混凝土细观尺度下单轴拉伸性能研究

采用蒙特卡罗方法生成不同骨料形状的二维混凝土试件模型,对不同骨料形状、骨料分布、骨料含量、初始缺陷与界面层厚度等条件下的混凝土试件进行单轴拉伸分析。结果表明:骨料形状的不同对试件拉伸性能影响较大,碎石形骨料试件会较早出现应力集中,圆滑的骨料边缘可以改善试件应力分布,提高混凝土试件抗拉性能;骨料分布不同与界面厚度不同对混凝土单轴拉伸性能的影响可以忽略;初始缺陷的增加会导致试件弹性模量、抗拉强度及峰值拉应变减小;混凝土材料的不均匀性使其在承受逐级增大的荷载时产生不均匀变形和应力。     

混凝土试件细观结构的数值模拟

本文将常用混凝土级配曲线与三维富勒级配曲线作了对比分析，从而为基于瓦拉文公式的随机骨料模型对试件内截面进行细观结构的数值模拟提供了依据。在此基础上，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，利用有限元方法进行了混凝土湿筛试件、全级配试件单轴受压和全级配混凝土三分点梁弯拉细观结构数值模拟。通过单轴受压数值试验讨论了同一级配不同骨料分布、有限元单元尺寸及试件尺寸对极限荷载计算结果的影响。结果显示：(1)同级配不同随机骨料分布的影响在试验结果统计范围之内；(2)为了充分反映混凝土细观特性的非均性，单元尺寸应小于最小骨料粒径的三分之一；(3)湿筛试件与全级配试件数值模拟结果验证了试件的尺寸效应。在全级配混凝土三分点梁弯拉试验的模拟计算中，讨论了界面单元、固化水泥砂浆基底强度及损伤参数对计算结果的影响。通过细观结构数值模拟，直观显示了混凝土试件单轴受压和三分点梁抗弯曲试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至失稳的过程，及其宏观应力-应变曲线的变化情况。基于有关文献资料给定的混凝土各相参数得到的数值模拟结果与试验统计结果相符。     

全级配混凝土在不连续点处的应力和变形关系

为了探讨全级配大骨料混凝土在双轴受力状态下的特性，并建立大、小试件强度的关系和破坏准则，本文采用试验的方法比较了全级配混凝土和小尺寸湿筛混凝土在双轴拉压受力情况下在不连续点处的强度和变形特性。全级配混凝土的最大骨料尺寸为150mm，试件最小横向尺寸为450mm；湿筛混凝土的最大骨料尺寸为40mm，试件最小横向尺寸为150mm。文中描述了试件设计、材料配比、加载设备、减摩措施、加载方法和加载速度。通过对试验结果的分析看出，不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何，其不连续点处的两轴应力包络线都是相似的，并都可近似于一直线。混凝土在不连续点处的拉应变值与其平均应力具有较高的相关性。     

全级配混凝土在破坏时的应力和变形关系

为了探讨全级配大骨料混凝土的多轴受力状态，本文采用试验的方法比较了全级配混凝土和湿筛混凝土在双轴拉压受力情况下在破坏时的强度和变形特性。通过对试验结果的分析看出，不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何，其破坏时的极限应力包络线都是相似的，并都可近似用一直线来代替，文中给出了这些极限应力的回归表达式。全级配混凝土与湿筛混凝土在破坏时混凝土的主拉应变与其平均应力具有较高的相关性，而混凝土的主压应变则与在受压方向上的最大压应力值同混凝土的单轴受压强度的比值具有较高的相关性。全级配混凝土与湿筛混凝土在破坏时的应力应变关系曲线具有相似的外形，其本构关系曲线可用统一的模式来描述。最后，用三组图形比较了试验测量结果和给定的本构关系方程的吻合性。     

循环损伤后全级配混凝土断裂过程声发射特征

为研究初始循环损伤对全级配混凝土断裂损伤特性的影响,对承受不同初始循环损伤的全级配混凝土梁进行三点弯断裂试验研究,并结合声发射（acoustic emission,AE）技术对预损伤后断裂过程进行监测。结果表明：初始循环荷载增幅越大,混凝土梁在初始循环阶段累积的损伤越大,损伤后再加载的峰值荷载越小,脆性特征更明显;对比分析多个AE损伤指数发现,在加载中后期,全级配混凝土的断裂特性受初始循环损伤的影响逐渐变小,此时试件的受损主要受到内部大骨料分布的影响;对预损伤后加载过程中RA-AF值（RA value-average frequency value）分析可知,剪切裂纹占比随加载进程的推进递增,但拉伸裂纹占比始终占主导地位,且随着初始循环增幅越大,破坏时剪切裂纹占比越大。研究成果对预测分析混凝土大坝断裂破坏具有较好的实际应用价值。     

全级配混凝土轴拉应力-变形全曲线试验研究

全级配混凝土拉应力-变形全曲线是大坝非线性反应计算与极限抗震能力分析中的一个重要指标。本文利用先进的全数字化闭环控制大型材料试验机,采用位移控制的加载方式,对最大骨料粒径为150 mm的Ф450 mm×1 300 mm的圆柱体试件进行轴向拉伸试验,研究应变率约为10-7s-1时混凝土试件测距内的受拉变形随拉应力变化的全过程曲线。达到峰值荷载后,在不同的应力水平下对试件进行往复多次加、卸载,研究全级配混凝土软化段加、卸载曲线的特点。拟合全级配混凝土轴拉应力-变形全曲线及加、卸载曲线的计算式,为数值分析中大坝混凝土模型的建立提供可参考的试验依据。     

全级配混凝土强度的尺寸效应研究

对溪洛渡与三峡工程全级配及其湿筛混凝土基本力学性能的试验成果,统计计算了相应工程混凝土强度的尺寸效应系数,并从高频振捣对混凝土含气量影响、全级配与其湿筛混凝土中粗骨料一砂浆界面的差异、受压面是否减磨对抗压强度值影响等方面,分析探讨了两工程全级配及其湿筛混凝土抗压强度比值关系问题,合理解释了在较早龄期全级配大试件抗压强度高于湿筛标准试件、并随龄期的增长此比值逐渐减小至小于1的趋势这一规律.     

冻融循环后全级配混凝土及其湿筛混凝土的力学性能比较

对全级配混凝土试件及其湿筛混凝土试件分别进行0、50、100、150、200、250和300次快速冻融循环试验。观察冻融后试件外观的变化情况,测定冻融循环后全级配混凝土和湿筛混凝土的抗压强度与抗拉强度,讨论了冻融循环对抗压强度、抗拉强度及其应力应变关系的影响。试验发现,冻融循环后全级配混凝土的外观破损情况较湿筛混凝土严重得多。试验结果表明,随冻融次数增加,全级配混凝土与湿筛混凝土的抗压强度与抗拉强度均明显降低,但全级配混凝土的降低值较湿筛混凝土的降低值大,特别是抗拉强度,降低幅度更大。两种混凝土单轴压应力应变曲线峰值应力点随冻融循环次数增加逐渐向右下方偏移,曲线形状变得扁平,而其单轴拉应力应变曲线峰值应力点随冻融循环次数增加逐渐向左下方移动,曲线变短。通过对试验结果的分析,建立了全级配混凝土和湿筛混凝土之间单轴压及单轴拉关系的数学公式,可以为寒冷地区大坝、海洋平台等的设计、维修、维护及其寿命预测等提供理论依据。     

全级配混凝土动态轴拉试验

轴向拉伸试验是确定混凝土拉伸断裂特性最直接的方法。利用中国水利水电科学研究院大型动态材料试验机开展了全级配混凝土大试件的动态轴拉试验研究。在试件与试验机之间设置铰接座组件以消除拉伸过程中附加弯矩的产生,并采取适当措施降低拉伸试验中偏心的影响。将20个全级配混凝土大试件、23个湿筛混凝土小试件按浇筑日期分为3组进行试验。结果表明,混凝土轴拉强度的骨料效应和尺寸效应十分显著,静态轴拉强度较动态轴拉强度受其影响更大;冲击荷载作用下,骨料破坏比例增加;轴拉强度与极限拉伸值的率敏感性显著;轴拉强度越低,其率敏感性越高;而抗拉弹性模量的率敏感性较低。     

基于全级配试件性能的大坝混凝土抗裂性分析

为了解大坝实体混凝土的抗裂特性,系统测试了分别用灰岩和花岗岩人工骨料制备的全级配混凝土(最大骨料粒径为150 mm)的力学性能、变形性能和热学性能,基于上述性能计算分析了全级配混凝土的抗裂指数,并与湿筛二级配混凝土(最大骨料粒径为40 mm)进行了对比分析。试验结果显示,全级配混凝土各项性能与湿筛二级配混凝土性能之间存在一定的比例关系:7～180 d龄期,抗压强度比在0.85～1.16之间,轴向抗拉强度比在0.49～0.70之间、极限拉伸值比在0.60～0.83之间。计算结果显示,不考虑干燥收缩作用,灰岩骨料、花岗岩骨料全级配混凝土的抗裂指数分别在0.79～1.17之间和0.53～0.75之间,高于湿筛二级配混凝土的抗裂指数。研究结果表明,由于全级配混凝土中骨料的体积比大于80%,骨料岩性、物理性能对混凝土极限拉伸值、徐变、热膨胀系数等性能起决定作用,因此对混凝土抗裂性能具有重要影响,灰岩骨料混凝土的抗裂指数高于花岗岩骨料混凝土,抗裂性能更好。     

再生混凝土疲劳损伤机理的数值模拟

基于再生混凝土内部细观结构的数字图像,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型。首先,对弯折疲劳破坏后的再生混凝士弯折疲劳试件进行机械切割并对切割后的表面使用数码相机拍摄,获得截面数字图像。然后,对所获得的数字图像进行处理并对骨料和砂浆部分进行边缘检测,获得骨料和砂浆的边缘坐标,将其导入有限元分析软件,获得实体模型。最后,建立了二维细观再生混凝土疲劳损伤有限元模型,研究了再生混凝土在疲劳荷载作用下的损伤分布和应力分布的变化规律。     

三级配混凝土劈拉强度二维细观数值模拟

为从细观结构上研究混凝土劈裂抗拉强度,通过自编程序建立混凝土细观模型,采用混凝土损伤塑性模型描述细观各相材料的损伤演化。利用有限元技术数值模拟三级配混凝土试件的细观损伤断裂和劈裂抗拉强度,探讨了不同骨料分布、骨料形状、垫条宽度及界面厚度对劈裂抗拉强度的影响。结果表明:不同骨料分布和骨料形状对劈拉极限强度略有影响,但数值模拟结果均在试验统计范围内,且与文献资料中给定的试验结果相符。按照现行试验规程选取垫条宽度时,可以有效地缓解加载部位应力集中现象,使劈拉强度接近真实混凝土强度。骨料粘结界面厚度越小,混凝土劈拉极限强度越高。     

基于细观力学模型的三级配混凝土立方体试件单轴损伤数值分析

为分析混凝土细观结构在单轴荷载作用下的损伤演化过程,研究混凝土单轴破坏的宏观力学性能,基于细观力学模型,采用Marazs损伤模型描述混凝土内部各相材料的本构关系,通过数值实验分析三级配混凝土立方体试件单轴破坏的宏观力学性能。数值实验结果表明：混凝土试件在单轴荷载作用下的损伤断裂是由于内部的初始损伤不断累积演变的结果,其数值实验的最终破坏形态与宏观层次上的破坏形态基本相似,粗骨料分布、粘结层厚度、粘结层和基体强度对混凝土宏观破坏具有一定的影响,说明该方法对混凝土细观结构破坏机制的分析合理、可靠。     

应力比对钢纤维高强混凝土梁疲劳寿命影响的试验研究

通过对钢纤维钢筋高强混凝土梁不同应力比的弯曲疲劳荷载试验,研究了试件的疲劳寿命及疲劳强度。根据不同应力比作用下梁试件的疲劳寿命 N ,得出本次试件梁的 S － N 曲线,裂缝开展规律。应用 Miner 理论和科尔顿－多兰（Corten －Dolan）公式进行疲劳损伤计算、疲劳寿命分析及预测,最后采用断裂力学理论分析裂缝开展规律以预测疲劳寿命,并提出裂缝开展宽度计算公式。     

橡胶混凝土弯曲疲劳性能研究

为研究橡胶混凝土的弯曲疲劳性能,将粒径为0.54 mm的橡胶颗粒以不同掺量掺入混凝土中,制成橡胶混凝土试件进行轴压试验与轴拉试验,测其应力-应变曲线,计算出弹性模量和泊松比。进行四点弯曲静载试验及ABAQUS数值模拟,得到极限荷载、峰值挠度和荷载-挠度曲线,试验结果与数值模拟结果较接近,验证了数值模型的可靠性。使用疲劳软件Fe-safe分析等幅及变幅加载下橡胶混凝土弯曲疲劳寿命,结果表明:无论是普通混凝土还是橡胶混凝土,在等幅循环荷载下,应力水平越高,弯曲疲劳寿命越低;各掺量下橡胶混凝土的弯曲疲劳寿命都比普通混凝土的大,且橡胶掺量越多弯曲疲劳寿命越大;在变幅荷载作用下,随着橡胶掺量的增大,混凝土的弯曲疲劳寿命也越大;随着变幅等级增多,各掺量下橡胶混凝土的弯曲疲劳寿命均降低,且变幅等级越多,弯曲疲劳寿命越低。     

Mesocosmic study on autogenous shrinkage of concrete with consideration of effects of temperature and humidity

A study on the autogenous shrinkage (AS) of concrete from a mesocosmic perspective was carried out using numerical simulation technology. The temperature history and the autogenous relative humidity (ARH), two factors that have been shown to have occasional influence on this process in previous studies, were introduced into this study. According to these concepts, a program for simulation of the temperature field, humidity field, and stress field based on the equivalent age method and a fully automatic aggregate modeling tool were used. With the help of these programs, the study of a small concrete specimen provided some useful conclusions: the aggregate and the matrix show distinct distribution properties in the temperature field, humidity field, and stress field; the aggregate-matrix interface has a high possibility of becoming the location of the initial cracking caused by AS of concrete; the distribution of random aggregates is extremely important for mesoscopical analysis; and the temperature history is the main factor affecting the AS of concrete. On the whole, inherent mechanisms and cracking mechanisms of AS of concrete can be explained more reasonably and realistically only by considering the different characteristics of material phases and the effects of temperature and humidity.     

基于声发射信号表征混凝土断裂过程的异常现象

混凝土作为一种人工石材,由于浇筑过程的影响,其断裂破坏过程不可避免地存在一定随机性。利用声发射实时动态无损监测技术,分析了带预制裂缝混凝土三点弯曲梁试件裂缝扩展发生偏移和钢筋混凝土三点弯曲梁破坏荷载循环增减等特殊试验现象存在的客观性。试验分析发现,预制裂缝尖端粗骨料的存在,致使裂缝并非沿着预制裂缝直接向前扩展,而是出现绕道扩展的现象;配筋率过大时,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的破坏荷载值将维持在钢筋极限屈服强度附近循环变化。可见,钢筋混凝土三点弯曲梁试件的失稳荷载取决于配筋率的高低。研究成果表明声发射技术可为开展混凝土损伤断裂试验提供一种新的研究手段。     

钢筋腐蚀疲劳共同作用机理与寿命预测

为了准确计算钢筋腐蚀疲劳寿命,依据金属力学、电化学、断裂力学的基本原理,对混凝土中脱钝钢筋的腐蚀介质和疲劳荷载共同作用交互机理进行研究,建立脱钝后钢筋在疲劳荷载作用下同时考虑弹性变形、塑性变形和电化学作用的钢筋腐蚀速率模型,在此基础上构建了圆柱形钢筋腐蚀疲劳应力强度因子幅值的计算模型。定量分析了腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值的理论计算模型以及钢筋腐蚀疲劳裂纹扩展模型,提出了腐蚀介质和疲劳荷载共同作用下钢筋寿命预测模式。利用已有文献中钢棒腐蚀疲劳试验结果对本文提出的模型以及寿命预测模式进行验证,结果表明,pH=2.5~12时钢棒腐蚀疲劳寿命计算值与试验值吻合较好,还揭示了疲劳荷载对钢筋腐蚀速度影响规律。     

混凝土受压性能的均质细观数值模拟

将混凝土看作由骨料、砂浆及它们之间的界面组成的三相复合材料，在细观层次上建立了均质混凝土棱柱体试件的随机骨料模型，分别赋予细观单元弹脆性和弹塑性本构关系，研究了采用不同本构关系的混凝土棱柱体试件在单轴压缩荷载作用下的细观损伤演化过程，分析了宏观应力应变曲线的差异，并将计算结果与试验结果做了比较。结果表明：混凝土试件的破坏是由于细观损伤的积累导致的；界面相是混凝土材料内部最薄弱的地方；砂浆单元采用弹塑性本构关系时所得混凝土棱柱体受压的宏观应力－应变全曲线与试验结果吻合较好。     

基于三维细观结构轻骨料混凝土力学性能的数值模拟

为了从细观结构上研究轻骨料混凝土的破坏机理,利用SCDM软件提出了一种新型划分网格技术,建立了三维细观结构的轻骨料混凝土有限元模型。模拟了轴心抗压与劈裂抗拉试验破坏过程,并与试验结果进行对比分析。计算结果表明:轴心抗压与劈裂抗拉强度的计算值与试验值的误差均在3.5%以内。在轴心抗压模拟试验过程中,裂纹最先出现在轻骨料处,表明轻骨料是轻骨料混凝土材料的薄弱环节,随着荷载进一步加大,最终形成了一个有两个对顶的锥形界面。在劈裂抗拉模拟试验过程中,裂纹也是最先出现在轻骨料处,随着载荷的增大,最终形成了一条宽大的主裂纹,且与主拉应力相垂直。与试验结果对比分析表明,本文提出的模拟方法,可以很好地模拟轻骨料混凝土静力学性能。