基于CT技术的混凝土冻融环境下细观损伤机理的试验研究

应用CT技术对冻融环境下的混凝土破损全过程进行了追踪,获得了不同冻融循环次数下混凝土细观结构变化特征.运用图像处理技术初步分析了冻融环境下混凝土细观损伤扩展的演化过程;并以图像中CT均值的变化为基础,建立了基于细观统计力学的损伤变量与冻融循环的关系曲线,以此对冻融循环条件下混凝土细观结构的损伤演化规律及破损机理进行了定量研究.结果表明:试样内部CT均值以及损伤变量的变化趋势表征了经过冻融循环后混凝土材料从初始细观损伤到表现出宏观力学性能劣化的全过程,为从细观试验角度解释混凝土在冻融环境下的宏观变化规律提供了一种可行的方法.     

冻融环境下混凝土力学性能试验及损伤演化

在我国西部寒区,冻融作用往往是导致混凝土破坏的主要因素之一。通过对饱水状态下的多组混凝土试样进行冻融循环试验,并对试验后的试样进行了单轴压缩试验,从损伤和能量耗散的角度对试样进行了力学性能的分析;运用CT细观试验的方法初步对经历不同冻融循环次数下的试样进行了细观结构分析。通过试验研究,得到了饱水状态下混凝土材料的冻融破坏特征,以及不同冻融循环次数下试样质量、单轴应力-应变全过程曲线、抗压强度、能量耗散和细观结构的变化特征,系统研究了冻融循环下混凝土主要物理力学性能及损伤演化规律,为寒区重大工程冻融灾变预测提供较可靠的基础依据。     

冻融环境下混凝土的断裂损伤试验研究

为研究冻融作用后混凝土的断裂性能及断裂特征,依据GBJ82-85混凝土快速冻融循环试验方法,对24组共72块混凝土试件进行冻融试验.采用四点弯曲试验法分析了300次快速冻融循环条件下水灰比、引气剂对混凝土断裂韧度,断裂能及相对动弹模损失率的影响,并进行了混凝土形貌分析.结果表明,随冻融循环次数的增加,混凝土的断裂韧度、断裂能及相对动弹模损失率呈明显下降趋势,水灰比越大、混凝土随冻融循环次数增加损伤程度越大.引气剂能够大幅度降低由于冻融循环造成的混凝土结构的损伤,断裂能损失率与相对动弹模损失率之间具有良好的线性关系.     

冻融损伤喷射混凝土永久支护结构碳化耐久性分析

高纬度、高海拔地区长大公路隧道的喷射混凝土永久支护结构常年遭受冻融损伤及碳化双重作用,其结构耐久性能退化,增大了隧道的养护及运营成本。采用先气冻气融后快速碳化的方式,开展冻融损伤喷射混凝土永久支护结构碳化耐久性试验研究,以冻融损伤喷射混凝土碳化深度和相对抗压强度为指标,研究冻融损伤喷射混凝土碳化深度的变化规律及影响因素。结果表明,冻融损伤加速了喷射混凝土的碳化过程,且碳化速度随冻融损伤度快速增大。碳化的冻融损伤混凝土相对抗压强度随着碳化深度增大。冻融损伤度大于10%时,碳化对冻融损伤喷射混凝土相对抗压强度增长不明显。采用IBM SPSS统计软件对试验数据分析,建立了考虑冻融损伤、喷射混凝土配合比参数及成型方式的喷射混凝土碳化深度预测模型。经验证,预测值与试验值总体误差小于20%,标准误差为0.16,模型适用性较好。     

再生混凝土碳化深度预测模型

采用正交试验的方法研究了温度、水灰比、粗骨料取代率和水泥用量4个因素对再生混凝土碳化深度的影响规律.结果表明:温度是影响再生混凝土碳化的主要因素,其次为水灰比、水泥用量及粗骨料取代率;再生混凝土碳化深度随时间的增加而增大,随水灰比的增大、粗骨料取代率的增加而减小.在此基础上,通过实验数据的回归分析建立了再生混凝土碳化深度的预测模型.预测模型计算结果与试验数据对比分析表明,该预测模型所选相关参数合理,能较好地预测普通大气环境下再生混凝土的碳化深度.     

结构型钢纤维对盐-冻融耦合作用下混凝土损伤的影响

为探究钢纤维在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下对混凝土损伤的影响,对多组不同钢纤维掺量的混凝土试件进行快速盐-冻融循环试验。利用超声波法和激光扫描法分析不同掺量盐-冻融后混凝土损伤的效应,通过分析超声波速变化得到混凝土的盐-冻融损伤度D,并建立D与盐-冻融循环次数n之间的韦布尔分布;利用混凝土表面的粗糙度表征混凝土表面损伤,并研究了不同掺量钢纤维混凝土试件表面在盐-冻融循环作用后粗糙度变化率ΔR的作用,以及ΔR与D的函数关系。结果表明：混凝土盐-冻融损伤随着钢纤维掺量的增加而减小;基于超声波法建立的损伤度D与盐-冻融循环次数之间较好地满足两参数韦布尔分布,决定系数大于0.95;混凝土试件损伤度D随粗糙度变化率ΔR的变化规律满足指数函数关系,决定系数大于0.80。     

混凝土冻融损伤特性分析及寿命预测

通过对混凝土冻融损伤特性的分析,混凝土冻融破坏可以用与疲劳问题相类似的方法来分析.混凝土材料特性的离散性.导致在给定损伤量状态下的冻融循环次数是一个随机变量,分析发现它较好地服从三参数Weibull分布.基于三参数Weibull分布模型,在已有试验数据的基础上,建立了冻融环境下混凝土损伤量与冻融循环次数的概率关系曲线,并回归得到不同保证率下冻融循环累积损伤模型.为冻融环境下混凝土寿命预测以及健康诊断提供了参考依据.     

混凝土碳化深度的预测模型

根据前人在混凝土碳化方面的研究成果,选取混凝土强度等级、环境温度、环境相对湿度、二氧化碳浓度和碳化时间为主要影响混凝土碳化深度的因素,研究了诸因素与混凝土碳化速度的关系,建立了混凝土碳化深度的预测模型.经过理论和工程实践证明,该模型既具有一定的理论基础,又具有很好的实用性,基本上可以用于工程实际.     

CFRP加固混凝土梁的冻融试验研究

FRP材料在土木工程加固中的应用越来越广泛,碳纤维(CFRP)虽然在加固工程中已得到广泛应用,但其长期的加固性能尚未得到证实.尤其在我国北方较寒冷地区,冻融破坏是造成潮湿环境中混凝土结构破坏的主要原因,因此研究冻融循环对碳纤维加固的混凝土构件的影响很有现实意义.本研究采用快速冻融试验的方法,分析冻融循环对混凝土梁及碳纤维加固梁的性能影响.试验研究显示碳纤维基本能够满足寒冷地区的加固要求.     

动荷载下粉煤灰土冻融损伤特性试验

为研究粉煤灰土作为路基填料的动力特性,通过粉煤灰土冻融循环后的动三轴试验,得出了动强度与冻融循环次数的关系,动模量与冻融循环次数的关系及动模量损伤数学模型,与试验对比结果表明:冻融循环次数与初始动模量预测粉煤灰土路基的动力性能指标的变化,模型具有较高的精度.有助于评估冻融循环对粉煤灰土路基使用寿命的影响.     

混凝土正交各向异性损伤模型的研究

混凝土的基本破坏机理是微开裂。基于不可逆过程热力学,用连续介质力学的方法建立了一个混凝土正交各向异性损伤模型。在模型中用一个二阶对称张量Ｄ来描述损伤,利用能量等效假设来考虑损伤对弹性张量的影响,并直接假设了损伤增量与不可逆应变增量之间的关系式,而不是用经典塑性理论来处理不可逆应变。模型只需一个加载函数。模型与Ｋｕｐｆｅｒ,Ｔａｓｕｊｉ等的试验结果吻合较好。     

冻融循环条件下受荷岩石的损伤本构模型

基于岩石细观结构的非均匀性,建立了冻融受荷岩石损伤扩展本构关系,通过冻融损伤、受荷损伤与总损伤3个损伤因子描述岩石材料各层次的劣化程度及损伤演化途径。通过与岩石冻融循环力学特性试验结果对比,证明所建立的模型能够很好地反映不同冻融循环次数下岩石应力应变的变化关系。     

基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型

为了准确地模拟混凝土材料的力学性能, 从有效应力的角度出发, 基于连续损伤力学基本原理, 根据混凝土的应力-应变关系曲线 (以改进的Saenz曲线为例) , 推导出混凝土受压损伤演化方程, 建立基于应力-应变曲线的混凝土弹塑性损伤本构模型, 并且开发进入ABAQUS中;通过数值模拟与试验结果对比分析, 结果表明该本构模型可很好地描述混凝土的塑性变形、刚度退化的力学行为;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验进行模拟, 结果表明该模型可较好地模拟地震作用下钢筋混凝土桥墩的损伤演化过程, 因此该方法建立的混凝土弹塑性损伤本构模型具有工程应用意义.     

直接拉伸状态下混凝土动力损伤本构模型的研究

混凝土作为一种率敏感性材料，在不同的加载速率下表现出不同的力学特性。加之其非均匀性，使得混凝土本构关系的研究变得很复杂。通过混凝土动态抗拉行为的实验，得到应变速率对其力学参数的影响规律，通过损伤变量的引入，推导出一种直接拉伸状态下的混凝土动力损伤本构模型，并给出推导直接压缩情况下的动力损伤本构关系的方法。     

混凝土损伤研究综述

系统地综述了混凝土损伤研究的概况 ,并有待进一步研究的问题进行了讨论,内容包括：混凝土材料的损伤机理;混凝土的静、动力损伤研究;徐变损伤;混凝土及结构的高、低周疲劳累积损伤;混凝土概率累积损伤等。     

混凝土双轴压-压细观统计损伤本构模型

细观损伤机制对混凝土材料宏观力学性能产生重要的影响。基于细观统计损伤理论及宏观试验现象,建立了混凝土双轴压-压细观统计损伤本构模型。考虑断裂、屈服两种细观损伤因素,损伤演化过程由主方向的压应变驱动;引入等效传递拉损伤应变的概念,受压方向的压损伤由侧向拉损伤应变控制。采用本文模型对双轴压-压应变比例加载路径下应力-应变曲线形成的包络面进行了预测,提取出双轴压-压强度包络线;从双轴强度、变形特性、包络面形状等角度对材料的双轴压缩损伤机制进行探讨。结果表明：该模型能够有效模拟双轴压-压加载情况下混凝土材料宏观力学行为,能够揭示细观损伤演化机制;细观屈服损伤模式在材料变形破坏过程中起到决定性作用,将整个变形过程分为统计均匀损伤及局部破坏两个阶段;区分峰值应力状态和局部破坏的临界状态,建议后者作为本构模型的最终破坏点。     

混凝土损伤本构模型研究评述

现有混凝土本构关系主要是基于成熟的经典弹塑性模型所建立的,弹塑性模型在数学上较严格,但是与混凝土材料破坏机理不协调,各国学者针对混凝土这类特殊多相复合材料提出了很多基于不可逆热力学理论的损伤本构模型。系统综述了混凝土损伤本构研究的成果,在分析了各个有代表意义的混凝土损伤本构模型基础之上,对比研究了各个模型的特点及各自适用范围,通过总结前人成果,为损伤本构模型研究提供了思路。     

混凝土率相关单轴塑性损伤本构的开发及应用

为了对爆炸作用下钢筋混凝土 (reinforced concrete, RC) 构件动力响应进行简化分析, 需要合理描述混凝土和钢筋的应变率效应, 而LS-DYNA中缺乏能够考虑混凝土应变率效应的单轴本构模型, 因此, 结合Faria单轴塑性损伤模型, 通过黏性规则化方法调整率无关模型的损伤阈值演化律以考虑应变率效应, 并利用LS-DYNA将该模型编制为用户材料子程序VUMAT.以单个单元测试了高应变率下材料的基本性能;基于纤维模型模拟了RC梁在爆炸、冲击作用下的动力响应.结果表明:该本构模型能反映混凝土受拉应变率效应高于受压应变率效应的事实, 同时也能较准确地模拟爆炸与冲击作用下RC梁的动力响应.     

混凝土建筑物碳化深度的模型预测

目的为了研究混凝土碳化对钢筋混凝土结构耐久性的影响.方法从混凝土的碳化机理出发,分析了影响混凝土碳化的主要因素.通过现场试验,对某建筑物的混凝土强度、碳化深度及钢筋保护层厚度进行了测定.结果通过对影响该建筑物的影响因素综合分析,建立了考虑环境因素、混凝土强度、覆盖层等多因素混凝土碳化深度预测模型.结论利用试验数据验证了预测模型的正确性,结果表明在预测混凝土碳化深度时,必须考虑覆盖层的影响.     

循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型

针对高混凝土坝地震过程中复杂的材料非线性问题,建立循环荷载下考虑滞回效应的混凝土损伤模型。模型分别选取符合混凝土实际变形特性的拉伸与压缩骨架线以考虑材料拉压异性,骨架线中含有软化段系数以适应试验结果的离散性。采用不依赖于骨架线形状的滞回效应加卸载特征点表达式,搭建能够反映混凝土循环荷载作用下软化段滞回效应的卸载路径与重新加载路径,并建议设立残余应变临界值解决残余塑性应变与卸载应变比值随应变增长的持续发散问题。模型将复杂多轴问题转化至单轴等效应变空间中求解,计算参数少,数学表达式简单,并通过混凝土循环荷载试验与Koyna重力坝的震害模拟验证了模型在非线性问题求解上的正确性与高效性。