高强混凝土材料细观冻融损伤与抗压强度的关系

为研究高强混凝土冻融损伤机理及其与抗压强度之间的关系,采用RapidAir结合金相显微镜的方法,实现对混凝土细观冻融损伤的连续观察,探究了细观结构对冻融的敏感程度以及细观破坏对宏观破坏的影响规律。结果表明:对高强混凝土而言,较低的含气量和较大的气泡间隔系数并不意味着较差的抗冻性;孔隙群的冻融响应敏感,且微裂缝出现较早,该区域的缺陷增长能与冻融前期混凝土抗压强度线性下降很好地对应,但此时混凝土的抗压强度下降并不明显;相对孤立的孔和砂浆与粗骨料的界面过渡区较不敏感,这些区域出现损伤后,混凝土的抗压强度逐渐非线性下降,预示着混凝土即将冻碎。     

冻融环境下煤矸石混凝土损伤度评估方法研究

本研究对不同取代率的煤矸石粗集料混凝土冻融后的损伤演化行为及损伤评估方法进行了研究,依据超声波评测法确定损伤层厚度,并对冻融后煤矸石混凝土的抗压强度、损伤层厚度、损伤层特征值的变化规律进行分析;提出以便于工程检测的损伤层作为煤矸石混凝土冻融损伤的评价标准,并通过考虑损伤区域材料的残余强度对所测得的损伤层进行修正。研究结果表明:随着冻融次数的增加,煤矸石混凝土的抗压强度与损伤层特征值逐渐减小,损伤层厚度逐渐增大;引入损伤层修正系数后,冻融损伤度评估结果的精确性显著提高,且随着冻融次数的增加,修正系数逐渐增大,反映出损伤区域材料的残余强度不断减小,实际损伤度逐渐增大的演化行为。     

基于X-CT的高温后再生保温混凝土损伤分析

火灾的发生往往会导致混凝土材料微细观结构的损伤劣化，体现在水化物分解、孔隙结构粗化、热开裂和水汽压力升高诱致开裂等，继而导致材料宏观力学性能及耐久性的下降。轻质高强、内部多孔、高热稳定的玻化微珠(GHB)的细观调控功能可实现混凝土耐高温性能的提升。为了研究受高温作用的再生保温混凝土(RATIC)内部细观结构及裂纹变化特征，本研究首先对高温作用后的RATIC开展了立方体抗压强度试验和CT扫描试验，之后利用基于改进的自适应阈值法和区域生长法的图像分割算法，建立了基于真实结构的RATIC细观模型，分析了不同GHB及再生骨料(RCA)掺量的RATIC试件随温度变化时其内部微裂纹的孕育、萌生、发展及贯通过程。并对RATIC破坏形态与CT结果进行了对比分析。研究结果表明：GHB对裂缝的延伸有显著阻断作用，为蒸汽压提供了释放通道，缓解了砂浆区域、孔隙边界处的开裂，减缓了热量的传播，提升了混凝土抗热致损伤性能。     

浅谈砼冻融性破坏机理和抗冻措施

混凝土在饱水状态下冻融循环产生的破坏作用称为冻融破坏。水在混凝土毛细}L中结冰造成冻胀开裂使混凝土弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性能严重下降,危害结构物的安全。一般混凝土的冻融破坏,在其表面都可以看到裂缝和剥落。本文从混凝土的相关变化以及冻融破坏产生的原因出发,分析了影响混凝土抗冻性能的种种因素,以及改善混凝土抗冻性的措施。     

不同冻融介质作用下混凝土力学性能衰减模型

通过快速冻融试验,研究了三种不同冻融介质(水、3.5wt%NaCl、飞机除冰液)对混凝土质量损失、动弹模量以及力学性能的影响,比较了三种冻融介质对混凝土损伤程度的大小,分析了混凝土相对动弹性模量与相对剩余抗压强度和相对剩余抗折强度之间的关系,基于相对动弹性模量建立了相对剩余抗压强度和相对剩余抗折强度衰减方程。结果表明:3.5wt%NaCl溶液对混凝土的损伤度要远大于单纯水冻融循环对混凝土的损伤度,飞机除冰液对混凝土冻融损伤具有抑制作用;混凝土抗压、抗折强度以及相对动弹性模量随着冻融循环次数的增加而降低;三种冻融介质下混凝土抗压、抗折强度损失率大小关系为:3.5wt%NaCl水飞机除冰液;相对动弹性模量与相对剩余抗压强度、相对剩余抗折强度相关性好,可以通过测定混凝土相对动弹性模量来评估混凝土相对剩余强度。     

钢纤维增强超高性能混凝土抗压性能的细观数值模拟

利用LS-DYNA软件在细观层次上建立了三维钢纤维增强超高性能混凝土（Steel fiber reinforced ultra-high performance concrete,SF/UHPC）圆柱体试件有限元模型,对其轴心受压下的力学性能和裂缝发展进行了数值模拟。在验证细观数值模型的有效性和合理性的基础上进行参数分析,着重研究了钢纤维体积率、钢纤维长径比、形状效应和尺寸效应对超高性能钢纤维混凝土抗压强度、韧性和破坏形态的影响。最终,根据模拟结果拟合了超高性能钢纤维混凝土抗压强度计算公式。结果表明：三维超高性能钢纤维混凝土细观模型可以较好地模拟单轴受压应力条件下混凝土的静力性能和损伤破坏机制,所拟合的公式也能较好地预测超高性能钢纤维混凝土的抗压强度。     

混凝土冻融循环下动态破损机理的试验研究

对冻融环境下混凝土试样进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,得到了混凝土材料经历不同冻融循环次数下的质量损失及破损形态,分析了冻融循环下混凝土试样的全应力—应变曲线,并给出了其单轴极限抗压强度、峰值应变随加载速率的变化特征。通过运用CT细观试验的方法初步对经历不同加载速率下的试样进行了细观结构分析。试验结果表明:在相同加载率下,混凝土单轴动态极限抗压强度随冻融循环次数的增加而降低;在相同冻融循环次数下,混凝土单轴动态极限抗压强度随加载速率的增大而提高;冻融循环作用下,在低加载速率下,混凝土试样破坏时,裂纹数目较少,主要沿砂浆和交界面处扩展,破坏时呈现出集中式的分布;而在高加载速率下,裂纹逐渐变得分散,破坏时呈现弥散状分布式的裂纹,随着加载率的提高,裂纹穿过骨料的现象增多,骨料破坏数目呈指数形式增长。以此,通过试验系统地研究了冻融循环下混凝土动态破损机理。     

高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响：精细化模拟

为研究高温效应对钢筋-混凝土动态黏结性能的影响,建立了考虑带肋钢筋表面特征和混凝土材料非均质性的三维细观模型,与试验的破坏模式和黏结应力-滑移曲线进行对比,验证了细观模型的合理性。在此基础上,分析了高温下和冷却后钢筋-混凝土动态黏结应力-滑移行为的变化规律。结合数值模拟结果,建立了考虑高温效应的动态黏结强度预测公式。结果表明：细观模型能够反映变形钢筋与混凝土界面的开裂过程和黏结破坏机理;随着应变率的增加,高温下或冷却后的混凝土损伤区域逐渐减小;应变率相同时,高温下混凝土的损伤区域明显大于冷却后;随着温度的升高,高温下或冷却后试件的极限黏结强度均线性下降;相同温度环境下,应变率增加使得极限黏结强度非线性提高;预测结果与试验结果的良好吻合,说明本文提出的经验公式可以合理反映钢筋-混凝土动态极限黏结强度的高温效应。     

冻融循环作用下玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土压拉强度试验与细观结构

对玄武岩纤维-矿渣粉-粉煤灰混凝土(BF-SP-FAC)进行了单轴抗压试验、劈裂抗拉试验、冻融循环试验、气孔结构测试试验和SEM分析。研究了不同冻融次数下BF-SP-FAC冻融损伤量、抗压强度、抗拉强度的变化,分析了气孔结构参数(含气量、气孔比表面积、气泡间距系数和气泡平均弦长)与BF-SP-FAC抗压强度、抗拉强度、冻融损伤量的关系,运用灰关联熵分析法讨论了BF-SP-FAC气孔结构参数对抗压强度、抗拉强度、冻融损伤量影响的主次关系。结果表明:相同冻融次数下,与其他纤维掺量相比,玄武岩纤维掺量为0.18vol%时,BF-SP-FAC抗冻性能较好,抗压强度和抗拉强度最高;在相同玄武岩纤维掺量下,随含气量、气泡间距系数、气泡平均弦长的增大,BF-SP-FAC抗压强度和抗拉强度减小,而冻融损伤量增大;随气孔比表面积的增加,BF-SP-FAC抗压强度和抗拉强度增大,而冻融损伤量减小。气孔比表面积是影响BF-SP-FAC强度的最主要因素,而气泡平均弦长是影响BF-SP-FAC冻融损伤量的主要因素,最小灰熵关联度分别为0.998和0.993。气孔结构参数与强度、冻融损伤关系的建立,可预估混凝土的强度与冻融损伤。      

混凝土双轴拉-压综合随机损伤本构关系研究

实际工程中的混凝土结构大多处于复杂应力状态,该文考虑混凝土组成材料物理性能的差异及横向变形性等特点,基于混凝土单轴受拉弹簧-摩擦块细观单元,建立混凝土双轴拉-压随机损伤细观模型。在双轴拉-压荷载组合作用下,根据混凝土破坏过程中的能量守恒原理,分别建立超高强高性能混凝土、普通混凝土及高强混凝土综合随机损伤本构关系,并针对损伤本构函数进行多参数灵敏度分析。通过理论值与试验结果的比较,验证了提出的随机损伤本构关系的有效性。     

橡胶/混凝土盐冻循环后性能劣化及微观结构

制备普通混凝土(Normal concrete,NC)和橡胶/混凝土基体(Rubber/NC),研究盐冻循环60次内,表观现象、剥落量、抗压强度损失等性能指标劣化过程,采用超声波无损检测法评价混凝土盐冻循环破坏前后超声参数变化,建立相对波速、损伤度与抗压强度的关系,利用SEM观察盐冻循环损伤前后试件微结构变化。结果表明:随盐冻循环次数增加,混凝土试件表面剥蚀愈显著,剥落量增加,内部损伤、强度损失逐渐加剧,超声参数与抗压强度具有密切相关性;混凝土经历盐冻破坏后,内部结构呈疏松絮状,孔隙、裂纹愈加显现,密实度下降,造成宏观力学性能劣化。但弹性橡胶细集料掺入后有效缓解结冰压引起的内部开裂和孔隙扩大,各阶段橡胶/混凝土基体劣化程度均优于普通混凝土,以橡胶掺量 (与胶凝材料质量比) 10% (10%Rubber/NC)各性能指标最优,经历60次盐冻循环后,普通混凝土抗压强度损失率为58.5%,10%Rubber/NC抗压强度损失率为48.0%。      

不同超低温温度区间冻融循环作用混凝土受压强度试验研究

通过混凝土经历3种温度区间(10℃～-40℃、10℃～-80℃和10℃～-160℃)的冻融循环作用试验,探讨不同的超低温温度作用区间对混凝土受压强度的影响。结果表明:经历不同超低温温度区间各种冻融循环作用次数的试件,上下限温度时加载的破坏形态虽基本上呈对顶锥状,但其破坏过程声响和破坏状况等不尽相同;经历超低温冻融循环作用混凝土的受压强度变化规律明显不同于遭受自然环境温度下冻融作用,各超低温温度区间的冻融循环作用影响也不同。下限温度较高温度区间的冻融循环作用初期,混凝土受压强度将提高,但之后随冻融循环作用次数的增加呈波动状的恶化态势;不同超低温温度区间的混凝土单次冻融循环作用损伤指标和累积冻融循环作用损伤指标存在明显的差异。对于下限温度较高的温度区间,下限温度时它们经历较多次冻融循环作用后仍为正值,而下限温度较低的温度区间则经历数次冻融循环作用后便始终为负值,表明混凝土累积损伤较前者严重。这些结果可为可靠地进行液化天然气储罐类混凝土结构设计提供参考。     

冻融低剪跨比RC梁抗震性能试验研究

通过人工气候模拟实验室对6榀剪跨比为2.6的钢筋混凝土(Reinforced concrete, RC)梁试件进行加速冻融循环试验,继而对其进行拟静力加载试验,根据试验结果分析了冻融循环作用和混凝土强度变化对RC梁试件破坏形态、滞回曲线、承载能力、变形能力和耗能能力等抗震性能指标的影响。结果表明:冻融后混凝土抗压强度降低,内部孔隙率变大,微裂缝增多,梁试件表面出现裂缝。各梁试件在拟静力加载试验后均发生了弯剪破坏。随着冻融循环次数的增加,试件的承载能力与耗能能力逐渐退化,延性先略微增长后显著下降;随着混凝土强度等级的提高,试件受冻融循环作用造成的损伤程度有所减轻,各试件的屈服、峰值、极限承载力均有所增大,耗能能力增强,延性无明显变化。     

不同强度等级混凝土遭受超低温冻融循环作用的受压强度试验研究

通过设计强度等级C40、C50及C60混凝土经历0次、16次和30次温度区间分别为15℃~-120℃和15℃~-190℃的冻融循环作用试验,探讨不同强度等级混凝土超低温冻融循环作用下受压强度变化规律。试验结果表明,不同强度等级混凝土试件上下限温度时加载的破坏形态基本上类似、均大致呈对顶锥状,但其破坏面状况等破坏特征有所不同。经历各种超低温冻融循环作用工况混凝土上、下限温度时的相对受压强度随其含水率增加基本上均呈下降趋势。而随强度等级提高,上限温度时混凝土相对受压强度呈增大态势,但各强度等级混凝土均随冻融循环作用次数的增加呈下降趋势;下限温度时不同超低温温度区间的混凝土相对受压强度虽也基本上有所增大,但增大的原因存在明显的差异。给定的超低温冻融作用温度区间工况下各强度等级混凝土下限温度时相对受压强度随冻融循环作用次数增加的变化趋势相似,但不同温度区间时却不同。超低温冻融作用对混凝土性能影响与常规冻融作用不同,其受压强度恶化更为严重。实际工程中不能直接地将常规冻融循环作用研究结果应用于设计具有超低温冻融作用的混凝土结构。     

Fracture mechanics of air-entrained concrete subjected to compression

Air voids are entrained in concrete for protection of constructed elements, especially highway pavements, against freeze-thaw damage. Entrained air void systems inadvertently reduce the compressive strength of the concrete. The present study describes development of an analytical model for evaluation of the effects of entrained air void system on the compressive strength of concrete. The model developed here will assist in predicting the compressive strength of concrete for specified mix designs. The constitutive relationships for air-entrained concrete were established by considering a micro cracked porous material with randomly distributed circular air voids and uniformly oriented cracks from the air voids. Linear elastic fracture mechanics was employed to explain the evolution of damage due to the individual voids and cracks that emanate from such voids. The damage model considers the interactions among the voids and cracks during various stages of loading. The analytical results from this study were evaluated through an experimental program for comparison of the computed and measured compressive strengths. A wide range of samples were examined that included concretes with air contents ranging from 2% to 13% air by volume of concrete. The experiments involved microscopic determination of air content and spacing factors as well as compressive strength tests for all the concrete samples.     

自密实再生块体混凝土直剪性能试验研究

对29个尺寸为300 mm×300 mm×600 mm的自密实再生块体混凝土棱柱体试件开展直剪性能和单轴受压性能试验研究。探讨了废旧混凝土块体取代率及特征尺寸对自密实再生块体混凝土的直剪强度、抗压强度的影响,并进一步分析了自密实再生块体混凝土棱柱体的直剪强度与抗压强度之间的关系。试验表明:自密实再生块体混凝土内新混凝土与废旧混凝土粘结良好;当自密实再生块体混凝土中的自密实混凝土强度高于废旧混凝土块体强度时,试件的直剪性能会由于废旧混凝土块体的取代率的增加而劣化;特征尺寸比介于0.22~0.44时,块体的特征尺寸对自密实再生块体混凝土直剪强度和抗压强度的影响不明显,可以近似忽略;自密实再生块体混凝土的剪压比随废旧混凝土块体取代率和特征尺寸均无显著变化,其值近似为0.1。基于试验结果,提出了棱柱体自密实再生块体混凝土试件的直剪强度计算公式,建立了直剪强度测试值与抗压强度计算值之间的关系,计算结果与试验值吻合良好。     

预吸水硅藻土对高强混凝土早期抗裂性能的影响

本工作创新性地将硅藻土进行预吸水处理,将其作为掺和料掺入高强混凝土中以解决高强混凝土易出现早期开裂的问题。试验研究了质量分数为1％、3％和5％的干燥硅藻土经过预吸水处理后对高强混凝土(混凝土等级C60)在特定状态下的早期抗裂性能和基本力学性能的影响,并结合水分蒸发试验,研究了掺入预吸水硅藻土后混凝土的失水规律。结果表明:与基准混凝土相比,预吸水硅藻土掺量为1%、3%和5%的高强混凝土的早期开裂面积分别减少31.8%、54.4%和65.8%,显著提高了高强混凝土的早期抗裂性能,同时降低了高强混凝土前期水分蒸发速率和质量损失,抑制其塑性收缩。另外,预吸水硅藻土的掺入对抗压强度未产生较大的负面影响,对劈裂抗拉强度与拉压比稍有提高。