温湿度耦合作用下细观尺度混凝土裂缝扩展仿真

早龄期混凝土拆模后易出现不同程度的裂缝,这在影响结构美观的同时,为后期承载埋下了隐患。为研究混凝土早龄期裂缝扩展机理,本文借助试验和仿真手段展开了分析。首先,以3组大体积混凝土构件为试验对象,借助温湿度数据采集系统对早龄期阶段混凝土裂缝扩展规律展开了试验研究;其次,提出了一种模拟温湿度耦合作用的实用新方法,对温湿度梯度引起的构件应力等问题进行了数值仿真;最后,基于细观尺度模型,编制了温湿度耦合作用下混凝土裂缝扩展程序,对早龄期混凝土开裂行为进行了数值模拟,并将模拟结果与试验对比。分析表明,早龄期裂缝集中出现在水化热反应最剧烈的阶段,裂缝形态以横向裂缝为主,分布呈现高随机性特征。数值仿真在一定程度上正确反映了试验结果。     

混凝土早龄期性能与裂缝控制

从混凝土微观结构出发,研究普通混凝土、高性能混凝土成型过程的时变温度场;对裂缝持续增长的早龄期混凝土物理、力学特性进行深入、系统的研究;综合考虑混凝土材料、结构特征,研究混凝土结构早期裂缝的成因机理、分析方法与控制措施;提出裂缝开展的预测和控制方法,建立裂缝扩展过程的损伤模型;在理论分析与试验研究的基础上,总结了混凝土早龄期的水化、温度、收缩、徐变、力学性能和断裂性能随时间的发展规律;综合分析各种因素对混凝土早期开裂的影响,推导了混凝土结构内部应力的增量计算方法。对室内试验与实际工程的研究表明：对混凝土早期开裂的分析应该是对混凝土温度、收缩、徐变、力学性能、结构特征等因素的综合动态分析,提出的混凝土早龄期开裂分析模型与试验结果吻合良好,采用理论模型结合数值模拟的方法可以有效提高分析过程的效率与准确性。图18参22     

混凝土早龄期性能与裂缝控制研究

混凝土在建筑施工时有很大的用处,并一定程度上影响着建筑物的质量。本文通过探讨混凝土的早龄期性能,围绕混凝土的早期开裂机理、损伤塑型与弥散裂缝模型、早龄期温度裂缝控制与数值模拟、混凝土的结构开裂、混凝土早期裂缝控制的具体应用六个方面展开讨论,希望对混凝土的早龄期裂缝控制有一定的掌握。     

混凝土温湿耦合研究

综述了混凝土温度与湿度耦合问题的研究成果与工程实践经验，分析了混凝土温湿耦合问题的主要特点，比较了线性耦合理论与非线性耦合理论的差别。就涉及早龄期混凝土表面开裂问题的混凝土温湿耦合机理进行了讨论。     

雪峰山隧道进口段仰拱填充结构开裂原因探讨

向莆铁路雪峰山隧道进口段仰拱底板填充结构施作后出现大量未贯通的“V”字型裂缝。通过对衬砌结构受力状态分析发现,若只考虑围岩压力,不会导致仰拱底板填充结构出现裂缝;而考虑围岩压力与水压力共同作用时,最大主应力极值出现在填充结构上部靠近隧道轴线位置,为拉应力,且最大主应力极值会大于素混凝土的极限抗拉强度,会产生拉裂缝。通过现场水压力试验验证了作用在仰拱中心水压力值较大,而两侧水压力值相对较小的结论,作用在仰拱填充结构上的水压力是导致其开裂的主要原因。因此,对于处在地下水位线以下的隧道不但要考虑衬砌背后排水系统畅通,也要考虑设置隧底排水措施,以降低作用在隧底结构上的水压力,从而减少类似隧道病害出现。     

纤维混凝土隧道衬砌地震动力响应特性的振动台试验研究

 为研究纤维混凝土隧道衬砌在地震动力作用下的动响应特性,对普通混凝土隧道衬砌与纤维混凝土隧道衬砌开展大型振动台模型试验,分析隧道衬砌的震害特征、地震动应变、结构内力和应变基线响应规律。试验结果表明：水平地震荷载及地层压力共同作用下,2种隧道衬砌均为仰拱最先开裂,其次为拱腰开裂,衬砌结构破坏模式主要为开裂、掉块和裂缝两侧挤压破坏;素混凝土隧道衬砌出现开裂破坏早,裂缝易贯通,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移大;纤维混凝土隧道衬砌出现开裂破坏晚,裂缝两侧混凝土基体在振动过程中相对位移小,裂缝呈挤压破坏状;纤维延缓衬砌结构裂缝的产生和阻碍裂缝的扩展;地震波加速度峰值从0.1 g增大到1.0 g时,素混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度显著增大,而纤维混凝土隧道衬砌动应变极值和裂缝宽度先在一定范围内缓慢增长然后迅速增大,但最终2种衬砌动应变极值和裂缝宽度大致相等,说明纤维混凝土隧道衬砌在一定地震荷载范围内可以有效避免开裂和减小裂缝宽度;纤维混凝土隧道衬砌压缩变形率较小,当输入地震波加速度峰值为0.1 g和0.4 g时,纤维混凝土隧道衬砌结构动弯矩极值较低,受力更均衡,能有效地抵御地震荷载。     

早龄期混凝土徐变性能和损伤发展研究

混凝土的徐变性能和损伤发展对于混凝土结构的耐久性有重要影响。混凝土徐变往往是混凝土裂缝萌生的起源,是结构预应力损失及应力重分布的原因。徐变对混凝土性能的影响在混凝土的早龄期阶段更为明显。为此,进行了早龄期混凝土梁的三点弯曲断裂和徐变试验,来揭示早龄期混凝土梁的徐变发展规律以及徐变对混凝土损伤发展的影响。之后,从细观层面对混凝土梁的徐变及损伤发展进行了数值模拟,并得到了混凝土梁裂缝扩展的过程。试验和数值模拟结果表明早龄期混凝土更容易发生徐变变形;低应力水平下的徐变没有对早龄期混凝土的损伤发展产生明显影响;混凝土徐变产生的微裂缝出现在水泥砂浆与骨料颗粒的交界面处。     

温湿度耦合效应下早龄期混凝土的相对湿度场

早龄期混凝土温度和相对湿度的时间空间变化规律是揭示混凝土早期开裂的关键。为此,建立了早龄期混凝土温度湿度耦合作用分析模型,采用无条件稳定向后差分格式,考虑水化作用、自干燥作用、温湿度扩散作用以及温湿度耦合机制,分析早期混凝土相对湿度的时间空间变化规律,定量揭示相对湿度的空间不均匀性,分析了水灰比、环境相对湿度以及表面水分交换系数等对相对湿度及其空间变化规律的影响。与实验结果的对比验证了模型的合理性,结果表明:温湿度扩散作用对相对湿度的影响随距扩散表面距离的增加而减小,水灰比对相对湿度的影响与位置无关,而环境相对湿度和表面水分交换系数主要影响混凝土扩散表面附近的相对湿度场。     

无机聚合物混凝土温度-应力试验研究北大核心

混凝土浇筑过程中的温度应力是研究混凝土早期内部裂缝的关键因素之一。利用清华大学研发的温度-应力试验机,对无机聚合物混凝土进行早期开裂敏感性能研究,并与普通混凝土进行比较,分析无机聚合物混凝土早期温度、应力以及变形的发展规律。研究表明:(1)无机聚合物混凝土抗裂性能优于普通混凝土。无机聚合物混凝土开裂温度为14.2℃,开裂应力为2.658 MPa,普通混凝土开裂温度为14.4℃,开裂应力为0.582 MPa;(2)无机聚合物混凝土与普通混凝土的变形发展大致相同,可分为早期收缩、膨胀、收缩至开裂3个过程;膨胀阶段:无机聚合物混凝土最大伸长量为114.2μm,普通混凝土为108.15μm;收缩阶段:无机聚合物混凝收缩至72.91μm时断裂,普通混凝土收缩至25.33μm时断裂;(3)运用有限元软件ANSYS对无机聚合物混凝土浇筑过程的温度场进行数值模拟,模拟结果与实测结果相吻合。     

混凝土热传导与热应力的细观特性及热开裂过程研究

通过对混凝土热传导与热应力细观特性的分析,探讨细观非均匀性对混凝土热学和力学性能的影响作用。计算结果表明:细观非均匀特性对混凝土导热性能的影响并不明显,但对其力学性能的影响作用却不能忽视;骨料颗粒对混凝土的热学和力学性能都有显著的影响作用。温度梯度和热膨胀不匹配共同作用所产生的温度应力极容易导致混凝土开裂,其中温度梯度引起的混凝土开裂过程与热传导系数密切相关。通过对厚壁筒混凝土试样在孔内温度升高情况下裂纹萌生和扩展过程的数值模拟研究,从机理上揭示试验观测的四个裂纹发展阶段。研究结果表明裂缝扩展的局部化效应是主裂纹形成的根本原因。     

现浇隧道大体积侧墙结构混凝土裂缝控制技术

以控制太湖湖底现浇隧道主体结构大体积混凝土无贯穿收缩性裂缝为目标,基于多场耦合机制抗裂性评估提出了混凝土裂缝控制成套技术。通过掺加具有温升抑制与微膨胀功能的抗裂剂实现混凝土温升和收缩性能的双重调控,采取新型张贴式混凝土保温保湿养护材料实现温降阶段混凝土中心平均温降速率不超过2.0℃/d,内外温差不超过15℃。首件主体结构大体积侧墙自2018年11月浇筑,至今变形监测曲线未出现跳点,实体结构未发现裂缝,裂缝控制效果良好。     

太湖隧道结构混凝土收缩裂缝闭环控制关键技术

太湖隧道是国内目前在建最长、最宽的水下现浇隧道,由于温度收缩和自收缩,超长、大体积、分次浇筑的现浇隧道结构混凝土极易在施工期产生贯穿性收缩裂缝,抑制贯穿性收缩裂缝实现不渗漏是打造平安百年品质工程的重要保障。在考虑材料、结构、环境、施工等因素的基础上采用多场耦合收缩模型进行抗裂性评估与设计,通过温度场与变形历程双重调控、配套相应养护措施实现了混凝土开裂风险全过程精准调控,形成了集管理、设计、材料、施工、验收闭环控制的长效机制。截止目前,工程应用表明已浇筑混凝土未出现贯穿性收缩裂缝,最长已超过13个月,达到预期目标。     

寒区冻融隧道二衬横向渐近偏转演化及力学性态研究

寒区季节性冻融导致围岩破碎层和松动圈的应力应变空间重构,为描述冻融影响下隧道二衬沿断面横向偏转的渐近演化,以吉林老爷岭寒区隧道入口和中段两个代表性断面的拱腰、拱墙390 d现场倾角变形数据为基础,结合衬砌开裂及偏转力学性态特征,应用数值模拟试验,综合分析正温、负温、冻季、融季4时期衬砌渐近性偏转、围岩破碎层及松动圈演化、衬砌应力应变特征等关键问题。研究表明：隧道入口段偏转随季寒交替变化显著,左拱墙和左拱腰测点倾角变化分别呈“倒V”及“下凹”状,偏转在融季响应滞后,在冻季响应超前,在冻融期则有“突变”趋势;而隧道中段受到的影响总体比入口处小,右拱腰在冻季、正温期有不同程度的波动偏转,左拱腰倾角则呈现“上凹”变化,其在融季有滞后偏转现象;计算松动圈直径满足冻融期>负温期>正温期,且隧道入口>隧道中段,通过数值模拟得到塑性区轮廓>计算松动圈,可见在衬砌冻融期的伤害比在其他时期更显著,应防范冻融期温度变化带来的衬砌偏转风险。     

现浇隧道结构混凝土不同裂缝控制技术效果比较

在控制原材料质量、优化配合比、降低入模温度的基础上,依托厚1.3 m、长10 m的现浇隧道模型,比较了分别以掺加具有温升抑制及微膨胀功能的抗裂剂与设置加密冷却水管为核心的裂缝控制成套技术方案效果。尽管采取间距为30 cm的加密冷却水管措施可大幅降低混凝土温峰值,但侧墙结构混凝土仍出现贯穿性裂缝,表明自收缩也是混凝土早期开裂的主要原因之一。模型试验及随后的工程应用结果表明,从功能材料角度出发实现对混凝土温度历程与全过程变形历程的双重调控是抑制现浇隧道结构混凝土早期收缩开裂的关键及可行性方案。     

Effects of geosynthetics on reduction of reflection cracking in asphalt overlays

An experimental program was conducted to determine the effects of geosynthetic reinforcement on mitigating reflection cracking in asphalt overlays. The objectives of this study were to assess the effects of geosynthetic inclusion and its position on the accumulation of permanent deformation. Geogrid position, type of existing pavement, temperature, and joint/crack opening were varied in 24 model specimens tested. Crack propagation under repeated loading was monitored. Results indicate a significant reduction in the rate of crack propagation in reinforced samples compared to unreinforced samples and type of old pavement (concrete or asphalt pavement), geogrid position and temperature affected the type of crack propagation in asphalt overlays. Placing the geogrid at a one-third depth of overlay thickness from the bottom provided the maximum service life.     

基于FDEM的隧道衬砌裂缝开裂过程数值分析

采用杂交有限元–离散元法(FDEM),与日本等比尺浅埋隧道衬砌试验结果进行了对比分析。数值模型较好地再现了试验中衬砌结构性裂缝的初裂、增扩直至破坏的全过程。其次,建立荷载结构模型,针对影响衬砌开裂的3个主要荷载因素,即局部偏压、背后空洞和拱顶松弛地压,分别研究了这些压力不同作用位置、作用范围、作用大小下的裂缝扩展过程、分布规律。为用非连续方法研究衬砌裂缝开裂过程提供了借鉴,同时也为隧道衬砌裂缝病害的防治与加固修复打下了基础。