含微裂纹夹杂多向纤维复合材料的损伤及本构关系

利用细观力学的Ｅｓｈｅｌｂｙ和Ｍｏｒｉ－Ｔａｎａｋａ理论，考虑纤维和筒 裂纹之间的相互作用，研究了材料内部微裂纹的损伤演化规律及其材料力学性能的影响，导出了基本体开裂的 条件及多向复合材料的细观本构关系。     

基于CT图像的再生混凝土细观破坏裂纹分形特征

为深入研究再生混凝土的破坏形态和内部裂纹扩展情况与普通混凝土之间的差异,以不同再生粗骨料(RCA)取代率的再生混凝土为研究对象,利用Phoenix v | tome | x s240微焦点工业CT获取再生混凝土加载到90%预估破坏荷载的二维扫描图像,借助Photoshop CS6图像处理软件,对材料内部破坏裂纹进行提取,进而基于分形几何理论,以分形维数及多重分形谱表征裂纹的分形扩展规律,建立分形维数和多重分形谱特征参数与RCA取代率和再生混凝土抗压强度的关系。结果表明:再生混凝土的细观受力破坏模式与普通混凝土不同,其受力破坏形态不仅取决于粗骨料与水泥浆体的界面黏结强度,还取决于RCA自身性能,当裂纹发展至天然粗骨料或强度较高的RCA时会绕过骨料表面继续发展,发展至强度较低的RCA时会贯穿骨料;分形维数可定量描述混凝土材料内部细观裂纹的整体扩展情况,即裂纹越丰富,分形维数越大;多重分形谱可反映从局部到整体不同层次的细观裂纹特征,裂纹分形维数和多重分形谱特征参数均与RCA取代率呈线性下降关系,与抗压强度呈线性增长关系;本研究可为再生混凝土在大型结构工程中的广泛应用奠定理论和实验基础。      

基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法

混凝土损伤开裂表现出明显的跨尺度特征,其演化过程与细观材料结构直接相关。如何在兼顾效率和精度前提下分析混凝土损伤开裂的跨尺度演化过程一直是比较棘手的问题。在假定处于弹性阶段的混凝土为宏观均匀材料和处于损伤开裂阶段的混凝土为细观非均匀材料的基础上,提出了一种基于双重网格的混凝土自适应宏细观协同有限元分析方法。该方法通过在分析域内布置宏细观双重网格分别建立宏观尺度和细观尺度有限元计算模型,通过宏观尺度至细观尺度的自适应转换在分析过程中动态确定宏细观协同分析的宏观区域和细观区域,通过基于形函数插值的多点位移约束实现宏细观协同有限元模型中的非协调重叠网格连接。算例分析表明,采用该文方法不仅可通过考虑损伤开裂区的细观材料结构保证模拟精度,亦可通过在分析中自适应确定细观尺度分析区域提高模拟效率。     

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响的细观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1)混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2)随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3)混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4)随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

冲击荷载作用下混凝土缺陷模型细观损伤演化定量分析

通过对传统数字混凝土模型的改良,建立了带有内部缺陷的数字混凝土模型,在对内部缺陷分区的基础上,结合双折线损伤演化模型,对试件在三种速率冲击荷载作用下的细观损伤、应力和应变的分布规律进行了讨论,并对结果进行了定量描述,建立了混凝土材料细观损伤与宏观裂纹演化之间的联系,为混凝土材料的物理试验和在工程中的应用起到了辅助作用。     

玻化微珠保温混凝土高温后性能劣化及微观结构

配制普通混凝土（NC）和玻化微珠保温混凝土（GHB/NC）,研究从常温升温至1 000℃高温后表观现象变化、质量、抗压强度损失等性能的劣化过程,同时讨论超声波无损检测法评判混凝土高温后性能的普适性,对比分析相对波速、损伤度与受热温度、抗压强度损失率的关系,利用SEM观察不同高温后试件微观结构变化。结果表明:采用相对波速、损伤度评价混凝土高温后性能具有良好相关性,回归公式拟合度较高;随温度升高,NC和GHB/NC混凝土内部损伤逐步加剧,水泥胶凝受热分解、水分散失等在试件表面和内部产生空隙、裂纹并相互贯通,玻化微珠、粗骨料与水泥石界面黏结力逐步减弱甚至丧失,造成宏观力学性能劣化,抗压强度损失率增大。升温至800℃后NC强度损失72.3%,GHB/NC强度损失74.6%,1 000℃时基本丧失承载能力。      

加载速率对混凝土拉伸破坏行为影响观数值分析

探讨了加载速率及细观结构非均质性对混凝土破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑到混凝土细观结构非均质性的影响,将混凝土看作由骨料和砂浆基质组成的两相复合材料。考虑材料的应变率效应,采用塑性损伤模型来描述砂浆基质的动态力学行为;由于骨料具有较高强度,假定不会产生断裂,设定为弹性体。对单边缺口的混凝土试件及L形试件在不同加载速率下的动态拉伸破坏模式进行了细观数值研究。数值结果表明:1) 混凝土动态破坏模式及裂纹扩展方向具有明显的加载速率相关性;2) 随着加载速率的提高,混凝土破坏模式从I-型模式到混合型模式转变;3) 混凝土细观结构越复杂,组分间相互作用越复杂,裂纹扩展路径越复杂,裂纹分支现象越为明显;4) 随着加载速率的提高,混凝土破坏时产生更多的裂纹扩展路径(分支裂纹),且损伤区域宽度增大,导致混凝土在高应变率作用下消耗更多的能量,可认为是混凝土材料动态强度提高的主要原因。     

基于X-ray CT技术研究混凝土内部损伤的研究进展

使用X射线断层扫描(X-ray CT)方法可以观测混凝土的内部微观结构并据此分析混凝土的内部损伤,这对研究混凝土材料的性能具有重要意义.CT分辨率高低和试件尺寸大小之间的矛盾以及加载设备的局限阻碍了其在混凝土材料研究中的推广应用.随着CT设备的不断优化,CT用于混凝土的研究逐渐由定性分析发展为定量分析,为进一步研究混凝土材料的性能提供了可靠方法.近五年来,CT用于混凝土的研究由孔的分布、裂缝扩展形态及位置、纤维分布、纤维腐蚀状态等定性分析发展为定量分析.使用CT数据进行定量分析主要有五个方面,一是计算各相在不同条件下的体积,以此分析混凝土损伤变化规律;二是分析孔隙参数,如孔的尺寸、孔径分布、不同孔体积占比等,以此研究孔隙与混凝土损伤之间的关系;三是分析裂缝宽度、体积变化,以此分析混凝土断裂变化规律;四是定量评估纤维在混凝土内部的分散状态及方向,以此研究纤维对混凝土性能的影响;五是基于CT图像构建三维模型进行模拟,获得弹性模量及应力应变分布并与试验结果作对比分析.本文基于孔结构和裂缝变化规律对X-ray CT应用于混凝土材料内部损伤的研究进行综述,对近些年来,特别是近五年的研究现状进行总结,分析X-ray CT用于混凝土研究的优劣势,为混凝土的研究者提供参考.     

硅灰对再生混凝土界面过渡区的影响

为改善再生混凝土的力学和耐久性能,以硅灰为增强材料对再生混凝土进行改良。研究了硅灰对再生混凝土3 d、28 d、90 d抗压强度和28 d、90 d抗氯离子渗透性能的影响。结合扫描电镜、显微硬度等微观观测手段,分析了28 d再生混凝土试样微观结构和性能变化。采用压汞法测试了再生混凝土的孔结构参数,探究硅灰对再生混凝土孔隙性能的影响。结果表明：硅灰可以提升再生混凝土的抗氯离子渗透性能,随掺量的增加提升效果先增后减;掺入硅灰可以改善再生混凝土多重界面过渡区结构,增加界面过渡区(ITZ)显微硬度,降低孔隙率。再生混凝土内部存在较多有害孔隙,硅灰可以细化孔隙结构,降低孔隙率,掺量为6%时效果最佳。     

混凝土二维干缩开裂分析的改进弥散裂纹模型

现有弥散裂纹模型在模拟混凝土细观干缩开裂时,存在收敛性差、易出现裂纹＂误判＂的局限。针对此不足,该文提出了等效断裂能开裂破坏准则,用以改进弥散裂纹模型;并应用允许材料破坏的有限元显式解法,模拟了单骨料、随机骨料结构混凝土试件的二维干缩开裂,所得裂纹分布与对比试验观察结果基本吻合,显示了改进弥散裂纹模型在混凝土干缩开裂模...     

基于细观损伤模型的混凝土湿度及干缩特性研究

将混凝土视为骨料与砂浆两相非均质复合材料,同时考虑材料损伤的影响。混凝土视为非均质体能较好的体现骨料和砂浆材料特性差异对湿度扩散及干缩应力的影响,内部出现的损伤也与混凝土视为均质体时明显不同。采用考虑材料特性差异及损伤作用的细观模型和计算方法,能更真实的反映混凝土的湿度、干缩变形和干缩应力分布规律。细观研究结果有助于更好地理解混凝土干缩裂缝的产生机理、开裂模式及发展规律。     

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。     

风积沙混凝土盐冻多尺度劣化机制

研究风积沙混凝土盐冻劣化规律，揭示劣化机制对其推广应用有重要指导意义。基于室内快速冻融试验及力学特性试验研究了风积沙混凝土盐冻劣化规律，结合SEM、NMR、XRD等表征技术及损伤力学理论从多尺度揭示了盐冻劣化机制。结果表明：风积沙影响混凝土的抗冻性，100%掺量风积沙混凝土强度低，但抗冻性最好。混凝土质量损失率及抗压强度损失率均随盐冻循环次数的增加而增大，相对动弹性模量随盐冻循环次数的增大而减小。风积沙混凝土的盐冻损伤是一个物理-化学过程，界面过渡区(ITZ)骨-浆剥离及附近砂浆基质开裂是导致其宏观物理、力学性能退化的主要原因。风积沙可以改变混凝土内部的孔隙结构及水分传输路径，进而影响孔隙饱和度及混凝土的抗盐冻性能。     

水力冲击混凝土裂纹扩展机理及CT尺度损伤研究

借助CT扫描技术对水力作用下混凝土的细观破裂状态进行全方位检测。结合液固碰撞理论,阐释了水力冲击下混凝土内部"V"状锥形破碎核、表面裂纹、环向裂纹等致裂态形成的力学过程,探讨了混凝土"启裂-扩展-溃裂"不同破坏阶段的致裂机理,揭示了5种典型水力致裂裂纹的扩展特征和力学机制。通过对CT扫描图像进行直方图均衡化、阈值分割处理,利用提出的基于图像灰度值的损伤表征方法,进一步研究了水力冲击混凝土内部CT尺度损伤分布特征,定量地指出水力强冲击作用会在混凝土未破碎区的骨料与砂浆基体过渡区形成明显的损伤,并且距离致裂裂纹越近,损伤劣化程度越严重。     

力学损伤混凝土热传导行为细观研究

为研究力学损伤对温度传导行为的影响,考虑混凝土细观结构的非均质性,将其视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,提出并建立了力学-热学单向耦合作用研究的细观数值方法与模型。方法的思想是:首先对非均质混凝土在荷载作用下开裂损伤力学行为模拟分析,获得其内部的损伤分布情况;然后,将力学分析结果作为初始输入条件,结合复合材料均匀化理论,获得损伤混凝土各细观单元的导热性能,从而实现了力学-热学单向耦合作用的数值模拟。以单轴压缩加载为例,通过与试验结果的对比,验证细观方法的合理性与有效性。基于该套细观数值模拟方法,对荷载作用后混凝土试件的宏观有效导热系数与温度场分布进行了细观计算分析,对比了不同复合材料力学模型的影响,探讨分析了压缩荷载水平的影响规律。     

孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响

混凝土内部随机分布的微裂纹和孔洞等细观缺陷影响其破坏机理及宏观力学性能,且孔隙率随着外荷载的变化而不断变化。该文中将含缺陷(微裂纹、各种空隙等)混凝土复合材料简化为空心球力学模型,基于弹性力学理论推导并获得了混凝土当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系;推导并得到了含孔隙混凝土的有效弹性模量、有效泊松比及峰值应变等与孔隙率的定量关系,进而得到了单轴加载条件下含孔隙混凝土细观单元的等效多折线本构关系模型。最后,采用细观单元等效化力学模型,研究了单轴加载(拉伸和压缩)情况下不同孔隙率混凝土材料的破坏过程及宏观力学性能,探讨了孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响。     

考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤模型

该文建立了考虑冻融劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型，将整个压缩过程分为均匀损伤和局部破坏两个阶段，考虑细观屈服和断裂两种损伤模式。在冻融环境下，混凝土内部孔隙结构形态和微结构的力学特征会产生显著的变化，可由初始弹性模量E反映；在进一步承受压缩荷载过程中，微结构内部微裂纹萌生/扩展的形态、路径和数量也会由于初始冻融劣化的影响发生相应的改变，可由损伤参数εa、εh、εb和H表征。假设不同冻融循环次数情况下，混凝土微结构力学性能和细观损伤过程的演变趋势服从某种规律性，将上述5个特征参数定义为冻融循环次数N的函数。为验证模型的合理性，该文开展了混凝土单轴压缩试验，获得冻融循环次数N为0次～150次时对应的单轴压缩应力-应变全曲线，同时分析了文献中的5组试验数据。结果表明：预测曲线与试验曲线吻合较好，模型中的特征参数随着冻融循环次数的增加表现出明显的规律性。该模型为冻融环境下混凝土损伤机制分析和预测提供了有效工具。     

基于断裂力学的沥青混凝土抗裂性能与研究方法进展

针对断裂力学在沥青混凝土的应用背景以及目前研究的不足，分别从沥青混凝土断裂力学基本理论和沥青断裂性能的研究进展以及沥青混凝土断裂测试方法三个方面总结了相关成果和进展。阐述了线弹性断裂力学、弹塑性断裂力学及疲劳断裂力学在沥青混凝土中的应用条件和评价参数；从材料组成、再生和温拌工艺、路面层间黏结以及细观模拟等方面总结了沥青混凝土抗裂性能的研究现状；列举了目前评价沥青混凝土断裂性能的试验方法；指出了目前研究的不足和以后研究的建议。研究结果表明：沥青混凝土的低温和中温断裂一般分别用线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学理论来评价和分析，有必要将线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学结合，从而提出一个统一的宽温度域的评价指标；目前针对单调荷载作用下沥青混凝土断裂性能的研究较多，针对循环荷载作用下沥青混凝土断裂行为的研究还较少，有必要通过疲劳试验明确沥青混凝土的裂纹扩展规律；沥青混凝土断裂的细观模拟可以从细观角度揭示裂纹发生和扩展的机理，但破坏模型的选取和细观参数的确定是影响模拟结果准确性的重要因素，需要进一步重视。     

再生混凝土抗冻性能试验研究及孔隙分布变化分析

再生混凝土抗冻耐久性与混凝土结构内部孔隙分布变化密切相关.为研究再生混凝土结构内部孔隙分布与抗冻耐久性的定量关系,选取再生粗骨料取代率为0% 、25% 、50% 、75% 、100%的普通再生混凝土和引气再生混凝土作为研究对象,进行冻融循环试验和核磁共振试验,测试混凝土试件质量、动弹性模量、抗折强度以及结构内部孔隙分布情况.结果表明:在冻融循环试验中,加入引气剂可有效改善试件内部的中孔(0. 01～0. 05 μm)和大孔(0. 05～1 μm)的占比,从而提高其抗冻性能;在10种不同配比中,引气天然骨料混凝土的抗冻性能最佳,其次是再生粗骨料替代率为50%的引气再生混凝土,其内部孔隙结构相比再生粗骨料替代率为25% 、75%和100%的引气再生混凝土更加稳定;再生混凝土冻融循环后的抗折强度变化与结构内部孔隙的分布和占比密切相关.     

基体、界面对单向层合板面内剪切强度的影响

从考虑复合材料微结构，以及其在外载作用之下的细观损伤着手，进一步认识复合材料的强度性能是当今复合材料细观力学研究所面临的主要问题。本文利用Ｅｓｈｅｌｂｙ的等效夹杂概念［１］，把单向层合板看成是均质的基体材料中呈一定规律分散着夹杂（即纤维）的非均质体，首先求得了在面内均布剪切外载作用下复合材料内部的细观应力分布，然后以此为基础分析了细观损伤起始的方式，准则，最后进一步把损伤裂纹看成是特殊的夹杂，利用能量平衡研究了损伤的演化，以及由这些损伤而引起的宏观破坏的可能方式和相应的准则。结果表明界面粘接强度和基体开裂强度的相对大小决定了单向层合板面内剪切破坏的机理及其相应的破坏准则，适当增加基体开裂强度和增加界面粘接强度都能增加层合板的面内剪切强度。