开裂混凝土有效导热系数的细观数值研究

通过建立一种细观数值模拟方法,研究了混凝土力学行为对其导热性能的影响,揭示了有效导热系数在拉伸破坏过程中的变化规律。研究发现,混凝土开裂明显阻碍热流通过,导致其有效导热系数显著下降,而且,有效导热系数变得各向异性,造成热流方向改变。因此在热-力耦合计算中不能忽略裂纹对温度场的影响。继而研究了骨料体积含量对开裂混凝土导热系数的影响,结果表明无论是开裂前还是开裂后,骨料体积含量越高,其导热性能越好,有效导热系数下降率越大。通过与已有试验成果比较,验证了本文细观数值模型的正确性,所给出的预测开裂前后混凝土导热系数的方法,可用于热-力耦合分析。     

基于多相复合材料的混凝土导热系数预测模型

混凝土温度场分析是混凝土结构耐久性以及服役寿命预测的重要依据,而导热系数则是确定时变温度场分布的主要参数。考虑材料组成的非均质性,将混凝土视为由连续相水泥砂浆、分散相粗骨料以及二者薄弱界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并基于复合材料导热系数模型,建立了混凝土及其组成单元(水泥砂浆和ITZ界面)导热系数的计算模型;在此基础上,对比分析了水灰比、粗骨料体积分数、砂率、饱和度和界面热阻等因素对混凝土导热系数的影响规律。结果表明:混凝土导热系数随饱和度、粗骨料体积分数的增加而增大,随水灰比的增大而减小;考虑界面热阻的混凝土导热系数预测模型,能够更好地揭示饱和度与砂率对混凝土导热系数的影响机理。     

混凝土破裂过程三维数值模拟及CT验证

将混凝土简化成由骨料、水泥砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,建立了混凝土骨料随机分布三维模型,用界面单元多次细分技术进行有限元网格划分,基于弹性损伤本构关系采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度。对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算,并从混凝土破坏过程图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果,发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性,说明用本文建立的三维数值模型模拟混凝土材料的损伤破坏过程是基本可行的。     

秸秆混凝土的导热系数及抗压承载力的试验研究

秸秆是一种保温性能非常好的材料,并且是一种每年可再生的资源,把这种材料应用于建材领域,研究节能立废的新型墙体材料,具有促进建筑结构工业化快速发展和节约能源、减少环境污染的重要意义。本文在秸秆混凝土中分别加入粉煤灰和硅灰,通过试验研究秸秆混凝土试块的导热系数以及抗压强度,研究发现粉煤灰的掺量越多,试块的保温性能越好,但其抗压强度越低;掺有硅灰的试块,硅灰的掺量越大其抗压强度在一定范围内越高。     

不同温度条件下混凝土导热系数影响因素研究

为了研究混凝土在不同温度条件下的导热系数变化规律,利用单因素试验方法,以骨料体积分数、砂率、水胶比、饱和度粉煤灰掺量、矿渣掺量为因素,采用QTM-500导热仪测试混凝土在不同温度条件下(-30～20 ℃)的导热系数,并分析各影响因素对混凝土导热系数在不同温度条件下的变化规律,最终得出混凝土导热系数与各因素之间的预测方程。结果表明:混凝土导热系数与温度呈负相关性;混凝土导热系数随着骨料体积分数的增大而增大,随着砂率的增大而减小;干燥状态下,混凝土导热系数随着水胶比的增大而减小;饱和状态下,混凝土导热系数大于干燥状态下混凝土导热系数,随着温度的降低,尤其在0～-10 ℃时,混凝土导热系数骤增;混凝土导热系数随着粉煤灰、矿渣掺量的增加而减小;通过对试验结果进行多元回归,得到了混凝土导热系数与各因素之间的计算模型,该模型预测精度较高。研究结果可为混凝土结构内部温度场的精确计算、保温隔热性能以及表面裂缝的控制提供理论依据。     

基于细观复合材料的寒区混凝土导热系数模型

为分析正负温交替变化对混凝土导热系数的影响机理,进行了温变条件下混凝土导热系数模型研究。提出不同温度下的混凝土孔隙内液相(冰水相)导热系数计算理论,用以表征不同温度下混凝土内部孔隙溶液相变演化特征。从混凝土细观复合材料角度出发,将混凝土看成由等效固相、混凝土孔隙内液相(冰水相)、气相组成的三相复合材料,建立了含温度、饱和度及孔隙分布的串-并联混凝土三相复合材料导热系数计算模型,并与其它模型进行对比计算分析。研究结果表明:串-并联模型计算出的寒区混凝土导热系数与实测值有较好的一致性,且计算精度较高,相对误差范围为8.83%~24.13%;模型计算结果较好地反映了寒区混凝土导热系数与饱和度及温度间的相关关系,在温度敏感区(-10~0 ℃)内,混凝土导热系数发生骤变,变幅范围为2.59%～8.47%。混凝土孔隙内液相(冰水相)导热系数计算模型有效地刻画了温变条件下孔隙溶液相变特征,串-并联三相导热系数计算模型也客观地揭示了正负温交替变化下混凝土导热系数的演化机理。     

基于FDEM的混凝土开裂破坏过程的数值模拟

为了研究混凝土在轴向应力作用下的微裂纹萌生扩展过程和位移场、应力场的变化,采用有限-离散元法(Combined finite-discrete element method,FDEM)进行混凝土数值模型重构,生成了结构上含多边形随机骨料、砂浆和界面过渡区三相物质的数值模型.主要结论如下:(1)有限-离散元法可以很好地模...     

基于内聚力模型的粉煤灰混凝土细观开裂研究

随着粉煤灰混凝土越来越广泛的使用,研究粉煤灰混凝土的细观开裂特性对于粉煤灰混凝土优化设计具有非要重要的意义。以内聚力模型为基础,通过数值试验的方法研究了不同粉煤灰掺量和不同孔隙率对混凝土细观力学参数和开裂的影响。研究结果表明:随着粉煤灰掺量的增加,掺量对砂浆界面单元的影响程度逐渐降低,对ITZ界面单元的影响逐渐增强;粉煤灰混凝土内部孔隙处会形成应力集中现象,微裂纹沿着孔隙发展,降低了混凝土的承载能力。在混凝土的生产设计中,应平衡结构承载能力和经济要求,对掺合料的种类和用量进行合理选择。     

大体积混凝土导热系数反演分析

大体积混凝土的温度场计算一直是坝工混凝土设计和研究的重点。在分析坝体混凝土温度场时,不仅需要坝区的气温、水温资料,还需要知道坝体混凝土的热力学参数。介绍了大体积混凝土导热系数的反演分析原理和方法。结合江垭混凝土重力坝原型温度资料,利用最小二乘法原理建立数学模型,计算出该大坝大体积混凝土的导热系数。计算结果和实验室数据很接近,表明反演分析方法是可信的。利用反演分析得到的导热系数,一方面可对已建工程进行实际安全度的评价;另一方面能对在建工程的设计、施工进行优化。具有一定的科学价值和广泛的应用前景。     

水泥石导热系数影响因素研究

为了研究水泥石在服役期的导热系数影响因素,选取0.25、0.3、0.4、0.5、0.6五种水平水胶比制作水泥石试件,采用QTM-500导热仪测定了水泥石在不同温度下的导热系数,采用甲醇法测定其孔隙率,推出密实状态下水泥石导热系数与温度之间的关系式;利用正交试验方法,选用水胶比、粉煤灰掺量、矿渣掺量作为主要因素,考察不同温度下各个因素对水泥石导热系数影响的大小顺序以及显著性,最终得到水泥石导热系数的预测方程。研究结果表明:水泥石导热系数与水胶比、孔隙率呈负相关性,与温度呈正相关性,温度每提高1℃,密实状态下水泥石导热系数增大0.006 8 kJ/(m·℃·h);在不同温度下,各因素对水泥石导热系数影响的大小顺序为水胶比>矿渣掺量>粉煤灰掺量,且各因素对水泥石导热系数的影响均特别显著;通过对试验结果进行多元回归分析,得到水泥石导热系数与各因素之间的关系式,其预测精度较高。     

钢纤维混凝土结构温度应力特性

通过早期水化热及外界温度影响下的钢纤维混凝土模型试验,得出钢纤维混凝土比普通混凝土具有更好的热传导性,可以减小钢纤维混凝土内部的温度梯度,进而降低表面应力的结论。在试验的基础上进一步通过有限元数值模拟,计算钢纤维混凝土在不同热导率下的温度及温度应力,给出了钢纤维混凝土热导率与温度梯度和温度应力之变化关系。数值计算结果表明,钢纤维混凝土热导率变大,结构内部温差变小,温度应力减小,验证了模型试验所得的结论,表明了钢纤维混凝土的实际抗裂作用。     

钢纤维混凝土热性能及其防裂作用的研究

本文通过一系列的钢纤维混凝土热性能及温度试验研究,得到了不同掺量钢纤维混凝土的绝热温升曲线,给出了不同掺量钢纤维混凝土的水化热温度及温度变形的时程线,揭示了钢纤维掺量与钢纤维混凝土的导热率之关系,最后得出钢纤维混凝土内的温度梯度小于对应的普通混凝土,有助于减小结构的温度应力,对防止混凝土表面开裂起到良好作用的结论。综合其的力学性质,作者认为:该材料对于温度应力具有早期“放“、后期“抗“的特点,在实际工程中充分利用钢纤维混凝土上述特性,做到物尽其用,符合环保与可持续发展的理念。     

钢筋混凝土构件细观数值模拟分析

在混凝土材料细观力学分析模型的基础上,提出了一种钢筋混凝土构件非线性力学特性分析的细观数值方法。使用这种细观力学方法对轴压加载作用下某一钢筋混凝土柱的损伤破坏过程及宏观力学特性进行了数值模拟研究,并与试验结果和宏观力学模型方法分析结果进行了对比。研究表明：（1）细观尺度上,采用细观力学模型获得的钢筋混凝土柱的破环模式及宏观力学性能均与试验结果吻合良好,验证了本文细观力学方法的有效性和准确性;（2）相比于宏观尺度分析模型,细观力学模型考虑了混凝土的非均质特性,从而更真实地揭示了钢筋混凝土柱的破坏过程及破坏模式,且计算结果与试验结果对比也更为吻合。     

基于内聚力模型的混凝土细观拉压统一数值模拟方法

将混凝土内聚力模型的适用范围从原来的细观受拉断裂模拟拓展到了细观受压断裂模拟,并实现了用统一的数值方法来模拟混凝土受压和受拉的细观损伤破坏行为。参考以往的试验研究以及结合内聚力模型的特点,定义了内聚力单元的混合断裂准则以及全局接触关系;建立了不同网格精度的对照模型,讨论了网格敏感性问题;模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩作用下的受力全过程,并对断裂能、界面强度、骨料形状和骨料材料类型进行了参数研究;从破坏形态和力学响应的角度探究了混凝土细观断裂和接触行为对整体力学性能的影响。结果表明:较受拉数值模拟,受压数值模拟结果的网格敏感性问题更突出,过粗的网格划分会限制模型的内力重分布;混凝土在单轴受拉时发生的是偏向于Ⅰ型断裂的混合型断裂,其中因Ⅰ型和Ⅱ型断裂能之差所致的混合型断裂能约占受拉总断裂能的一半;骨料颗粒的光滑程度越高,混凝土的单轴极限拉压强度也越高,但颗粒间的机械咬合作用越弱,导致抗压强度退化越快。     

特高拱坝温度应力仿真与温度控制的几个问题探讨

特高拱坝由于底宽大、岸坡陡,故采用通仓浇筑时施工期的温度控制难度大。特高拱坝的温度场和温度应力有如下几个特点:(1)约束面长且约束强,在二期水冷时约束区会存在上下两个约束面;(2)最低温度出现在封拱灌浆水冷终了时,此时也是拉应力最大的时刻,因此二次水冷是温度控制的关键时刻;(3)陡坡坝段应力大,温控难度大。结合如上特点,以小湾、溪洛渡两座拱坝为例,通过仿真分析结果,讨论施工期温度场、应力场仿真分析的基本要求,及温度控制中需注意的几个关键问题。结论认为:(1)除强约束区很容易出现裂缝要特别注意外,非约束区同样要严格进行温度控制;(2)二期冷却前或过冬前要进行一次大范围中期冷却,以降低二期水冷的降温幅度,同时要严格控制降温速率;(3)冷却区高度要大于2个灌区高度或0.3~0.4L;(4)应以精细仿真分析的结果作为特高拱坝温度控制的依据,如有条件应进行全坝仿真,无条件时则须以3个以上坝段为对象进行仿真分析。     

基于XCT扫描图像的混凝土二维细观受压断裂模拟

为了研究混凝土细观层次断裂力学特性,对混凝土试件进行原位XCT扫描,基于扫描图像提出了具有真实内部结构特征的混凝土二维细观模型,并预先在水泥砂浆和骨料-水泥砂浆界面插入零厚度粘结裂缝单元用以模拟潜在的裂缝。通过对该模型进行混凝土单轴受压数值仿真模拟,讨论其裂缝的发展过程以及不同细观结构和相应参数对混凝土断裂损伤行为的影响。结果表明：数值模拟得到的混凝土二维模型抗压强度与试验测得的强度相接近;混凝土的抗压强度受到水泥砂浆和骨料-砂浆界面裂缝单元的绝对数值影响,其中水泥砂浆裂缝单元强度对材料强度起控制作用;骨料-砂浆界面裂缝单元强度与水泥砂浆裂缝单元强度的比率对裂缝衍生发展有显著影响。     

宝应泵站肘形进水流道混凝土温度应力仿真计算

根据宝应泵站的实际施工过程和现场环境,采用三维非稳定温度场和应力场有限元仿真程序,对该泵站肘形进水流道混凝土施工全过程的温度场和应力场进行时空动态仿真分析,分析了施工期泵站肘形进水流道混凝土结构裂缝产生的原因,提出相应的防裂措施。