细观夹杂理论预测湿态混凝土抗压强度

采用复合材料细观力学方法,探讨各种组分不同体分比、不同孔隙率及不同饱和度情况对湿态混凝土力学性能的影响。混凝土材料各相组分包括:粗骨料、水泥砂浆、活性孔隙和非活性孔隙,其中活性孔隙湿态情况下将由自由水填充。将两类孔隙和水泥砂浆作为等效基体,粗骨料作为硬化夹杂,基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场的思想建立了一类双重夹杂模型。并结合细观断裂力学方法建立了综合考虑多种因素的统一的混凝土单轴压缩强度公式,通过参数分析反映各种因素对材料抗压强度的影响。理论分析结果表明:混凝土强度由骨料或水泥砂浆基体中较弱的一相所控制;与干燥混凝土相比,孔隙水的存在将导致湿态混凝土抗压强度降低;理论结果与试验观测现象相一致。     

不同加载速率下饱和混凝土的劈拉试验研究及强度变化机理

利用大型液压伺服试验机研究了不同加载速率下饱和混凝土与干燥混凝土的劈拉强度变化情况,试验研究表明:在准静态加载时,与干燥的混凝土相比饱和混凝土的劈拉强度有所降低,随着加载速率的升高,饱和混凝土的的动态劈拉强度有较大的提高。通过对干、湿混凝土强度变化的比较表明:孔隙及裂缝中的自由水对混凝土强度有所影响。根据细观层次上、不同加载速率下裂纹中孔隙水压力的作用形式(即低加载率时孔隙水的“楔入”作用和高加载率时的“Stefan效应”),利用断裂力学来探讨不同加载速率下饱和混凝土劈拉强度的变化机理。结果表明:提出的机理可以较好地解释饱和混凝土强度的变化情况。     

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。     

爆破冲击荷载作用下宏观孔隙混凝土损伤演化的近场动力学模拟

针对静载、冲击荷载条件下宏观孔隙混凝土的孔隙参数对混凝土损伤演化过程的影响问题,采用MATLAB程序结合蒙特卡罗方法生成随机的孔隙结构物理模型,通过自编近场动力学程序模拟了单轴压缩下宏观孔隙混凝土的应力应变过程,并制备了以聚苯乙烯小球高温融化为孔隙体的混凝土砂浆试件,对宏观孔隙率0%～40%的混凝土试件进行了单轴压缩,实验验证了模型计算结果的准确性,随后模拟了爆破冲击作用下宏观孔隙混凝土的裂纹萌发与扩展。结果表明：孔隙率对宏观孔隙混凝土材料力学性能的影响显著,随着孔隙率的增加,试样的密度、抗压强度、弹性模量以及纵波波速不断降低,当孔隙率达到30%后,孔隙率对轴线抗压强度影响减弱,并且出现峰前应力跌落现象。孔隙率为零的混凝土试样在无围压冲击荷载作用下具有明显的压剪破坏形式,而含孔隙的混凝土由于大量的孔隙存在导致孔隙间混凝土骨架的拉伸或剪切贯通破坏。在相同冲击荷载下不同孔隙率混凝土的破坏情况不同,孔隙率大的孔隙混凝土试样破坏严重,表明孔隙率对冲击载荷作用下混凝土试件能量耗散起着重要作用。     

自密实混凝土抗冻性研究进展

本文总结了混凝土冻融破坏机理,综述了矿物掺合料、化学外加剂、集料种类和纤维等对自密实混凝土抗冻性能的影响规律和改性机理。矿物掺合料和化学外加剂通过改变自密实混凝土拌合物的工作性和含气量,降低了硬化混凝土孔隙率和微孔间距。粗细骨料的孔隙性、力学性能、变形性能和颗粒组成影响了自密实混凝土拌合物的流动性和体系中水分的赋存状态,改变了硬化混凝土的孔结构和孔隙的连通性。纤维通过微引气作用和桥接阻裂效应,抑制了冻融过程中毛细孔压力所引起的裂纹的产生与扩展。本文阐述了自密实混凝土研究应用中存在的问题并提出了改善自密实混凝土抗冻性的途径。     

用扩展有限元方法模拟混凝土的复合型开裂过程

用扩展有限元法对混凝土梁复合型开裂过程进行了数值模拟。裂纹面间的力学行为采用粘聚裂纹模型来描述,通过引入切向保留刚度考虑剪力分量的影响。开裂方向的计算采用了一种简化的最大切向应力准则。对Arrea和Ingraffea的混凝土梁复合开裂实验进行了数值模拟。计算给出了裂纹萌生、扩展的过程及破坏形态,并获得了与实验结果对比良好的荷载-裂纹开口滑移曲线。结果表明,扩展有限元法通过附加特定的位移模式,使裂纹两侧不连位移场的表达独立于网格划分,是一种能够模拟准脆性材料复合开裂问题的有效方法。     

316L不锈钢扩散连接接头界面疲劳裂纹扩展行为

采用单边缺口试样对316L不锈钢扩散连接接头进行显微疲劳试验,实现微观尺度下界面裂纹扩展和微孔隙演化的原位观测.试验观察表明:动载荷下界面裂纹扩展时,裂纹尖端晶粒内产生局部的塑性变形,但几乎观测不到界面微孔隙的扩展,也未见微孔隙与微孔隙的相连;微孔隙对界面裂纹萌生和扩展的影响不大;扩散连接过程中所形成的谷脊状界面可以改变裂纹的扩展路径.     

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%。      

多尺度混杂组料对混凝土自愈合能力的影响

混凝土外加剂自愈能力是提高混凝土耐久性的重要途径。为研究结晶外加剂(CA)、粉煤灰(FA)和PVA纤维对混凝土早期裂缝自愈能力的影响,该文采用抗压强度恢复、电阻率恢复和裂缝表面形态用于评估混凝土早期开裂。首先制作4种混合料试样,即控制混凝土混合料(M1)、0.1%PVA纤维体积混合料(M2)、20%水泥部分替换为粉煤灰混合料(M3)和2%CA水泥混合料质量(M4),然后在固化3天后对试样施加压缩载荷来形成裂纹作为早期裂纹。结果表明,由于CaCO₃和C-S-H凝胶的存在,开裂的CA混凝土样品的抗压强度和电阻率的恢复具有最高的自愈能力。     

返回料添加比例对K44合金热疲劳性能的影响

研究了返回料添加比例对新型抗热腐蚀高温合金K44热疲劳性能的影响.结果表明:新料和返回料合金试样V型缺口尖端主裂纹扩展长度与热循环次数之间遵循L=bNa规律.新料合金热疲劳裂纹萌生和扩展速率最低,随着合金中返回料比例的增大,热疲劳裂纹萌生速率和扩展速率也增大.热疲劳裂纹萌生于V型缺口尖端附近区域,沿枝晶间、晶界和开裂的碳化物扩展,主裂纹扩展以裂纹尖端连续开裂的形式进行.返回料合金由于氮含量增加导致共晶和夹杂物增多,碳化物聚集块化,加速了热疲劳裂纹的萌生与扩展.合金经热疲劳实验后,裂纹两侧产生氧化带和γ'相贫化带.     

A microscopic approach to rate effect on compressive strength of concrete

The enhancement of concrete strength under uniaxial dynamic compression is investigated in this paper. The influence of the microcrack density to the concrete compressive strength is also discussed. Based on the sliding crack model, the compressive strength is obtained by considering the interaction between microcracks using the Kachanov method. Both free water viscosity and inertia effect are included by considering their influences on the dynamic stress intensity factor of crack tip under linearly increasing load. The relationship between the dynamic strength increase factor and the strain rate is obtained. The comparison between the results by the model proposed in this paper and those by available experiments indicates a favorable agreement.     

An investigation of the effects of mix strength on the fracture and fatigue behavior of concrete mortar

This paper examines the effects of mix compressive strength (30, 35 and 40 MPa) on the fracture initiation toughness, resistance-curve behavior and fatigue crack growth behavior of concrete mortar. The fracture initiation toughness and the resistance-curve behavior are shown to increase with increasing mix strength. The observed resistance-curve behavior is then attributed largely to the effects of ligament bridging, which are predicted using small- and large-scale bridging models. In contrast, the fatigue crack growth resistance is shown to decrease with increasing mix strength. An extended multiparameter framework was used for the modeling of fatigue crack growth. Finally, the implications of the results are discussed for the design of concrete mixtures with attractive combinations of strength, fracture toughness and fatigue crack growth resistance.     

高渗透孔隙水压对混凝土力学性能的影响试验研究

模拟高坝混凝土工作环境,将混凝土标准试件浸没于高压水体中,在混凝土内造成高渗透孔隙水压,研究高孔隙水压作用后混凝土产生的强度、弹性模量,含水量和声速等宏观指标的变化。试验中具体开展了混凝土试块外不同水压（孔隙水压）、不同时间、不同混凝土等级、不同最大骨料粒径4个因素的影响研究。试验采用正交试验设计法进行设计,关于高渗透...     

Experiment and Simulation of Breakage of Particle Compounds under Compressive Loading

Two-dimensional finite element (FE) compressive stress analyses were carried out on the particle compound material to understand the stress pattern distributions before cracking. FE analysis was followed by discrete element (DE) simulation. A study of the crack propagating mechanism in a particle was represented by a model material that typifies pellets of high-strength pressed agglomerate building materials. For this, concrete spheres of strength category B35 (compressive strength 35 N/mm²) were used. It was observed that the ring tensile stress is responsible for the crack initiation in the spherical particle compounds.     

Relationship between pore structure and compressive strength of concrete: Experiments and statistical modeling

Properties of concrete are strongly dependent on its pore structure features, porosity being an important one among them. This study deals with developing an understanding of the pore structure-compressive strength relationship in concrete. Several concrete mixtures with different pore structures are proportioned and subjected to static compressive tests. The pore structure features such as porosity, pore size distribution are extracted using mercury intrusion porosimetry technique. A statistical model is developed to relate the compressive strength to relevant pore structure features.     

基于粘结单元的三维随机细观混凝土离散断裂模拟

开发MATLAB 和ABAQUS Python脚本程序,建立含随机三维多面体骨料的混凝土细观有限元模型。通过自编高效C++程序插设三维零厚度的粘结界面单元,以模拟复杂三维离散多裂缝的起裂与扩展。对典型混凝土试件单轴拉伸断裂的模拟,分析粘性界面单元的主要材料参数(抗拉强度与断裂能)对应力-位移曲线、断裂过程、裂缝面特征的影响。结果表明:宏观应力-位移曲线主要受砂浆、界面粘性裂缝单元的抗拉强度、断裂能绝对数值的影响;裂缝面的位置与形态决定于砂浆、界面粘结裂缝单元的抗拉强度相对比值以及断裂能相对比值;混凝土的力学响应反映其裂缝发展特征,二者既决定于断裂材料参数,也受到骨料大小、形状等细观结构因素的影响;建立的有限元模型能有效描述混凝土复杂三维断裂过程。     

Experiment and Simulation of Breakage of Particle Compounds under Compressive Loading

ABSTRACT

Two-dimensional finite element (FE) compressive stress analyses were carried out on the particle compound material to understand the stress pattern distributions before cracking. FE analysis was followed by discrete element (DE) simulation. A study of the crack propagating mechanism in a particle was represented by a model material that typifies pellets of high-strength pressed agglomerate building materials. For this, concrete spheres of strength category B35 (compressive strength 35 N/mm²) were used. It was observed that the ring tensile stress is responsible for the crack initiation in the spherical particle compounds.     

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。     

Numerical simulations of crack path control using soundless chemical demolition agents and estimation of required pressure for plain concrete demolition

In demolition process of large concrete structures, the non-explosive methods can be advantageous in reducing noise, vibration, and dust emission compared to the conventional explosive methods. One of the representative non-explosive methods is the injection of soundless chemical demolition agents (SCDAs) into the holes drilled in concrete structures and further expansion of the SCDAs. In the current paper, a computational framework was established and applied to simulate crack initiation and propagation caused by slow expansion of the SCDAs in plain concrete structures from a theoretical perspective. Using the concrete damaged plasticity model for semi-infinite structures, we first determined a proper domain size for the demolition simulation and then investigated a cost-effective spacing of the SCDA holes arranged horizontally or vertically. The interaction between the SCDAs was examined in terms of the minimum expansion pressure required to form cracks connecting the SCDAs. Furthermore, we found an equation for the minimum expansion pressure required to control a U-shaped crack path as a function of SCDA spacing and concrete compressive strength.     

基于图像法分析孔隙特征对加气充填砼性能的影响

通过对不同孔隙特征的加气充填混凝土试样沿发气方向进行切割和截面图像提取,采用Matlab对试样截面图像进行分析和统计计算,分别对各组试样的孔隙特征进行了表征;测试了试样各养护龄期的比强度、吸水率、体积膨胀率、冻融后的抗压强度损失率和质量损失率,以分析孔隙特征对加气充填混凝土力学性能和抗冻性的影响。结果表明:采用图像法对加气充填混凝土截面照片进行信息采集,通过Matlab的统计计算,可实现对该加气充填混凝土宏观孔和细观孔的信息提取与表征;大于5.00mm的孔隙占比越大,平均孔径差值c越大,反映出联通孔的相对数量越多,则试样的比强度越低,吸水率越大,体积膨胀率越小,抗冻性越差,反之,试样的比强度越高,吸水率越小,体积膨胀率越大,抗冻性越好;以两种细度混合的铝粉膏作为引气剂可以有效降低该加气充填混凝土连通孔的相对数量。