加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

非均质混凝土材料破坏的三维细观数值模拟

在随机骨料模型的基础上,采用特征单元尺度对网格进行剖分,建立了非均质混凝土材料损伤破坏及宏观力学特性研究的三维细观单元等效化模型。对单轴拉伸、单轴压缩条件下湿筛混凝土试件的破坏过程及宏观力学性能进行了模拟分析;研究了混凝土梁的三分点弯拉力学特性,并与平面模型结果作了对比。研究表明：1) 与平面计算模型相比,三维模型更真实地模拟混凝土材料在外荷载作用下的损伤破坏过程,更准确的描述非均质混凝土材料的宏观力学性能,且与实验结果吻合;2) 骨料空间分布形式基本不影响混凝土材料的宏观弹性模量及强度,但影响其破坏过程和破损路径;3) 与随机骨料模型等细观力学方法相比,该方法具有高效性。     

钢筋混凝土梁抗冲击性能研究的细观数值模拟方法

为更真实地描述钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下复杂的破坏过程,结合混凝土细观结构非均质性,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,考虑混凝土细观组分的率效应,将钢筋网嵌入至素混凝土梁,建立了钢筋混凝土梁抗冲击力学行为研究的三维细观尺度数值模型。基于该数值分析模型与方法,研究了落锤速度对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响规律。将细观数值模拟结果与宏观模型结果以及已有试验结果进行了对比分析,包括破坏模式、冲击力、跨中位移以及支座反力等,发现模拟结果与试验结果吻合良好,验证了细观数值分析模型在钢筋混凝土梁抗冲击性能模拟中运用的可行性。     

端部摩擦约束对混凝土单轴动态压缩强度影响分析

混凝土宏观力学行为与其微/细观结构密切关联,考虑内部结构非均质性的影响,假定混凝土是由骨料、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,建立了考虑端部摩擦约束的混凝土细观力学模型。以单轴压缩情况为例,针对不同的端部约束条件,模拟了中低应变率水平下混凝土的动态压缩行为,分析了端部摩擦约束对混凝土动态压缩力学特性尤其是动态强度的影响机理。数值结果表明:1相同加载速率下,混凝土动态压缩强度随端部摩擦因数的增大先增大,后逐渐趋于平稳;2端部摩擦约束效应改变了混凝土的单轴受力状态及损伤分布,对混凝土单轴压缩强度的提高有明显的贡献;3端部摩擦约束条件相同时,摩擦贡献因子随应变率的增大呈减小趋势,且端部摩擦因数越大,减小的趋势越明显。     

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将\     

基于数字图像的混凝土破坏过程的数值模拟

把混凝土看作是由水泥砂浆为基相,粗细骨料为分散相的复合材料。在细观尺度上,应用数字图像处理技术表征混凝土材料中由骨料的形状、大小和分布对混凝土材料造成的非均匀性,在组成相材料内部细微观尺度上,采用统计方法来描述材料的非均匀性,建立了细-微观尺度耦合分析的混凝土损伤数值模型,模拟了混凝土单轴载荷作用下的破坏过程。数值模拟结果能反映出骨料分布和组成相材料的非均匀性对混凝土力学行为的影响,较好的模拟了混凝土试样从裂纹萌生扩展到宏观裂纹形成的整个破坏过程。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明：随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

基于对混凝土破损过程的模拟研究

从细观力学层次出发,把混凝土看作是由骨料、砂浆基质及两者之间的界面过渡区组成的三相复合材料,通过引入细观损伤变量及损伤变量的演化规律模拟了混凝土的破坏过程。首先生成骨料位置随机分布且颗粒级配符合Fuller曲线的数值试件,然后对每一相材料分别赋以服从Weibull分布的随机力学参数(弹模、强度和泊松比等)并规定相应的破坏准则,将通过上述途径获得的混凝土数值试件导入有限元软件Abaqus进行数值模拟。与实验结果的对比显示,提出的随机损伤数值模型能够较好地模拟混凝土板式试件在单拉、单压下的应力-应变关系曲线以及混凝土中裂纹的萌生、开裂过程。     

骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

基于Al/PTFE真实细观特性统计模型的宏观力学性能模拟

通过细观力学有限元方法对Al颗粒增强聚四氟乙烯（Al/PTFE）复合材料的宏观力学性能进行了研究,基于Al颗粒粒径分布统计规律及通过SEM对该复合材料孔洞含量的统计分析,在细观层次上建立了考虑颗粒和孔洞位置和尺寸分布的随机代表性体积单元（RVE）,借助ABAQUS有限元软件,对二维平面应变和三维实体模型在单轴压缩载荷作用下的力学行为进行了数值仿真;并施加了周期性边界条件（PBC）以提高数值计算结果的准确性。此外,分析了不同颗粒含量下复合材料准静态应力-应变关系,重点对细观有限元模型与准静态压缩试验结果进行了对比分析。研究结果表明:二维和三维2种模型均能较好地模拟Al/PTFE的宏观力学性能,且二维模型较三维模型计算效率更高,并进一步证实了PBC的正确性和有效性。      

石墨和炭纤维分别改性热塑性聚酰亚胺复合材料的导热行为

采用石墨、 炭纤维填充改善热塑性聚酰亚胺(TPI)材料的导热性能, 研究了填料物性对材料力学性能和导热行为的影响。在此基础上, 用Nielsen理论模型和有限元方法模拟了复合材料的导热行为, 进一步探讨了填料形状对材料导热系数的影响。研究表明: 炭纤维、 石墨填充TPI均能提高复合材料的导热性能; 用Nielsen理论模型预测石墨、 炭纤维填充TPI材料导热系数与实验值存在一定偏差; 采用有限元法模拟二维复合材料稳态导热行为, 能有效地预测复合材料的导热系数。基于材料内部热流分布模拟分析发现, 填料自身导热性能对复合材料导热行为的影响不明显; 与圆形填料相比, 方形填料改善材料导热性能效果显著。      

An analytical solution for hydraulic conductivity of concrete considering properties of the Interfacial Transition Zone (ITZ)

As a composite material, hydraulic conductivity of concrete depends on conductivity of its components that are the mortar, aggregates and the Interfacial Transition Zone (ITZ). Since hydraulic conduction is analogous to heat and electrical conduction, analytical models from these analogous areas relating effective conductivity of composite to conductivity of its components can be used to find the effective hydraulic conductivity of concrete as a function of properties of its components, i.e., aggregate, mortar and the ITZ. However, effect of the conduction in the ITZ has not been considered in these models. This paper presents an analytical solution for the hydraulic conductivity of concrete as a three-phase composite material. The solution is an extension to the model originally proposed for conduction of composite media with randomly suspended spheres. Results of the proposed model compare well against the experimental results and those obtained from rigorous numerical analysis using the Finite Element (FE) method. The principal significance of this study lies in the development of a versatile analytical model that can be employed as a quick tool for assessment of hydraulic conductivity of concrete without the need for sophisticated FE models at the meso-scale level. It offers more insight into effect of different components of concrete on its overall conductivity.     

Thermal,electrical, mechanical and fluidity properties of polyester-reinforced concrete composites

Polyester particles in concrete are preferred because they provide thermal, chemical and water resistance. In this study, thermal conductivity, electrical resistivity, mechanical strength and water resistance properties of concretes containing polyester granules such as flame-retardant polyester, cationic dyeable polyester and polyester with a low melting point-filled concrete have been analyzed using a full factorial design via Minitab^® version 17. The effect of the most influential factors on thermal conductivity of polyester aggregate reinforced concrete composite has been determined as an interaction between the cationic dyeable and low-melt–point polyester. This mixture is suitable for production of thermal insulating concrete. Moreover, it is concluded that cationic dyeable polyester is the highest corrosion- and water-resistant product among the polyesters used in this study. The recovery rate of 33.94% in the thermal conductivity and 214.89% in the electrical resistivity of polyester-reinforced concrete composites has been obtained with a 28-day compressive strength loss of 41.94% according to the reference concrete in the full factorial design application. These results indicate that the polyester-reinforced concrete composites are quite effective in achieving thermal and corrosion resistance concrete but with noticeable compressive strength loss.     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

纤维增强发泡保温复合材料的制备与性能

为了增强玻化微珠/水泥发泡保温复合材料的力学性能和保温性能,通过掺加改性物理泡沫降低发泡保温复合材料的密度和导热系数,采用改性纤维对发泡保温复合材料进行增强。研究了纤维增强发泡保温复合材料的力学性能和耐水性能,并利用扫描电镜对试样内部微观形貌进行观察,探讨了改性泡沫和改性纤维对发泡保温复合材料的增强机制。结果表明,掺加泡沫明显降低了发泡保温复合材料的密度和导热系数,当泡沫掺量为1.05 mL/g时,试样密度和导热系数分别为186 kg/m³和0.056 W/（m·K）。泡沫改性可有效改善发泡保温复合材料的强度和软化系数,掺加改性泡沫试样的抗折强度、抗压强度和软化系数较掺加乳胶粉试样的分别提高了21.05%、21.43%和13.56%。改性纤维可显著提高发泡保温复合材料的强度和软化系数,掺加改性纤维试样的抗折强度、抗压强度和软化系数较掺加未改性纤维试样的分别提高了25.93%、13.51%和8.33%。     

The effect of polyvinyl alcohol functionalized multiwall carbon nanotubes on the improvement of the compressive strength of concrete

Abstract

Multiwalled carbon nanotubes were functionalized by polyvinyl alcohol in order to synthesize potential additive for concrete to improve mechanical properties. The obtained nanostructure was characterized structurally and surface morphologically by various techniques. These techniques revealed the success of the functionalization process in preparation of the strengthening additive. The mechanical characterization of the concrete composite obtained by the addition of the strengthening additive was performed by the compressive strength method. The results show significant positive effects of the synthesized additive material on the mechanical properties of the prepared concrete composite over the reference material. The novelty of this work is the use of the Fischer esterification reaction for the preparation of the strengthening additives for concrete using polyvinyl alcohol and multiwalled carbon nanotubes.     

Experimental study of the thermo-mechanical properties of recycled PET fiber-reinforced concrete

This work presents an experimental study of thermal conductivity, compressive strength, first crack strength and ductility indices of recycled PET fiber-reinforced concrete (RPETFRC). We examine PET filaments industrially extruded from recycled PET bottle flakes with different mechanical properties and profiles. On considering a volumetric fiber dosage at 1%, we observe marked improvements in thermal resistance, mechanical strengths and ductility of RPETFRC, as compared to plain concrete. A comparative study with earlier literature results indicates that RPETFRC is also highly competitive over polypropylene-fiber-reinforced concrete in terms of compressive strength and fracture toughness.     

国内节能型剪力墙技术研究和应用现状分析

节能型剪力墙体系主要由承重-保温型结构材料构成,轻骨料混凝土是应用较多的承重-保温型结构材料。本文介绍了常用的一些轻骨料混凝土的材料性能和力学性能,如抗压强度、导热系数及应力-应变本构关系等。通过对相关文献结果的比较分析得出,轻骨料混凝土剪力墙在自身热工性能上有明显改善。力学性能方面,在承载力满足设计要求的前提下,延性性能优于普通混凝土剪力墙,拥有较高的抗震安全储备。同时介绍了免拆模复合剪力墙体系和新型夹心剪力墙体系,论述了它们的热工性能和构造组成。通过对比分析,得出轻骨料混凝土是节能型剪力墙体系中具有广阔应用前景的承重-保温型材料。     

低模量聚酯纤维/水泥基复合材料抗冲击性能及损伤机制

研究聚酯纤维长径比、掺量对混凝土抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、断裂韧性及冲击荷载等力学性能的影响;运用复合材料理论和纤维间距理论对聚酯纤维/混凝土增韧阻裂机制进行研究,结合SEM观察微观形貌分析纤维长径比与掺量对增韧阻裂机制的影响;采用正交试验设计方法及激光扫描共聚焦显微镜(LSCM)研究冲击高度、试件厚度、长径比及掺量对纤维/混凝土抗冲击性能的影响。结果表明,长径比为300与600的聚酯纤维会降低混凝土抗压强度,低掺量长径比为150的聚酯纤维通过提高混凝土致密程度使混凝土抗压强度有所提升;在抗拉强度方面长径比为150的聚酯纤维主要以缺陷形式存在,长径比为300的聚酯纤维对改善混凝土内部拉结作用最显著,3%(与胶凝材料体积比)掺量聚酯纤维对提高混凝土抗折强度最显著;对于混凝土断裂韧性,长径比为300与600的聚酯纤维/混凝土断裂韧性提高明显,通过SEM微观形貌发现纤维拉结作用产生的微裂纹会提高混凝土耗能能力,从而提高混凝土极限荷载与破坏时中心挠度,长径比为300的聚酯纤维/混凝土抗拉强度变化规律与复合材料理论和纤维间距理论分析结果较吻合;冲击高度为影响冲击荷载大小的主要因素,纤维长径比较纤维掺量影响较大,通过LSCM三维损伤形貌分析得出长径比为150的聚酯纤维对混凝土材料损伤改善效果较显著,同等掺量下长径比为150的聚酯纤维间距较小导致混凝土局部力学性能提高,从而提高混凝土抗冲击性能。      

AlN-CNTs/聚酰亚胺复合材料的制备与性能

为了研究氮化铝(AlN)和碳纳米管(CNTs)对聚酰亚胺(PI)的导热、热学、力学性能的协同效应,采用湿法球磨和热压成型法制备了AlN/PI和CNTs-AlN/PI复合材料。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜对复合材料进行了物相分析和断面形貌表征,分别考察了AlN及其与CNTs协同对PI复合材料的导热、热学、力学性能的影响。结果表明,AlN和CNTs在PI基体中分散均匀且接触界面良好,AlN的加入可以显著地提高复合材料的导热性能,且对复合材料的热稳定性和力学性能有一定的提高;固定AlN的含量为10%,加入少量的CNTs可以提高复合材料的导热性能,但对复合材料的力学性能有一定的负面影响。