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。     

碾压混凝土外掺MgO安定性试验研究

本试验对掺MgO膨胀剂的碾压混凝土在常压90℃,绝湿养护条件下进行了混凝土安定性试验.结果显示MgO混凝土膨胀破坏主要发生在水泥石与骨科的界面上,随着MgO膨胀剂掺量的增加,劈裂抗拉强度降低,孔隙率提高,超过临界掺量6%后,水泥石与骨料界面出现裂缝,孔隙率激增,强度锐减.     

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续，而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元，并进行宏细观子区域界面节点重新匹配，建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型，在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟，构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟，不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致，证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。     

橡胶混凝土抗渗性能试验研究

试验以C25混凝土为基准,用废旧轮胎橡胶颗粒等体积取代细骨料制成橡胶混凝土,研究了橡胶颗粒的不同粒径和掺量对混凝土抗渗性能的影响.结果表明:橡胶颗粒掺量为5％时提高了混凝土的抗渗性能;掺量大于5％时,总体上随橡胶掺量的增加混凝土的抗渗性能逐步降低,且橡胶颗粒粒径越大,抗渗性能降低的幅度越大;掺60目橡胶粉混凝土的抗渗性能在0％～30％的掺量范围内随掺量增加而提高,其中以20％掺量为最佳,渗透系数为基准混凝土的48％.     

三点弯曲下橡胶混凝土的断裂性能

通过橡胶混凝土三点弯曲梁断裂试验,测取橡胶混凝土的荷载、挠度和裂缝开口位移值,并绘制荷载-挠度曲线和荷载-裂缝开口位移曲线;根据《水工混凝土断裂试验规程》和ASTM规范计算断裂韧度与断裂能,研究不同橡胶掺量对混凝土断裂性能的影响,以及声发射累积能量和断裂能之间的关系,并对比分析两部规范中给出的不同断裂韧度计算公式的计算结果。研究表明:掺入橡胶后混凝土能承受的最大荷载降低,起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、断裂韧度、断裂能和声发射累积能量均降低;混凝土梁的有效裂缝长度和最大挠度在橡胶掺量为10%时最小,在橡胶掺量为20%和30%时增大;延性指数随橡胶掺量的增加逐渐增大,最大提高了41%;通过拟合混凝土的断裂能和声发射累积能量曲线,可得出y=a+becx形式的经验式。掺入橡胶后混凝土韧性和变形能力提高,脆性得到了改善,并可利用经验式推断达到某一声发射能量值时混凝土的破坏程度。     

基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。     

磨细矿渣对现场活性骨料碱-硅反应的抑制

研究了不同掺量磨细矿渣对现场活性骨料碱-硅反应的抑制效能,并与普通砂浆进行对比.结果表明:磨细矿渣对骨料碱-硅反应的抑制作用,随磨细矿渣掺量的增加而增强,当磨细矿渣掺量达到50%及以上时,砂浆试件28 d膨胀率小于0.10%.压滤试验和能谱分析充分解释了磨细矿渣对活性骨料碱-硅反应的抑制机理,抑制机理主要是孔溶液中K+...     

含玻璃粉砂浆的ASR风险及抑制效果研究

废弃玻璃磨细成粉料后用作混凝土辅助胶凝材料,不仅可以控制ASR(alkali-silica reaction,碱-硅反应),而且还能激发其火山灰活性.采用砂浆棒快速法,将玻璃粉代替标准砂用作骨料,研究各种骨料替代率条件下的砂浆棒ASR膨胀率大小.掺量为50％时,14 d ASR膨胀率最大.将玻璃骨料与标准砂以1:1比例成型试件,探讨各种玻璃粉细度、掺量、养护温度、龄期条件下对砂浆棒ASR反应的抑制效果,粉磨时间越长,砂浆棒膨胀率呈降低趋势,掺入粉磨1h玻璃粉在相同掺量下对砂浆棒膨胀率的抑制效果最明显.养护温度对砂浆棒早期膨胀率起主导作用.     

ITZ强度对混凝土裂隙扩展影响的DEM模拟研究

混凝土的粗骨料与砂浆之间存在界面过渡区(ITZ),过渡区的力学性质受骨料的形状、大小、含量、空间分布及初始裂隙等条件影响。为研究过渡区强度对混凝土材料性能的影响,采用离散元软件PFC2D建立了随机骨料分布的混凝土模型,并对其进行了单轴压缩试验。试验发现：当过渡区强度增大时,混凝土的峰值应力和初始裂隙产生时的应变逐渐增大,总裂隙数减少,破坏类型由受剪破坏转变为受拉破坏,并且过渡区强度增强会使混凝土的起裂区域由过渡区转移至砂浆聚集区。模拟结果可为混凝土界面过渡区的理论研究提供一定参考。     

橡胶颗粒粒径和掺量对混凝土性能的影响

以C25普通混凝土为基准,用废旧轮胎橡胶颗粒等体积取代细骨料制成橡胶混凝土试件,对不同橡胶颗粒粒径和不同掺量对混凝土拌和物性能、力学性能和耐久性能的影响进行了试验研究,并运用双因素方差分析方法对试验数据进行整理,分析了橡胶颗粒粒径和掺量及这两种因素的交互作用对混凝土性能影响的显著性。结果表明:橡胶混凝土的抗压强度、轴压强度、劈拉强度、抗折强度均较基准混凝土的低,抗碳化性能只在有些掺量时比基准混凝土好,掺胶粉混凝土的抗渗性能明显比基准混凝土的好,掺粒径3～6 mm橡胶颗粒的混凝土的抗冻性能有所改善;在橡胶颗粒粒径和掺量对混凝土性能影响中,粒径因素起主导作用。     

基于分形维的混凝土裂纹扩展及损伤演化过程研究

混凝土材料破坏过程中裂纹的演化具有随机无规律的特点,而外界条件的复杂性和混凝土自身的非线性使得裂纹的动态演化规律研究十分困难。为定量研究混凝土受力过程中裂纹及损伤的演变过程,本文在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上,建立了细观混凝土力学模型,提出一种基于裂纹分形维的损伤变量计算方法,对多组混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行损伤数值研究,利用分形维对混凝土开裂全过程中的裂纹分布进行表征。研究表明:细观模拟的裂纹形态与试验结果相符;裂纹分形维能够更好地反映混凝土材料损伤的变化过程,可以定量描述材料损伤演化的特性;发现了混凝土从"均匀"损伤至局部破坏的临界点;细观模拟得到的应力-应变曲线、裂纹分形维曲线、损伤演化曲线受网格尺寸的影响很小;随着混凝土试件骨料级配数的增加,骨料颗粒和界面减少,整体耗能降低,应力峰值和裂纹分形维均减小。此外,本文建议应力峰值点后的裂纹分形维曲线的突变点为混凝土材料从"均匀"损伤进入局部破坏的临界点,是损伤和断裂的分界点,相应的损伤值约为0.8,该值可作为混凝土出现宏观裂纹的损伤阈值。本文研究加深了人们对混凝土破坏机理的认识。     

全级配混凝土单轴疲劳特性细观数值模拟

为研究全级配混凝土在等幅、变幅及阶梯重复荷载作用下的疲劳特性,揭示材料特性与疲劳应力水平对其疲劳寿命的影响规律,通过自编程序建立二维随机骨料模型,运用有限元软件和耐久性疲劳分析软件进行联合仿真,对全级配混凝土细观结构进行应力分析和疲劳分析,探讨了不同骨料分布、骨料形状及疲劳应力水平对混凝土疲劳性能的影响,并估算了疲劳寿命。结果表明:在阶梯重复荷载作用下,骨料形状和分布对混凝土疲劳寿命影响较小,而疲劳应力水平对疲劳寿命影响较大;圆形和椭圆形骨料混凝土疲劳寿命较高,多边形骨料寿命较低;在疲劳加载破坏过程中,骨料界面先起裂,然后裂纹逐渐扩展贯通,最后导致整个试件完全破坏,可见骨料界面是混凝土中的薄弱部位,其寿命直接影响整个混凝土试件的寿命。研究成果为后续混凝土疲劳性能研究提供了参考。     

混凝土骨料随机分布的分形研究及其对破坏特性的影响

混凝土的破坏特性和损伤破坏形态具有明显的离散性和随机性,骨料的随机分布形态是重要的影响因素之一。但是对骨料分布的量化表征一直是比较棘手的问题。在假定混凝土是由骨料、砂浆及两者之间的界面组成的三相复合材料基础上,建立了细观混凝土力学模型。对36组不同骨料分布形式下的混凝土试件的单轴拉伸力学行为进行了数值研究,并利用盒维数和多重分形谱表征骨料分布,研究其随机分布规律以及对混凝土破坏特性的影响。发现多重分形谱较盒维数可以更好地提取局部细节特征,为骨料分布的量化研究提供了一种新的方法。进而统计分析了骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度、软化段曲线（脆性）和裂纹分布盒维数的相关关系,研究表明骨料分布多重分形谱谱宽与拉伸强度和脆性呈反相关关系,与裂纹分布盒维数成正相关关系,即骨料分布多重分形谱谱宽越小,骨料分布越均匀,峰值应力越大,脆性越明显,裂纹扩展越规则,裂纹分布盒维数越小。该研究有助于加深对混凝土破坏特性和开裂破坏形态的认识。     

水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂分析方法研究

引入具有水力耦合属性的内聚单元模拟衬砌裂缝、衬砌-围岩交界面,以反映缝隙的位移非连续特征以及内部压力水体的流动特性.结合渗流-应力间接耦合方法,提出了水工隧洞钢筋混凝土衬砌水压致裂算法,探究了衬砌裂缝发展历程、裂缝宽度演化以及缝隙内部水压力传递特征等,并基于此系统分析了衬砌-围岩有条件联合承载特性的影响.计算分析表明,...     

基于细观结构性能和尺度的混凝土材料层次尺寸效应解析理论

本文以细观为基本研究尺度,认为混凝土材料层次尺寸效应主要根源于粗骨料、砂浆以及界面等细观结构性能和尺度的不确定性。首先,基于建立的能够考虑细观结构影响的混凝土I-型裂缝断裂破坏分析模型,采用理论解析法对不同级配混凝土宏观力学性能预测方法进行了修正;进而,提出了一套混凝土材料层次尺寸效应解析理论,并分析了混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为。分析结果表明:单轴拉伸加载条件下,强骨料夹杂混凝土中界面力学性能、骨料含量和最大骨料粒径均显著影响细观断裂裂缝中界面裂缝的占比,从而影响到混凝土宏观力学性能随细观结构性能和尺度的变化行为。     

基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象

混凝土作为一种人工石材,由于浇筑过程的影响,其断裂破坏过程不可避免地存在一定随机性。利用声发射实时动态无损监测技术,分析了带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件裂缝扩展发生偏移和钢筋混凝土三点弯曲梁破坏荷载循环增减等特殊试验现象存在的客观性。试验分析发现,预制裂缝尖端粗骨料的存在,致使裂缝并非沿着预制裂缝直接向前扩展,而是出现绕道扩展的现象;配筋率过大时,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的破坏荷载值将维持在钢筋极限屈服强度附近循环变化。可见,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的失稳荷载取决于配筋率的高低。研究成果表明声发射技术可为开展混凝土损伤断裂试验提供一种新的研究手段。     

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。     

围压荷载下混凝土静动力强度的细观力学模型

本文从混凝土细观机理出发,采用翼型裂纹模型分析了围压荷载下混凝土内微裂纹扩展、弯折和相互作用直至材料破坏的过程。采用伪面力法计算了考虑相互作用的弯折扩展裂纹应力强度因子,并通过一些简化得到了显式的表达式。在假定混凝土的断裂韧度不随加载速率变化的前提下,分析和计算了不同围压荷载下的混凝土静动力强度,并与试验结果进行比较。结果表明,本文提出的模型能较好地反映围压荷载下混凝土的静动力特性和破坏机理。     

Seismic response of concrete gravity dam reinforced with FRP sheets on dam surface

This paper aims at exploring the effects of anti-seismic reinforcement with the fiber-reinforced polymer （FRP） material bonded to the dam surface in dam engineering. Time-history analysis was performed to simulate the seismic failure process of a gravity dam that was assumed to be reinforced at the locations of slope discontinuity at the downstream surface, part of the upstream face, and the dam heel. A damage model considering the influence of concrete heterogeneity was used to model the nonlinearity of concrete. A bond-slip model was applied to the interface between FRP and concrete, and the reinforcement mechanism was analyzed through the bond stress and the stress in FRP. The results of the crack pattern, displacement, and acceleration of the reinforced dam were compared with those of the original one. It is shown that FRP, as a reinforcement material, postpones the occurrence of cracks and slows the crack propagation, and that cracks emanating from the upstream surface and downstream surface are not connected, meaning that the reinforced dam can retain water-impounding function when subjected to the earthquake. Anti-seismic reinforcement with FRP is therefore beneficial to improving the seismic resistant capability of concrete dams.