混凝土材料的细观结构数值模拟与性能分析

在细观上将混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆和界面三相介质组成的复合材料,根据体视学原理并应用蒙特卡洛方法模拟出混凝土的二维圆形骨料分布;应用理论公式计算出界面厚度,并将界面看作是包围在骨料外面的一层圆环,在细观上模拟生成混凝土的三相组成;基于骨料随机模型,应用有限单元法提出了混凝土稳态氯离子扩散系数的计算方法并与试验结果进行了对比。结果表明,该模型用于计算混凝土稳定氯离子扩散系数是有效的。     

混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型;应用能量等效原理,导出了格构梁和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.基于模拟所得的骨料分布和格构梁与骨料之间的相对位置,确定了每一个格构梁单元的刚度矩阵.通过有限单元分析,获得了混凝土氯离子扩散系数;定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数和骨料级配对混凝土氯离子扩散系数的影响.基于数值结果,发现混凝土氯离子扩散系数随着最大骨料直径的增大而减小;随着界面氯离子扩散系数的增大而增大;骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有较大影响.     

考虑界面的混凝土弹性模量数值模型

由于骨料与水泥浆体的界面对混凝土的力学性能有很大影响，故在混凝土的弹性模量计算中需考虑此界面效应。文中考虑骨料与浆体间界面的几何复杂性，克服传统有限元因界面厚度太小而无法准确模拟的缺点，采用扩展有限元方法以及细观力学对混凝土弹性模量的预测建立了数值模型。最后通过试验结果与模型预测值进行比较，验证了数值模型的有效性。     

一种快速生成三维混凝土骨料模型的混合实现方法

三维随机骨料混凝土模型是由骨料、砂浆基体以及界面层组成的三相复合材料,基于Fortran和ANSYS软件提出了一种快速生成含高体分比球形骨料混凝土模型的混合实现方法,并在此基础上生成三维椭球形骨料(卵石)模型、凸多面体骨料(碎石)模型以及混合模型。算例结果表明,这种新方法可以快速生成三级配球形颗粒混凝土模型所需的骨料数据,相应的骨料投放含量能达到65%左右。混合方法可将骨料颗粒和界面层分离开来,在有限元网格剖分时避免了复杂的单元属性判别。通过对椭球形骨料模型和凸多面体骨料模型的有限元数值模拟,进一步验证了该混合方法的有效性。     

基于ANSYS的混凝土微观层次开裂演化数值模拟

将由富勒曲线所确定的三维混凝土骨料级配曲线转化为二维骨料级配曲线,结合蒙特卡罗方法,确定了混凝土骨料颗粒数,编写了混凝土二维随机椭圆形骨料模型生成程序,在有限元软件ANSYS中模拟了混凝土的骨料、砂浆以及二者之间界面的二维三相组分.在所建立的模型的基础上对混凝土材料在外荷载作用下裂纹的扩展、贯通以及破坏的过程进行了开裂演化模拟.结果表明:骨料和砂浆间的界面层是混凝土的薄弱环节,界面层在数值模型中的模拟、界面单元参数的确定和破坏准则的选取是数值模拟能否成功的关键;在混凝土的破坏过程中先是混凝土界面单元破坏,然后裂纹沿着骨料的边缘进一步发展.并形成贯通,直至失稳破坏,与物理试验的结果保持了一致.     

混凝土界面面积分数和渗流阈值及其应用(Ⅰ)--计算机模拟

应用计算机模拟研究了混凝土界面面积分数和渗流阈值．为了消除边界对骨料分布的影响,引入了周期性边界条件,提出了混凝土细观结构的静态模拟方法．结合Monte Carlo数值积分,获得了混凝土界面面积分数,并由合理的模拟精度确定了合适的样点数和模拟次数．根据计算结果,讨论了混凝土界面之间的重叠效应以及骨料级配、最大骨料直径和界面厚度对混凝土界面面积分数的影响．基于模拟所得的混凝土细观结构,提出了混凝土界面渗流阈值计算的数值方法,并通过与理论解进行比较,证实了该方法的有效性．同时,就最大骨料直径、骨料级配和界面厚度对混凝土界面渗流阈值的影响进行了详细的讨论．     

用于混凝土弹性模量预测的三相格构模型

讨论了用于混凝土弹性模量预测的三相格构模型。通过模拟混凝土细观结构并应用梁单元三角形网格，提出了预测混凝土弹性模量的数值方法、计算结果表明，在合理地考虑了混凝土中骨料、水泥浆基体和界面分布的基础上，该模型预测结果与相应的实验结果良好吻合。另外，基于该模型，可分析界面层厚度、弹性模量和泊松比对混凝土相对弹性模量的影响。     

基于细观物理机制的混凝土损伤数值仿真

首先利用数字图像处理技术生成能反映混凝土真实结构的数值试件,然后从细观角度将混凝土分为三相:骨料、硬化水泥浆体及其界面.根据界面区的细/亚细观物理结构,提出了一类界面过渡区简化模型.对其余两相材料,分别建立了不同的细观单元本构关系及损伤破坏准则.由此,建立了基于细观物理机制的混凝土损伤数值仿真模型.数值仿真结果与真实试验结果比较表明,该方法可以成为一种较可靠的细观损伤数值仿真途径.     

再生混凝土抗压强度的影响因素的有限元分析

运用Ansys有限元软件在细观层次上仿真模拟再生混凝土试件的抗压试验,将再生混凝土看作天然骨料、砂浆、附着砂浆、新界面、老界面五相复合材料组成,运用Ansys建立了二维圆形的随机骨料模型,并以此建立了的二维和三维再生混凝土立方体数值模拟试件,进行轴向受压分析。改变附着砂浆的强度及新、老界面的厚度、再生骨料的取代率等参数,分析它们对抗压强度的影响。模拟结果表明,当附着砂浆强度愈大,新、老界面厚度越小,再生骨料取代率变小、骨料粒径愈小时,再生混凝土抗压强度越大。     

混凝土界面面积分数和渗流阈值及其应用(I)——计算机模拟

应用计算机模拟研究了混凝土界面面积分数和渗流阈值.为了消除边界对骨料分布的影响,引入了周期性边界条件,提出了混凝土细观结构的静态模拟方法.结合MonteCarlo数值积分,获得了混凝土界面面积分数,并由合理的模拟精度确定了合适的样点数和模拟次数.根据计算结果,讨论了混凝土界面之间的重叠效应以及骨料级配、最大骨料直径和界面厚度对混凝土界面面积分数的影响.基于模拟所得的混凝土细观结构,提出了混凝土界面渗流阈值计算的数值方法,并通过与理论解进行比较,证实了该方法的有效性.同时,就最大骨料直径、骨料级配和界面厚度对混凝土界面渗流阈值的影响进行了详细的讨论.     

Multi-scale prediction of the effective chloride diffusion coefficient of concrete

The N-layered spherical inclusion theory is applied to develop a multi-scale model to predict the effective diffusion coefficient of chloride ion in concrete. The model treats concrete as four-phase composite materials consisting of matrix phase, aggregate phase, ITZ (interfacial transition zone) and their homogenization phase. With hardened cement pastes characterized by three parameters such as the porosity, tortuosity and constrictivity, the effect of the cement paste microstructures and ITZ on the chloride diffusivity in concrete is taken into account and the porosity distribution function and effective chloride diffusion coefficients of the ITZ are given in the model based on the cement particle distribution characteristics of the ITZ in concrete. To validate the proposed model, the diffusion coefficient of chloride ion by the steady-state migration test is measured on a series of mortar and concrete specimens and good agreement between the model and experiment is obtained. In addition, the model predicts that the chloride diffusivity of concrete composite materials depends on the chloride diffusion coefficient of the matrix and ITZ, volume fraction of the aggregate and ITZ, with the volume fraction of the ITZ influenced by aggregate size distribution, the volume fraction of aggregate and thickness of the ITZ.     

混凝土真实细观模型的生成及氯离子传输的数值模拟

基于改进的遗传算法和8邻域边界跟踪法,对混凝土断面的数字图像进行处理,得到二值图像并提取粗骨料的边界坐标;根据提取的坐标编写程序,生成浆体集料界面过渡区（ITZ）,得到真实的混凝土细观模型;将得到的混凝土细观模型导入COMSOL软件,模拟海洋水下区氯离子侵入混凝土内部过程,得到不同时刻混凝土内部氯离子浓度云图。研究结果表明：使用的建模和模拟方法所得结果与长期实海暴露混凝土实验结果一致,可以用来研究和评价海洋环境下混凝土的耐久性能;ITZ的存在会加速氯离子向混凝土内部扩散,其厚度越大,扩散过程越快,界面区厚度增大1倍,混凝土表观氯离子扩散系数增大12.3%;对比真实混凝土细观模型与参数化生成的圆形随机骨料模型中氯离子传输模拟结果发现,圆形随机骨料模型中氯离子的浓度总是小于真实细观模型中氯离子的浓度。     

水泥石氯离子扩散系数预测的有限元方法

提出了水泥石氯离子扩散系数预测的二维数值方法。首先，根据混凝土的试验结果给出了水泥石有效孔隙率与总孔隙率关系的经验公式。然后将水泥石看成是一种由固体相和孔隙所组成的两相复合材料，建立了圆形单元细胞。采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞，然后应用有限元法获得水泥石氯离子扩散系数的数值解。最后，将数值结果与文献中试验数据进行比较，初步验证了二维数值方法预测氯离子扩散系数的有效性。     

模型再生混凝土氯离子非线性扩散细观仿真

考虑再生混凝土Cl-结合的非线性,对再生混凝土的二维Cl-扩散性进行仿真模拟分析,研究了再生混凝土的Cl-扩散特性.通过变化再生粗骨料取代率、老界面Cl-扩散系数、浸泡时间和老砂浆厚度等相关参数,对再生混凝土的Cl-单向扩散性能进行了对比分析.结果表明：再生混凝土内部Cl-浓度（质量浓度,下同）非均匀分布,Cl-非线性结合对其扩散影响显著,再生混凝土Cl-浓度沿着扩散深度呈波浪式下降,再生粗骨料取代率、浸泡时间和老砂浆厚度等因素的变化对Cl-浓度的影响随着扩散深度的增加而逐渐变大,且在界面过渡区的影响较为明显.     

混凝土界面面积分数和渗流阈值与应用(Ⅱ)——弹性模量预测

基于所获得的界面面积分数,提出了混凝土弹性模量预测的三相复合圆模型.在细观水平上将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过求解轴对称平面应变问题,获得了三相复合圆模型位移和应力的解析解.利用位移和径向应力的连续性条件,导出了混凝土平面应变体积模量的闭合解.通过与实验结果比较,证实了三相复合圆模型的有效性.定量讨论了最大骨料粒径、界面弹性模量和界面厚度对混凝土弹性模量的影响,结果发现,对于给定的骨料面积分数,混凝土弹性模量随着最大骨料粒径和界面弹性模量的增大而增大,但随着界面厚度的增大而减小.     

海工结构服役寿命预测细观数值模拟研究

在现有二维混凝土随机骨料模型基础上,通过引入正态分布随机数来模拟混凝土界面过渡区厚度的非均匀性,并耦合氯离子扩散、钢筋锈蚀和混凝土损伤,建立了海工结构服役寿命预测细观数值模型.研究表明:由氯离子扩散引起的单根钢筋非均匀锈蚀导致混凝土保护层形成3条主裂缝,3条主裂缝之间夹角约为120°,出现这种现象的主要原因是界面过渡区加速了氯离子扩散,次要原因是界面过渡区的力学性能劣化;在相同钢筋锈蚀量条件下,非均匀锈蚀钢筋混凝土比均匀锈蚀钢筋混凝土的服役年限短,混凝土保护层开裂形态也不一样;数值模拟的氯离子含量分布、裂缝形态与试验数据较为吻合,验证了所建立的数值模型的可靠性.     

轻骨料混凝土弹性模量预测的数值方法

提出了轻骨料混凝土弹性模量预测的快速傅里叶变换法。将轻骨料模拟成多边形,引入周期性边界条件,将轻骨料分布到正方形区域中而重构轻骨料混凝土细观结构。通过划分网格,等距离选取像素点,利用快速傅里叶变换法获得轻骨料混凝土弹性模量的数值解。通过与文献中的试验结果对比,证实该数值方法具有较高的精度。基于模拟结果,分析了最大轻骨料粒径、界面层厚度和界面弹性模量对轻骨料混凝土弹性模量的影响。数值结果表明,这三个因素的影响处于同一个数量级,在6%~10%之间。     

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.