The effects of mismatch fracture properties in encapsulation-based self-healing concrete using cohesive-zone model

Finite element analysis is developed to simulate the breakage of capsule in capsule-based self-healing concrete. A 2D circular capsule with different core-shell thickness ratios embedded in the mortar matrix is analyzed numerically along with their interfacial transition zone. Zero-thickness cohesive elements are pre-inserted into solid elements to represent potential cracks. This study focuses on the effects of mismatch fracture properties, namely fracture strength and energy, between capsule and mortar matrix into the breakage likelihood of the capsule. The extensive simulations of 2D specimens under uniaxial tension were carried out to investigate the key features on the fracture patterns of the capsule and produce the fracture maps as the results. The developed fracture maps of capsules present a simple but valuable tool to assist the experimentalists in designing appropriate capsule materials for self-healing concrete.     

The effects of interfacial strength on fractured microcapsule

The effects of interfacial strength on fractured microcapsule are investigated numerically. The interaction between crack and microcapsule embedded in mortar matrix is modeled based on cohesive approach. The microcapsules are modelled with variation of core-shell thickness ratio and potential cracks are represented by pre-inserted cohesive elements along the element boundaries of the mortar matrix, microcapsules core, microcapsule shell, and at the interfaces between these phases. Special attention is given to the effects of cohesive fracture on the microcapsule interface, namely fracture strength, on the load carrying capacity and fracture probability of the microcapsule. The effect of fracture properties on microcapsule is found to be significant factor on the load carrying capacity and crack propagation characteristics. Regardless of core-shell thickness ratio of microcapsule, the load carrying capacity of self-healing material under tension increases as interfacial strength of microcapsule shell increases. In addition, given the fixed fracture strength of the interface of microcapsule shell, the higher the ratio core-shell thickness, the higher the probability of microcapsules being fractured.     

带裂缝服役混凝土结构力学性能的多尺度模拟方法

为了研究既有裂缝及其扩展对服役混凝土结构力学性能的影响,建立了以随机骨料和黏结单元为基础的细观结构黏聚区模型,并进一步建立了带裂缝混凝土梁的一致多尺度等效模型。在开裂区域引入符合牵引分离准则的黏结单元来考虑裂缝的随机扩展,通过随机骨料投放来模拟骨料、砂浆等混凝土的细观结构组成。采用已有试验结果对细观结构黏聚区模型进行了验证,该方法能够模拟混凝土裂缝的随机扩展及其应力-应变全过程曲线。然后,对不同裂缝深度的混凝土试件进行单轴拉伸试验的数值模拟,采用一致多尺度模型对不同裂缝深度的混凝土梁进行模拟,并对其计算效率和精度进行了比较。结果表明：对于初设裂缝深度小于0.3h(h为混凝土试件高度),试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响很小,而当初设裂缝深度大于0.3h时,试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响明显;随着初设裂缝深度的增加,混凝土的抗拉强度和弹性模量以及混凝土梁的抗弯刚度、受弯承载力逐渐减小;在不同区域采用不同控制尺度建立的一致多尺度细观结构等效模型能够模拟混凝土梁的裂缝及其随机扩展,并且能在不显著影响其计算效率的情况下保证其计算精度。     

模拟岩体失效全过程的连续–非连续变形体离散元方法及应用

 岩石、混凝土等材料,由于存在细观构造的非均匀性,其损伤–破碎发展过程及破损特征与材料中含有的微裂隙分布相关。基于有限–离散耦合分析的思路,在变形体离散元法的基础上引入基于弹塑性断裂力学的黏聚力模型,在细观单元之间插入界面单元,并对界面单元的刚度等参数进行推导,通过界面单元的起裂、扩展和失效,实现岩体开裂扩展的数值模拟。以岩石单轴压缩、单个颗粒破碎以及边坡失稳3个算例对该方法进行验证,结果表明：所提出的方法能较好地模拟计算裂纹的开裂萌生与扩展,反映岩石介质从小变形到大变形再到破坏的全过程。     

混凝土轴压溃裂过程的细观数值试验研究

将混凝土视为由骨料、砂浆以及它们之间的界面过渡区(ITZ)组成的细观复合材料,建立了一种包含零厚度粘结单元在内的有限元模型,将粘结单元嵌入到ITZ中以及砂浆单元的边界上,以形成潜在的裂缝发展路径。利用该模型对已生成的二维混凝土试件进行了单轴压缩的数值试验,获得了试件的应力-应变关系曲线以及试件从微裂纹萌发、裂缝开展到最后压溃破坏过程的裂缝演变状态,得到的宏观裂缝及溃裂形态与轴压物理试验十分相近,得到的力学响应曲线与物理试验也呈现良好的一致性。     

橡胶混凝土应力和强度的细观数值分析

利用富勒公式将三维级配曲线转化为二维平面内任意粒径集料出现的概率,在细观层次上将橡胶混凝土离散为粗集料、橡胶集料和水泥砂浆,建立了橡胶混凝土粗集料及橡胶集料随机分布的集料模型.将橡胶混凝土作为普通混凝土与橡胶集料组成的二相复合材料.利用有限元方法对橡胶混凝土二相复合材料模型的轴心抗压强度进行计算和分析,并和试验结果进行对比,结果表明:该分析方法能很好地模拟计算橡胶混凝土的轴心抗压强度,给出了模型加载过程中的细观应力分布及变化情况,模拟结果较好地反映了橡胶混凝土在单轴作用下的力学特性.     

混凝土弹性模量预测的混合夹杂模型

基于细观夹杂理论,将混凝土看作是由骨料、界面、砂浆、孔洞和微裂缝组成的多相复合材料,将骨料和其外部包裹着的界面看作是球形等效颗粒,作为夹杂相,将含有孔洞和微裂缝的水泥砂浆作为等效基体,采用多步法建立了混凝土混合夹杂模型。将广义自洽方法和Mori-Tanaka方法相结合求得了模型的解析解。通过算例验证了模型的有效性,表明文中提出的模型能够较为真实全面的反映混凝土的细观组成相对其宏观弹性模量的影响。     

基于格构模型再生混凝土单轴受压数值模拟

根据再生粗集料的特点,建立了再生混凝土随机集料模型,进而基于格构模型理论定义了5种格构单元：粗集料单元、新砂浆单元、新界面单元、老砂浆单元和老界面单元.在对比分析的基础上,为不同单元确定了不同的力学参数.采用杆系结构有限元方法,以Fortran语言编程计算了再生混凝土的单轴受压应力-应变曲线.与试验曲线对比发现,在参数选择适当的前提下,所建模型可用于模拟计算再生混凝土单轴受压时的应力-应变曲线.     

Acoustic emission analysis for the quantification of autonomous crack healing in concrete

As half of the annual construction budget is spent on remediation of existing structures, self-healing of concrete, which is very sensitive to cracking, would be highly desirable. In this research, encapsulated healing agents were embedded in the concrete matrix in order to obtain self-healing properties. Upon cracking, the capsules break and the healing agent is released, resulting in crack repair. The efficiency of this crack healing technique was evaluated by means of mechanical tests and by using acoustic emission analysis. It was shown that due to autonomous crack repair, more than 80% of the original strength and stiffness can be regained. Events with an energy higher than the energy related to concrete cracking indicated breakage of the capsules. Upon reloading of beams with untreated cracks, the released energy was lower compared to beams with healed cracks. From this study it was shown that AE is a suitable technique to evaluate self-healing of cracks in concrete.     

混凝土I-型细观断裂模型及其在材料层次#br# 尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I 型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明：当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

Simulation of cohesive crack growth by a variable-node XFEM

A new computational approach that combines the extended finite element method associated with variable-node elements and cohesive zone model is developed. By using a new enriched technique based on sign function, the proposed model using 4-node quadrilateral elements can eliminate the blending element problem. It also allows modeling the equal stresses at both sides of the crack in the crack-tip as assumed in the cohesive model, and is able to simulate the arbitrary crack-tip location. The multiscale mesh technique associated with variable-node elements and the arc-length method further improve the efficiency of the developed approach. The performance and accuracy of the present approach are illustrated through numerical experiments considering both mode-I and mixed-mode fracture in concrete.     

混凝土界面过渡区水分传输特性试验研究

设计制作了一批圆柱形水泥砂浆试件和混凝土试件，通过水分传输试验获取各试件的平均水分传输系数，引入界面过渡区（ITZ）与砂浆基体水分传输系数的比值β，再根据混凝土试件的并联传输模型反算获得β值。研究了截面形式、砂浆水灰比、砂灰比、粗骨料材质、表面粗糙度等因素对β值的影响。试验结果表明：ITZ与砂浆基体水分传输系数的比值β在90~175的范围内；截面形式相同时，花岗岩质粗骨料表面不进行处理时的β值均比进行喷砂处理时的β值大；β值随着砂浆水灰比的变化无明显变化，随着砂浆砂灰比的增大而减小；截面形式及砂浆配合比相同时，β值的大小不仅与骨料表面粗糙度相关，还与骨料材质相关。     

再生大骨料与自密实混凝土粘结性能研究

研究了再生大骨料与自密实混凝土间的粘结性能,探讨了再生大骨料与自密实混凝土粘结性能的数值模型。结果表明,自密实混凝土的低水灰比,有效地提高了再生大骨料与自密实混凝土间的粘结力;再生大骨料强度越高,表面越粗糙,其与自密实混凝土间的粘结强度越高。     

短纤维水泥基复合材料的拉伸数值分析

提出软弱区的概念,并定义该软弱区为砂浆试件中包含微裂隙、微裂缝或微缺陷的一个局部区域,采用细观力学的方法,假定砂浆试件是由砂浆基体和许多随机分布于基体中的软弱区所组成,基于蒙特卡罗随机抽样原理,实现软弱区单元在砂浆基体中的随机分布,基体单元和软弱区单元材料的非均匀性由Weibull参数来表征,同时假定基体单元和软弱区单元均符合低拉伸材料开裂准则,建立砂浆拉伸数值模型,考虑软弱区分布、Weibull分布参数、细观单元力学参数等对数值试验的影响,全面分析砂浆拉伸开裂的力学行为。在砂浆数值模型的基础上,系统研究短纤维增强砂浆的拉伸开裂及纤维细观力学参数、分布特征等对数值拉伸结果的影响。最后,将数值结果与试验结果进行对比,结果表明,数值模型能较好地模拟砂浆的拉伸开裂和短纤维对砂浆的增强效果,同时由数值模拟得到的砂浆单向拉伸应力–应变全过程曲线与试验结果较为吻合。     

Microwave-assisted beneficiation of recycled concrete aggregates

The presence of mortar has been reported as the main factor causing the lower quality of recycled concrete aggregates (RCA) when compared to natural aggregates (NA). A novel microwave-assisted technique to increase the quality of RCA by partially removing the mortar adhering to RCA particles and breaking up the lumps of mortar present in RCA is introduced in this paper. The technique takes advantage of the difference in the electromagnetic properties of the adhering mortar and natural aggregates to generate high thermal stresses within the mortar, especially at the interface with the embedded natural aggregates, to cause delamination. The stresses generated also result in the breaking up of the lumps of mortar into smaller pieces. The results of an experimental study conducted to investigate the capability of the microwave-assisted RCA beneficiation technique and to compare its efficiency with other beneficiation methods proposed in available literature are presented. Moreover, the effects of incorporating various amounts of un-treated and microwave-treated coarse RCA on the mechanical properties of concrete are investigated. The temperature distribution and stresses developed in RCA when subjected to microwave heating during the beneficiation process are numerically calculated for a better understanding of the processes involved.     

混凝土架构理论的砂浆比偏离研究

混凝土架构理论认为,混凝土是由粗集料、砂浆和二者之间的过渡层组成。在阐述混凝土架构理论的基础上,提出标准混凝土概念,并据此测试其不同龄期的抗压强度,得到标准混凝土与水泥胶砂强度换算公式。从砂浆比偏离的角度上去研究粗集料的架构作用,在分析前人试验数据的基础上,建立混凝土架构作用的数学模型,分析不同集料对混凝土强度和工作性的影响。通过再生混凝土、轻集料混凝土和粉煤灰混凝土对建立的数学模型进行进一步的验证。结果表明:混凝土的强度与砂浆比偏离二者有很好的相关性,砂浆比偏离是研究混凝土架构理论的重要参数。     

超高性能混凝土抗高温爆裂性能试验研究

测定了含粗骨料超高性能混凝土与活性粉末混凝土的不同含湿量(质量分数,下同)试件在从常温加热至800℃过程中的抗高温爆裂性能.结果表明:含粗骨料超高性能混凝土的抗高温爆裂性能优于活性粉末混凝土.粗骨料的存在不仅降低了超高性能混凝土的内部应力,而且增大了钢纤维在砂浆基体中的分布密度,因此起到减轻混凝土爆裂的作用.试验中大量粗骨料从砂浆基体中剥离,这证实蒸汽压力是导致超高性能混凝土发生高温爆裂的重要因素.2种超高性能混凝土的0%含湿量试件均未发生爆裂,而含湿量在25%及以上的试件均发生了爆裂,且含湿量越大,试件爆裂越严重.可以用爆裂发生的温度范围和爆裂声响次数来判断超高性能混凝土高温爆裂的严重程度.     

混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力曲线断裂判据

混凝土结构的受力特性与裂缝的发展密切相关。在对国际断裂力学领域里所提出的三种裂缝扩展阻力曲线理论加以总结的基础上,以能量为表征,基于裂缝黏聚力提出了描述混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力模型。在该模型中,裂缝扩展阻力分为三部分:一部分是基体水泥凝胶材料裂缝发展需克服的表面能,一部分是克服细骨料桥联作用的能量消耗,另一部分是粗骨料桥联闭合作用消耗的能量。文中对粗细骨料所消耗的能量进行了详细推导,得出了不同区段裂缝扩展阻力的解析计算公式。根据实测试验结果,得到了混凝土新GR阻力曲线。结果表明GR曲线是材料的基本参数,与试件尺寸无关,并建立了适用于混凝土结构裂缝扩展全过程的断裂判据。     

快速升温诱发混凝土热开裂过程的数值模拟

基于对混凝土细观结构的认识,从材料力学性质的非均匀特性出发,对不同力学边界条件下的混凝土快速升温诱发热开裂的过程进行了数值模拟,数值模拟中假定混凝土是由砂浆基质、骨料及其他们之间的界面组成的三相复合材料,并以最大拉应变准则和摩尔库仑准则作为损伤发生的阀值.数值模拟再现了混凝土内部微裂纹萌生、沿骨料与砂浆之间的界面扩展、贯穿砂浆基体的热开裂全过程.快速升温下温度梯度以及热力学不匹配联合作用下的这种热开裂裂纹,是混凝土热破坏过程中的主要裂纹形式之一,除了材料非均匀特性之外,热开裂裂纹的萌生、扩展也是促成混凝土热爆裂发生的不确定性的原因之一:在致使混凝土热破坏的同时,其本身也是水(汽)压力释放的主要通道,在一定程度上缓解热爆裂.数值计算结果对混凝土高温热破坏的研究具有参考价值.