基于XCT扫描图像的混凝土二维细观受压断裂模拟

为了研究混凝土细观层次断裂力学特性,对混凝土试件进行原位XCT扫描,基于扫描图像提出了具有真实内部结构特征的混凝土二维细观模型,并预先在水泥砂浆和骨料-水泥砂浆界面插入零厚度粘结裂缝单元用以模拟潜在的裂缝。通过对该模型进行混凝土单轴受压数值仿真模拟,讨论其裂缝的发展过程以及不同细观结构和相应参数对混凝土断裂损伤行为的影响。结果表明：数值模拟得到的混凝土二维模型抗压强度与试验测得的强度相接近;混凝土的抗压强度受到水泥砂浆和骨料-砂浆界面裂缝单元的绝对数值影响,其中水泥砂浆裂缝单元强度对材料强度起控制作用;骨料-砂浆界面裂缝单元强度与水泥砂浆裂缝单元强度的比率对裂缝衍生发展有显著影响。     

界面初始缺陷对混凝土单轴抗拉强度的影响

为了研究内部微裂纹等初始缺陷对混凝土强度的影响,在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆、界面和界面初始缺陷组成的四相复合材料,建立了考虑界面初始缺陷的混凝土细观数值模型来预测混凝土单轴抗拉强度,讨论分析了界面初始缺陷分布和界面初始缺陷含量对混凝土单轴抗拉强度的影响。数值模拟结果表明:界面初始缺陷分布对混凝土的单轴抗拉强度几乎没有影响;界面初始缺陷含量对混凝土强度影响较大;混凝土的单轴抗拉强度随着界面初始缺陷含量的增大而减小,当界面过渡区的初始缺陷含量从10%增大到50%时,试件的抗拉强度由基准试件强度的94%下降到约60%。     

基于 DIGIMAT 的混凝土等效弹性模量研究

通过解析法和有限元分析法在细观结构上研究了混凝土的弹性模量,并与试验比对进行多尺度分析并验证其可行性。在细观结构上混凝土可作为由水泥砂浆、骨料、界面和孔隙组成的多相复合材料,采用 DIGIMAT 软件建立混凝土细观力学模型。本文基于 DIGIMAT 预测了骨料体积比分别取0. 2,0. 4,0. 6 和 0. 8 时的混凝土等效弹性模量值,并分析了各个细观组成部分对混凝土等效弹性模量的影响。研究结果表明: 解析解和有限元数值解与试验测定值相比产生的误差均较小,但解析解与试验测定值更为接近; 随着水泥砂浆弹性模量的增加,混凝土弹性模量随之增加; 随着骨料纵横比的增大,混凝土弹性模量呈下降趋势; 孔隙率增加,混凝土弹性模量减小,界面层厚度增加,混凝土弹性模量也随之减小。研究成果可用于预测混凝土的等效弹性模量。     

基于细观层次的混凝土随机骨料建模

在细观层次上,将混凝土视为由骨料、砂浆和二者之间的界面层构成的三相复合材料,而界面层是混凝土的最薄弱环节,也是混凝土抗拉强度低的主要原因。基于MATLAB软件生成圆形、多边形和椭圆形3种随机骨料模型,并生成一定厚度的骨料界面层,结合有限元软件ABAQUS划分界面层单元,建立二维混凝土细观数值模型。通过算例表明骨料投放算法简单,模型真实可靠。通过引入界面层并对其进行网格剖分,对多边形骨料模型进行单轴拉伸试验,得到的应力-应变曲线基本符合宏观混凝土单轴拉伸试验结果,为后续研究混凝土的损伤断裂机理提供了数值模拟基础,并且有效地解决了MATLAB,AUTOCAD和有限元软件之间的接口问题。数字模拟生成的多边形骨料分布情况占有率与真实骨料最接近,可用作混凝土的损伤断裂机理分析。     

三级配混凝土劈拉强度二维细观数值模拟

为从细观结构上研究混凝土劈裂抗拉强度,通过自编程序建立混凝土细观模型,采用混凝土损伤塑性模型描述细观各相材料的损伤演化。利用有限元技术数值模拟三级配混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉强度,探讨了不同骨料分布、骨料形状、垫条宽度及界面厚度对劈裂抗拉强度的影响。结果表明:不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度略有影响,但数值模拟结果均在试验统计范围内,且与文献资料中给定的试验结果相符。按照现行试验规程选取垫条宽度时,可以有效地缓解加载部位应力集中现象,使劈拉强度接近真实混凝土强度。骨料粘结界面厚度越小,混凝土劈拉极限强度越高。     

层合界面单元在混凝土细观数值模拟中的应用

为了解决混凝土细观数值模拟中单元数量过多、计算效率不高的问题,提出了层合界面单元的概念。在交叠骨料微步长迭代自动调整算法的基础上,采用任意凹凸型骨料随机配置模型,生成了混凝土细观数值试件。通过对主要影响因素进行组合分析,建立了层合界面单元模型。同时,分析了界面单元中不同材料组分比例及界面厚度对该单元力学性质的影响,进而研究了界面单元对混凝土试件宏观表征强度的影响,并用数值算例验证了模型的有效性。数值算例表明,所建立的层合界面模型较为合理地模拟了混凝土界面过渡区对试件力学性能的影响,揭示了界面强度变化对混凝土试件强度的影响规律。     

不同湿度混凝土动力抗压性能数值模拟分析

本文基于随机骨料建立了二维混凝土的细观数值模型,利用无厚度cohesive单元模拟界面层及基体的损伤,用弹性单元模拟孔隙水,并结合黏性效应、惯性效应,模拟分析了应变率和孔隙含水率对混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响。结果表明:动力分析时混凝土组成材料采用静力参数,考虑了惯性效应与黏性作用后,数值模型可以很好地反映动力荷载作用下混凝土名义动力强度增长因子(DIF)、单轴压缩弹性模量和峰值应变随应变率增加而增加的宏观现象,以及随着孔隙含水率增加混凝土静动态抗压强度线性减小、DIF线性增加、率效应增强的变化规律。以应变率和孔隙含水率为参数,提出了以干燥混凝土静态抗压强度为基准的含水混凝土动态抗压强度的预测公式。     

珠江三角洲供水工程混凝土防渗墙性能研究

塑性混凝土是当前防渗墙使用最多的材料之一,具有极低的弹性模量、抗拉强度高、防水抗渗性能好等特点,能适应较大变形。以塑性混凝土为研究对象,通过室内试验,探究粗骨料含量对塑性混凝土抗压强度、透水性能以及破坏方式的影响,得出最优配合比。结果表明,当粗骨料含量为770.8～1 028.7 kg/m³时,混凝土强度出现明显增长趋势;当粗骨料含量为1 120.6～1 230.8 kg/m³时,混凝土强度出现劣化;随着粗骨料含量增多,混凝土渗透性也逐渐增大。此外,电镜扫描结果表明,骨料和浆体界面结合比浆体和浆体界面结合处存在更多的微细裂缝,界面连接主要以片状水化产物垂直连接,界面结合处水化产物较为疏松,界面连接密实程度比浆体和浆体界面连接要弱。     

基于随机骨料模型的混凝土弹性模量预测研究

为确定混凝土的弹性模量,基于细观层次假定混凝土是由骨料、砂浆和两者之间的粘结界面组成的三相复合材料,借助蒙特卡罗方法和瓦拉文公式,在二维平面上建立了随机骨料模型。通过有限元法预测混凝土的弹性模量,并将数值计算结果与试验结果进行比较,验证了该细观有限元模型的有效性。在此基础上研究了混凝土各细观组成成分的弹性模量、骨料体积率、骨料最大粒径、骨料级配、界面厚度以及孔隙等因素对混凝土弹性模量的影响规律。结果表明:在混凝土的各细观组成成分中,砂浆弹性模量对混凝土弹性模量的影响最大;连续级配的混凝土弹性模量在相同条件下大于间断级配的混凝土;孔隙的存在以及界面层厚度的增大均会使混凝土的弹性模量减小。研究结果为混凝土配合比的设计及力学性能的优化提供参考。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

大容量超高强矿石骨料砂浆及混凝土的试验研究

本试验采用了铁矿石加工而成的碎石骨料和人工砂，同时掺用硅粉及减水剂，并复合掺用膨胀剂，进行了铁矿石骨料特性及矿石骨料和混凝土的容重，抗压强度，抗弯强度，弹性模量，与老混凝土的粘结强度，抗冲磨强度，干缩变形及抗冻性等项测试。试验结果表明，这些大容重超高强矿石骨料砂浆及混凝土是一种新型优质特种混凝土材料，具有较广阔的应用前景。     

混杂纤维改善LC30轻骨料混凝土性能试验研究

以LC30轻骨料混凝土为试验对象,研究了轻骨料预湿时间对混凝土抗压强度的影响,考虑了将体积率0．75%和1．5%的钢纤维分别与掺量600g/m3和1200g/m3的聚丙烯纤维单掺或混掺对混凝土拌合物工作性能、抗压强度、劈裂抗拉强度、拉压比、静力受压弹性模量的影响。结果表明,轻骨料混凝土3d抗压强度随预湿时间的延长有所降低,28d抗压强度有所增加;除单掺聚丙烯纤维对混凝土抗压强度呈现负增强效应外,其余纤维均能有效改善混凝土的力学性能;采用混掺体积率0．75%的钢纤维,600g/m3的聚丙烯纤维,在节省1/2钢纤维的基础上,表现出较好的协同混杂效应,尤以劈裂抗拉强度最为显著。     

混凝土受压性能的均质细观数值模拟

将混凝土看作由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料，在细观层次上建立了均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型，分别赋予细观单元弹脆性和弹塑性本构关系，研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程，分析了宏观应力应变曲线的差异，并将计算结果与试验结果做了比较。结果表明：混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的；界面相是混凝土材料内部最薄弱的地方；砂浆单元采用弹塑性本构关系时所得混凝土棱柱体受压的宏观应力－应变全曲线与试验结果吻合较好。     

三级配大骨料混凝土双轴抗压性能试验分析

利用自行研制的大型混凝土静、动三轴试验系统,完成了5种应力比、4种应变率、3种含水状态（干燥、自然、饱和）的三级配大骨料混凝土双轴动态抗压试验。试验研究了含水率对三级配大骨料混凝土动态极限抗压强度的影响,并在此基础上提出考虑含水率影响的大骨料混凝土动态破坏准则。研究表明,饱和混凝土试件在高应变率下的强度明显提高,而在低应变率下强度则有所降低。在相同应变率下,极限抗压强度在应力比为1∶0.5时达到最大值。影响三级配大骨料混凝土试件破坏形态的主要因素为应力比,其动态极限抗压强度随含水率的增大而增大,而静态极限抗压强度随含水率的增大而减小;单轴受压状态下的变形明显小于双轴受压,试件的峰值应变随应变率的增大而减小。     

再生细骨料对混凝土力学性能及抗冻性能研究

再生细骨料是废弃混凝土再加工的产物。为了促进再生细骨料的工程应用,采用不同再生细骨料取代率,对混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和评定抗冻性能的动弹性模量及质量损失率进行研究。结果表明,再生细骨料取代率越大,混凝土抗压强度下降趋势越明显;经28 d 养护后,龄期对再生混凝土抗压强度影响不显著;掺加了再生细骨料的混凝土,其劈裂抗拉强度普遍高于对照组,劈裂抗拉强度随着再生细骨料取代率的增加呈现出先增大后减小的趋势,取代率达到20％后,劈裂抗拉强度趋于稳定;通过构建抗压强度及劈裂抗拉强度间关系,提出了再生细骨料作用下混凝土劈裂抗拉强度与抗压强度的经验回归公式;同时,随着冻融次数的增加,再生细骨料取代率越大,混凝土的动弹性模量下降率及质量损失率也随之增大,冻融次数达到75次,部分试块出现冻坏现象,较高再生细骨料取代率的混凝土表现出较差的抗冻性能。     

水泥砂浆受硫酸钠侵蚀时力学特性的尺寸效应研究

为了解水泥砂浆试件经海水侵蚀时的尺寸效应,分别采用3种尺寸的正方体试件放在硫酸钠溶液中侵蚀,后每隔一定时间取出部分试件进行单轴压缩试验,分析不同尺寸试件的单轴抗压强度、峰值应变和弹性模量的差异。研究结果表明试件经硫酸钠侵蚀时强度的尺寸效应存在一个临界值,随着试件尺寸的增加,侵蚀对强度的影响效应会呈现增加后减小的规律;不同尺寸的试件经硫酸钠侵蚀时,其峰值应变和弹性模量的差异没有强度的差异明显。     

基于细观刚体弹簧元的轻骨料混凝土力学性能数值模拟

采用基于二维细观刚体弹簧元的数值方法,模拟了轻骨料混凝土静态加载下的力学性能,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比分析.得出的主要结论为:加载边界无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低31.4%、55.6%;立方体试件抗压强度、峰值应变随尺寸的增大而减小,100mm×100mm×100mm、200mm×200mm×200mm非标准立方体试件抗压强度换算系数分别为0.95和1.09,峰值应变换算系数分别为0.91和1.08,通过数值模拟得到了棱柱体试件单轴受压、单轴受拉状态下的应力应变关系全曲线,并给出了单轴拉压强度之间的关系.与试验结果的比较分析表明,二维刚体弹簧元数值方法能较好地预测轻骨料混凝土的静态力学性能,可以用于分析轻骨料混凝土结构.