝土氯离子扩散系数有一定的影响。     

含钡硫铝酸盐水泥混凝土的抗渗透性能研究

通过对含钡硫铝酸盐水泥混凝土的抗压强度、抗渗性能及氯离子扩散系数的测定,同时借助SEM,压汞仪等测试手段,研究和分析了含钡硫铝酸盐水泥混凝土的水化过程及抗渗透性机理.结果表明,与硅酸盐水泥混凝土相比,含钡硫铝酸盐水泥混凝土具有较低的孔隙率和更合理的孔径分布,致密度高,抗压强度高,抗渗透性能优良.     

水泥石氯离子扩散系数预测的有限元方法

提出了水泥石氯离子扩散系数预测的二维数值方法。首先，根据混凝土的试验结果给出了水泥石有效孔隙率与总孔隙率关系的经验公式。然后将水泥石看成是一种由固体相和孔隙所组成的两相复合材料，建立了圆形单元细胞。采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞，然后应用有限元法获得水泥石氯离子扩散系数的数值解。最后，将数值结果与文献中试验数据进行比较，初步验证了二维数值方法预测氯离子扩散系数的有效性。     

混凝土氯离子扩散系数试验研究

采用Cl-电迁移方法、交流电导率测定和Cl-自然扩散方法研究了一系列不同龄期混凝土的Cl-传输特性,分析了影响混凝土Cl-扩散系数的主要因素,比较了混凝土的交流电导率与Cl-扩散系数的关系以及电加速对Cl-扩散系数的影响.结果表明,在饱水状态下,混凝土的孔隙率和孔结构是影响其Cl-扩散系数的主要因素.混凝土的交流电导率不能直接与Cl-扩散系数相互换算,Cl-电迁移试验结果接近自然扩散试验结果的4倍,而自然扩散箱试验更接近自然扩散过程.电加速试验结果应根据自然扩散试验进行修正.     

体积分数对梯度结构混凝土扩散系数影响研究

通过室内氯离子侵蚀加速试验及氯离子分布测试,结合Fick第2定理拟合出梯度结构混凝土（GSC）的氯离子浓度扩散系数,以研究面层体积分数、加速试验龄期对扩散系数的影响;采用压汞技术测试面层材料与结构层材料的孔结构参数,分析氯离子扩散系数与孔结构之间的关系。结果表明：GSC体系的氯离子扩散系数随面层体积分数的增加而下降,并逐渐趋于平缓;GSC体系氯离子扩散系数则随加速试验龄期的延长而减小,最后也趋于稳定;与面层体积分数V=0试件相比,其它GSC试件具有更大的时间衰减系数值,说明其抵抗氯离子侵蚀的能力更好。最后根据相似性理论,建立了考虑面层体积分数变化的GSC氯离子扩散系数时变模型,分析显示,与结构层材料相比,面层材料具有较低的孔隙率及最可几孔径,使得孔的曲折性越大、连通性越低,因而面层材料具有更低的扩散系数。     

混凝土导热系数的试验研究与预测模型

采用防护热板法和瞬态平面热源法测试了粗骨料、水泥砂浆和混凝土的导热系数,考察了砂率、骨料种类及其体积分数、水灰比和饱和度对混凝土导热系数的影响;利用复合材料导热系数模型,分析了饱和/干燥状态下混凝土内水泥砂浆与粗骨料间界面热阻的影响.结果表明:混凝土导热系数随饱和度、骨料体积分数、骨料导热系数的增大而增加,随水灰比的增大而减小;对干燥混凝土导热系数的预测需考虑界面热阻的影响.在假定混凝土固相导热系数随着饱和度线性增大的基础上,提出了基于饱和度影响的混凝土导热系数计算模型.     

荷载损伤后纤维轻骨料混凝土氯离子侵蚀研究

为研究荷载损伤对纤维轻骨料混凝土抵抗氯离子侵蚀性能的影响,设计了掺加聚丙烯纤维、钢 聚丙烯纤维、钢纤维3种轻骨料混凝土,开展了抗拉和抗压试验。分别在40%,60%,80%极限荷载3种拉、压应力水平下持续加载60 s,并测量加载后的残余应变。卸载后将试件切割成直径100 mm、厚50 mm的圆柱体,通过NEL法测定氯离子扩散系数。研究结果表明:混凝土残余应变随着拉、压荷载等级的增大而增大,纤维对轻骨料混凝土极限强度和变形能力提高显著;未施加荷载时,随着纤维的增加,单掺聚丙烯纤维组氯离子扩散系数变小,混掺纤维组基本保持不变,钢纤维组显著增加;施加荷载后,纤维的增加没有显著改善轻骨料混凝土抗氯离子侵蚀能力;残余应变与氯离子扩散系数间存在正相关特性,残余应变越大,氯离子扩散系数越大。     

基于格构模型的水泥浆体离子稳态扩散模拟

首先采用数值模型得到水泥浆体的模拟微观结构,然后将其离散化为像素.根据该离散化微观结构建立具有扩散性能的格构单元组成的三维格构网络,求解固定离子浓度边界条件下通过水泥浆体的离子流量和内部离子浓度分布,并预测材料的扩散系数.在求解离子浓度分布的过程中,比较了差分法和共轭梯度法的优缺点,发现采用共轭梯度法更快捷.最后用稳态氯离子扩散试验验证了该模拟方法的可靠性,并预测了水泥浆体的氯离子有效扩散系数随水胶比和养护龄期的变化关系.     

Petrography evidence of the interfacial transition zone (ITZ) in the normal strength concrete containing granitic and limestone aggregates

Interfacial transition zone (ITZ) is one of the key factors that associated with concrete strength and durability and its characterization has been a crucial parameter in concrete technology. Many previous researchers have conducted various microstructure assessments to evaluate variations in the ITZ and consensually accept that this zone exhibits specific changes in mineralogy and microstructure. Although the previous studies had elaborated the nature of ITZ, but the role of aggregate variation in the development ITZ microstructure in normal strength concrete is still in conclusive. Consequently, in this paper, the ITZ in normal strength concrete has been examined more closely by using three different granitic aggregates and one limestone source. Collectively, this research provide some petrography evidence that in normal strength concrete with a water/cement (w/c) ratio of 0.5, the inclusion of different types of aggregate significantly affected the heterogeneity of the ITZ microstructure. Thus heterogeneity consequences are also verified by the semi-quantitative estimation such as the percentage fraction of porosity, hydrated/unhydrated cement grains, microhardness, orientation index of calcium hydroxide (CH) and thickness.     

Relationship between average pore diameter and chloride diffusivity in various concretes

Since concrete is a heterogeneous composite material which is composed of cement, aggregate, mineral admixture, and so on, the microstructure of concrete is very important to predict transport property associated with the durability of concrete. In this paper, 12 concrete specimens composed of six types of Portland and blended cements with water–binder ratios of 40% and 50% were manufactured to investigate the characteristics of capillary pores using mercury intrusion porosimetry technique and examine measurements of chloride diffusivity in concrete regard to electric potential. The average pore diameter of concretes decreased in the following order: (1) low heat cement, (2) ordinary Portland cement and sulfate resistant cement, (3) blended cement with 40% of slag, (4) blended cement with 60% of slag and, (5) ternary based cement. On the other hand, chloride diffusivity decreased in the following order: (1) low heat cement, (2) ordinary Portland cement and sulfate resistant cement, (4) blended cement with 40% of slag, (3) blended cement with 60% of slag and ternary based cement, indifferently from water–binder ratio. From the result of regression analysis, the chloride diffusivity increased with the average pore diameter presenting a very satisfactory correlation factor exceeding 0.91.     

地下水强酸盐复合腐蚀环境下不同矿物掺合料对水泥砂浆耐腐蚀性能的影响

模拟了贵州地区地下水强酸盐复合腐蚀环境,系统研究了粉煤灰、矿渣粉和硅灰3种矿物掺合料单掺与复掺对水泥砂浆耐腐蚀性能,如耐蚀系数、质量变化率、氯离子相对扩散系数的影响规律,并探讨了地下水强酸盐复合腐蚀环境下水泥砂浆的腐蚀机理。结果表明,与基准砂浆相比,单掺与复掺矿物掺合料均提高了砂浆的耐蚀系数,降低了砂浆后期氯离子相对扩散系数,但增大了砂浆质量损失率。这3项指标从不同角度反映了地下水复合腐蚀环境下水泥砂浆的耐腐蚀性能。