混凝土中氯离子渗透的试验与细观数值分析

采用试验研究与数值模拟相结合的方法,从细观角度研究了粗骨料含量、界面区和孔隙率等对混凝土中氯离子渗透性能的影响。通过氯离子扩散系数快速测定RCM试验和压汞试验,分析了不同粗骨料含量、水胶比、孔隙率与氯离子扩散系数的关系;通过编写程序建立混凝土细观随机骨料模型,进而对氯离子的扩散性能进行数值模拟,分析了粗骨料含量和界面区等细观参数对氯离子渗透扩散的影响。结果表明：数值模拟与试验结果吻合性较好,验证了细观数值模型的有效性;氯离子扩散系数随粗骨料含量的增加而降低;混凝土孔隙率随水胶比的增加而增大,进而增加混凝土的渗透性;混凝土的渗透性能随着界面区厚度和界面区扩散系数的增加而增大。     

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。     

基于LS-DYNA的混凝土三维随机凹凸型骨料数值建模

提出了三维随机凹凸型碎石骨料生成方法,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件进行数值骨料投放模拟,得到了混凝土三维随机凹凸型碎石骨料几何模型。采用"基本单元模型"在投放区域生成立方体网格单元,结合新的空间点与随机多面体空间相对位置判定方法,判定出各单元材料属性,最后生成混凝土三维随机凹凸型碎石骨料有限元模型。以上混凝土细观有限元模型生成方法较好地控制了骨料粒径、数量和级配,生成的数值模型中骨料体积率在55%左右,处于真实混凝土骨料体积率的范围中。生成的数值骨料与真实碎石骨料形状接近。提出的细观混凝土有限元模型为对混凝土力学性能进行细观数值研究奠定了基础。     

开裂混凝土中氯离子扩散行为的细观数值模拟

为了研究氯离子在开裂混凝土中的扩散性能,考虑混凝土细观结构的非均质性,将含有裂纹的混凝土试件视为由砂浆基质、骨料、界面过渡区以及裂纹组成的四相复合材料,建立了带有单条裂纹的二维细观有限元模型.数值模型中,骨料不具有渗透能力,砂浆基质和界面中的氯离子扩散性能由水灰比确定,裂纹相中氯离子扩散系数与裂纹宽度的定量关系由文献中已有试验数据的拟合获得.研究了骨料分布形式对氯离子扩散行为的影响,分析并探讨了不同裂纹宽度下混凝土中的氯离子扩散行为.数值结果与试验数据的良好吻合说明了该方法的准确性.研究结果表明:骨料的随机分布形式基本不影响混凝土中氯离子的扩散行为;裂纹宽度小于50μm时,混凝土中氯离子的扩散行为基本不受裂纹的影响;裂纹宽度介于50-170μm时,氯离子的扩散随裂纹宽度增大而明显加剧;裂纹宽度大于170μm时,氯离子在裂纹附近的扩散趋于二维扩散形态.     

基于多场耦合模型的混凝土冻融三维细观研究

基于蒙特-卡洛理论和工程粗骨料粒径分布情况,将骨料形状简化为球形,应用Matlab与Comsol Multiphysics接口进行二次开发,以生成区分骨料、界面过渡区（ITZ）和砂浆的混凝土三相三维细观模型. 采用改进的热-水-力耦合模型,将耦合模型与物理试验进行验证分析,结果吻合较好. 将该耦合模型应用于研究冻融作用下混凝土三维细观尺度的性能演化规律. 研究结果表明,当渗透率较高时,试件整体第一主应力急剧减小,且出现骨料受压而砂浆受拉的情况;当骨料体积分数增大时,试件应力整体呈现下降趋势. 砂浆渗透率和骨料体积分数对混凝土抗冻融性能的影响较大. 不同的ITZ线膨胀系数下混凝土应力变化不大,说明ITZ线膨胀系数对混凝土抗冻融性能的影响相对较小.     

二维圆形骨料分布的边界效应及简单应用

应用计算机模拟调查了混凝土圆形骨料分布的边界效应。模拟结果表明，当模拟次数趋向无穷大时，混凝土中任一点的骨料分布密度趋近于常数，对于不同的骨料面积百分数，骨料分布密度曲线的形状十分相似，均由上升段，下降段和水平段三部分组成，基于这些模拟结果，将骨料分布密度和边界层厚度表示成混凝土骨料面积百分数的函数，作为一个简单应用，讨论了混凝土氯离子扩散系统的计算。     

钢纤维混凝土细观二维建模与数值研究

提出了二维随机凹凸型碎石骨料生成方法,应用ANSYS/LS-DYNA模拟了数值骨料和钢纤维随机碰撞,得到钢纤维混凝土细观二维几何模型和有限元模型。基于双折线弹性损伤演化本构模型,模拟了素混凝土和钢纤维混凝土数值试件在单轴拉伸荷载下的损伤过程。研究结果表明:素混凝土数值试件的破坏模式与真实素混凝土破坏模式比较接近,掺入钢纤维会改变裂纹扩展的路径;钢纤维混凝土二维模型中,裂纹萌生位置和扩展路径影响钢纤维对混凝土的增强增韧效果。     

基于数字图像内核的再生混凝土氯离子扩散分析

沿海及除冰盐环境下,再生混凝土(Recycled Aggregate Concrete,RAC)的耐久性易受到氯离子扩散的影响。再生混凝土的粗骨料表面往往附着一层老砂浆,结构相对复杂,具有显著的微观不确定性。为了研究微观不确定性对再生混凝土氯离子扩散的影响,本文采用扫描电子显微镜对再生混凝土粗骨料进行观测,得到了一系列再生混凝土细观结构的数字图像。根据再生混凝土骨料的特点,提出了结合随机均质化和多尺度的数字图像驱动理论,建立了再生混凝土五层模型,推导了再生混凝土氯离子扩散的理论公式,并对上述图像进行了数字图像驱动线下部分的分析,求解数字图像内核方程后得到的特征值和特征向量十分理想,耗费较小的计算量即可得到误差较小的结果,表明该研究方法切实可行。     

界面特性及骨料分布对混凝土破坏模式影响

过渡区界面(ITZ)是混凝土细观组分中的相对薄弱环节,对混凝土的宏观力学性能具有重大影响。基于混凝土随机骨料模型,采用扩展有限元法(XFEM),对单轴拉伸及弯拉条件下混凝土材料的细观破坏过程及机理进行数值模拟,研究界面特性及骨料空间分布形式对混凝土宏观力学性能及破坏模式的影响。数值结果表明:(1)不同界面强度使得混凝土具有不同的细观破坏模式,界面强度越高混凝土宏观强度越高;(2)骨料分布形式影响混凝土细观破坏模式,但对混凝土宏观弹性模量及强度的影响可忽略。     

基于格构模型的长龄期混凝土力学性能研究

为研究并预测长龄期混凝土的力学性能,基于三维格构模型构建了考虑真实形状骨料、界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)与砂浆基质的三相混凝土细观模型.结合万家口子水电站工程中的混凝土物理试验,进行了水化数值试验与单轴压缩数值试验,模拟不同龄期混凝土单轴压缩破坏过程,建立了基于水化度的混...     

Quantitative characterization and elastic properties of interfacial transition zone around coarse aggregate in concrete

Backscattered electron images (BSE) obtained by scanning electron microscope was used to quantitatively characterize the microstructure of interfacial transition zone (ITZ) in concrete. Influences of aggregate size (5, 10, 20, and 30 mm), water to cement ratio (0.23, 0.35 and 0.53) and curing time (from 3d to 90d) on the microstructure of interfacial transition zone between coarse aggregate and bulk cement matrix were investigated. The volume percentage of detectable porosity and unhydrated cement in ITZ was quantitatively analyzed and compared with that in the matrix of various concretes. Nanoindentation technology was applied to obtain the elastic properties of ITZ and matrix, and the elastic modulus of concrete was then calculated based on the Lu & Torquato model and self-consistence scheme by using the ITZ thickness and elastic modulus obtained from this investigation. The experimental results demonstrated that the microstructure and thickness of ITZ in concrete vary with a variety of factors, like aggregate size, water to cement ratio and curing time. The relative low elastic properties of ITZ should be paid attention to, especially for early age concrete.     

预应力混凝土氯盐侵蚀模型及耐久性分析

针对氯盐环境下氯离子侵蚀预应力混凝土结构这一耐久性问题,介绍了国内外有关混凝土氯盐侵蚀模型的研究成果,分析评价了几种典型的扩散方程,并改进了预应力混凝土氯离子侵蚀模型.以氯离子扩散速度、表面氯离子浓度以及保护层厚度为分析变量建立了耐久性可靠度分析模型.应采取综合措施提高预应力混凝土耐久性.     

自密实再生混凝土氯离子渗透性能时变规律

为了研究暴露时间对自密实再生骨料混凝土(RA-SCC)抗氯离子渗透性能的影响,并比较其与天然骨料混凝土(NA-C)和自密实天然骨料混凝土(NA-SCC)的抗氯离子渗透性能的差异,将三种混凝土在NaCl溶液中进行浸泡并测定其自由氯离子扩散系数和表面氯离子浓度.结果表明:三种混凝土的氯离子扩散系数随暴露时间的衰减规律符合幂函数变化规律,当混凝土强度等级提高时,RA-SCC表面氯离子扩散系数的时间依赖指数增大,这点与NA-SCC相同而与NA-C相反;三种混凝土的表面氯离子浓度随暴露时间增长规律同样遵循幂函数变化规律,当暴露时间超过60 d时,混凝土表面的氯离子浓度增长不再显著.     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

带裂缝混凝土氯离子扩散作用试验研究及数值模拟

为了准确评估带裂缝工作混凝土结构的耐久性能,针对氯离子在带裂缝混凝土中的扩散过程进行研究。提出了无损制备裂缝的方法,可高效易行地在混凝土侧面及内部产生裂缝。对带裂缝的水泥砂浆试件进行氯盐溶液浸泡试验,深入研究了单缝和双缝试件中氯离子的扩散作用,修正了氯离子的扩散系数,并对带裂缝混凝土的氯离子扩散过程进行了数值模拟。研究结果表明：氯离子会沿裂缝发展方向及垂直于裂缝发展方向扩散,随着水灰比的减小,砂浆试件的抗氯离子扩散性能明显提高,在一定范围内,当裂缝间距增大,双缝间的氯离子扩散交互影响作用明显减小,ANSYS软件的模拟结果与试验数据吻合良好。     

考虑界面过渡区及集料因素的水泥基材料碳化模型

集料和界面过渡区对水泥基材料抗碳化性能有显著影响。基于Fick第二定律,提出一种考虑集料和界面过渡区影响的CO₂扩散模型,模型中首次引入界面过渡区的扩散系数并给出相应参数的计算方法,并基于质量守恒定律给出CO₂反应模型,利用该模型研究荷载作用下C30和C50混凝土中CO₂的浓度分布。结果表明,考虑集料和界面过渡区影响能更准确地计算CO₂在水泥基材料中的扩散系数及碳化深度值。通过与文献中的试验数据进行比较,进一步验证了理论模型的可靠性。模型将集料和界面过渡区作为评价混凝土耐久性的重要因素,为钢筋混凝土结构的设计和寿命预测提供依据。