聚丙烯纤维水泥稳定碎石断裂性能试验研究

通过30个尺寸为100mm×100mm×515mm的聚丙烯纤维水泥稳定碎石和普通水泥稳定碎石三点弯曲试件断裂试验,探讨了聚丙烯纤维对水泥稳定碎石断裂韧度(KIC)、断裂能(GF)、临界裂缝嘴张开位移(CMODC)、临界裂缝尖端张开位移(CTODC)、极限裂缝嘴张开位移(CMODmax)和极限裂缝尖端张开位移(CTODmax)的影响。试验结果表明:聚丙烯纤维的掺入可增大水泥稳定碎石的断裂韧度、断裂能、临界裂缝嘴张开位移、极限裂缝嘴张开位移、临界裂缝尖端张开位移和极限裂缝尖端张开位移;随着聚丙烯纤维体积掺量的增加,断裂韧度、临界裂缝嘴张开位移和临界裂缝尖端位移的变化无明显规律,但断裂能、极限裂缝嘴张开位移和极限裂缝尖端位移基本上呈线性增加的。     

基于声发射技术的非标准自密实混凝土三点弯曲梁动态断裂特性

对不同初始缝高比的自密实混凝土(Self-compacting concrete,SCC)非标准三点弯曲梁开展不同加载速率下的断裂试验,获得其断裂的荷载-裂缝嘴张开口位移曲线及峰值荷载、断裂韧度、临界缝高比增量、弹性模量和柔度系数等断裂参数,结合Pearson相关性检验公式及加载速率效应模型,定量分析初始缝高比、加载速率与断裂参数间的相关性强弱及SCC断裂参数的加载速率效应。结果表明峰值荷载、断裂韧度及弹性模量均存在一定的加载速率效应,柔度系数仅与初始缝高比强相关,弹性模量和断裂韧度是材料的固有属性,不受初始缝高比影响。同时,基于声发射(Acoustic emission,AE)技术对SCC的损伤断裂过程、断裂边界效应及裂缝扩展模式进行分析,结果表明,AE参量能较好地反映混凝土断裂的三阶段特性及边界效应。裂缝的扩展首先以拉伸裂缝为主,剪切裂缝占比随着裂缝扩展过程逐渐增大。      

钢纤维对水泥基复合材料抗起裂特性的影响

通过不同钢纤维体积分数及不同试件尺寸的预制缺口三点弯曲梁断裂试验,研究了普通乱向及定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗起裂特性。利用试验测得的荷载-裂缝口张开位移曲线,分析了钢纤维对水泥基复合材料断裂性能的影响,并基于线性相关系数陡降法计算了起裂韧度。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度明显高于普通乱向钢纤维增强水泥基复合材料;起裂韧度随钢纤维体积分数的增加而逐渐增大,当钢纤维体积分数达到0.9%左右时,定向钢纤维增强水泥基复合材料的起裂韧度值趋于稳定;在本试件高度范围内(40~100mm),起裂韧度随试件尺寸增加而逐渐增大,且定向钢纤维增强水泥基复合材料的增长趋势较为平缓。此外,从裂缝尖端夹杂改变其应力强度因子的角度解释了钢纤维的掺入及定向对起裂韧度的提高作用。     

不同张口位移速率下带裂缝混凝土轴拉试验研究

为了解混凝土在动荷载作用下的力学特性,对带裂缝混凝土开展了张口位移速率10~(-5)～10~(-2) s~(-1)内的轴向拉伸断裂试验,详细研究了张口位移速率对混凝土断面特征、轴向拉伸强度、断裂韧度、弹性模量及临界位移的影响。结果表明:随着张口位移速率的增加,混凝土的断面趋于光滑;混凝土的动态轴向拉伸强度、断裂韧度、弹性模量增长因子与动态张口位移速率比值的对数呈线性增长关系;混凝土临界位移保持常量,与张口位移速率无关;同时认为通过控制张口位移的加载方式,易于得到混凝土轴向拉伸P-CMOD全曲线。     

小尺寸混凝土试件双K断裂参数试验研究

采用最大尺寸为680mm×160mm×40mm的标准三点弯曲梁试件,利用在初始裂缝两侧粘贴电阻应变片并利用混凝土裂缝扩展到此处时其应变回缩的方法测得了起裂荷载Pini,在此基础上根据Pini及初始缝长a0得到了起裂断裂韧度KIiCni;根据在试验中测得的最大荷载Pmax及对应的裂缝口张开位移CMODC计算了混凝土等效裂缝长度aC,据此计算了失稳断裂韧度KIuCn。结果表明:采用电阻应变片法可准确测定混凝土的起裂荷载Pini,且方法简单。试验结果还表明:在本试验范围内,三点弯曲梁法测得的混凝土双K断裂参数KIiCni、KIuCn与试件高度无关,进一步说明了混凝土双K断裂参数可以作为描述混凝土裂缝扩展的断裂参数。     

混凝土I型裂缝扩展准则比较研究

针对混凝土I型裂缝扩展问题,分别采用以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则、最大拉应力准则以及裂尖处应力强度因子为零的裂缝扩展准则,数值模拟了强度等级C20、C40、C60、C80和C100的混凝土三点弯曲梁裂缝扩展全过程,获取了试件的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线并与试验结果进行了比较。结果表明,三种准则中以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则计算得到的峰值荷载及P-CMOD全曲线与试验结果差别最小。随着混凝土强度等级的提高,最大拉应力准则以及裂尖处应力强度因子为零的裂缝扩展准则计算出的P-CMOD曲线与试验结果相比均有较为明显的偏离,但以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则计算结果与试验曲线更为吻合。试验与计算结果表明,以起裂韧度为参数的裂缝扩展准则更适用于不同强度混凝土材料的断裂分析。     

采用峰值荷载法确定全级配水工混凝土断裂参数

该文采用峰值荷载法研究了全级配水工混凝土试件的断裂参数。通过有限元方法,得到了适用于全级配水工混凝土的非标准楔入劈拉试件的应力强度因子K、裂缝嘴张开口位移CMOD计算公式以及裂缝张开位移COD与CMOD比值COD/CMOD的相关曲线。基于相关断裂试验,通过该文所提公式得到了全级配水工混凝土的等效断裂韧度与临界裂缝尖端张开口位移CTOD_c等断裂参数。研究结果表明:峰值荷载法可应用于截面尺寸不同而缝高比相同的全级配水工混凝土试件,峰值荷载法只需实测各试件的峰值荷载,就可方便确定全级配水工混凝土的断裂参数。     

混凝土/花岗岩界面Ⅰ-Ⅱ复合型动态断裂试验研究

为研究混凝土/岩石界面在复合型应力条件下的动态断裂性能,考虑四种应变率(10-5~10-2 s-1)及三种模态(21.8°,41.7°和60.3°)工况,对混凝土/花岗岩复合试件进行了四点剪切试验,获得了荷载与裂缝张开位移及裂缝剪切位移的关系曲线;结合界面力学理论和结构动力分析得到了界面Ⅰ型和Ⅱ型动态应力强度因子,据此得到并分析了断裂韧度、应变能释放率的率相关性及模态比相关性。结果表明:在所研究的应变率和模态角范围内,同一时刻的裂缝张开位移均大于裂缝剪切位移;Ⅰ型和Ⅱ型断裂韧度均随应变率的提高而增加,Ⅰ型断裂韧度随模态角的增大而减小,Ⅱ型断裂韧度随模态角的增大而增加;应变能释放率随应变率和模态角的增加均呈现出增长趋势。     

反分析法确定钢纤维水泥砂浆拉应力与裂缝张开位移关系

在数值模拟钢纤维混凝土结构或构件和用基于断裂力学理论的设计方法设计钢纤维混凝土结构或构件时,钢纤维混凝土材料σ-w关系是一个重要的材料参数。该文根据三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移(CMOD)曲线用反分析法确定了钢纤维水泥砂浆的σ-w关系。试验制作了五种不同体积含量的钢纤维水泥砂浆单轴拉伸试件、圆柱体压缩试件和梁试件,钢纤维体积含量分别为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%和2.5%。试验发现,当钢纤维体积含量较小时,三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移曲线呈现CMOD软化特性;而当钢纤维体积含量较大时,三点弯曲缺口梁的荷载与裂缝张开位移曲线呈现CMOD强化特性。对有CMOD软化特性的钢纤维水泥砂浆,可用三折线软化模型来模拟钢纤维水泥砂浆的σ-w关系;对有CMOD强化特性的钢纤维水泥砂浆,可用应力跌落-常残余强度模型来拟合。     

环氧沥青混凝土裂纹起裂与失稳扩展的临界特征

为了获取环氧沥青混凝土的裂纹起裂与失稳扩展临界点,重构了环氧沥青混凝土非均质(集料、砂浆和空隙)多层次(矿料级配)结构三维虚拟试件,采用离散元方法实施了单边切口小梁虚拟三点弯曲试验,借助数字摄像法捕捉了室内小梁试件表面裂纹发展情况,分析了裂缝发展过程中裂缝尖端张开位移(CTOD)和裂缝口张开位移(CMOD)之间的变化关系。研究结果表明:裂尖张开位移δ₂₅参数的使用为理解实际流入断裂带用于裂缝扩展的那部分能量开辟了一条新思路;裂缝尖端张开位移和裂缝口张开位移关系曲线的两个转折点描述了裂缝起裂和临界失稳扩展状态,环氧沥青混凝土断裂过程中裂缝的扩展经历了起裂、稳定扩展和失稳扩展3个阶段;δ₂₅-CMOD曲线分析法可以作为研究沥青混凝土材料断裂行为的辅助手段。