基于扩展有限元的混凝土三点弯曲梁断裂性能数值模拟研究

基于扩展有限元法,模拟了不同宽度混凝土三点弯曲梁的断裂破坏过程,得到了荷载-裂缝口位移曲线;对不同宽度、缝高比、跨高比的三点弯曲梁断裂过程进行模拟并利用双K断裂准则得出了不同宽度、缝高比、跨高比等条件下的应力强度因子,研究了这三种参数的变化对应力强度因子的影响。研究结果表明:当跨高比、缝高比等于0.4,梁宽在100~250 mm范围内变化时,其起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、失稳断裂韧度K_Ic^un基本保持不变;当梁宽不变,跨高比等于4,缝高比从0.2增大到0.5时,起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、失稳断裂韧度K_Ic^un呈现先增大后减小的趋势;当梁宽不变,缝高比等于0.4,跨高比从2.5增大到3.5时,起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ保持不变,失稳断裂韧度K_Ic^un将逐渐增大但幅度很小;当跨高比不变,缝高比等于0.4,梁宽在100~250 mm的范围内变化时,起裂断裂韧度K_Icⁱⁿⁱ、失稳断裂韧度K_Ic^un均呈现先增大后减小的趋势,表明小跨高比的K_Icⁱⁿⁱ、K_Ic^un在梁宽度方向存在一定的尺寸效应。     

考虑骨料粒径影响的混凝土拉伸强度尺寸效应律

为了研究最大骨料粒径对混凝土单轴拉伸破坏行为、名义拉伸强度以及尺寸效应的影响规律,采用基于连续级配建立的细观随机骨料模型,对不同尺寸及不同最大骨料粒径的双边缺口混凝土试件在单轴拉伸荷载下的力学行为进行数值模拟.研究结果表明:在相同试件尺寸下,随着最大骨料粒径的增大,混凝土单轴拉伸宏观裂缝曲折度增大,名义拉伸强度增大,尺寸效应逐渐被削弱.同时,基于Type-2尺寸效应律提出了考虑最大骨料粒径影响的尺寸效应公式,并验证了该公式的合理性.该理论公式可以基于已知的物理参数(即结构尺寸D和最大骨料粒径dmax)定量地预测在不同最大骨料粒径下的混凝土拉伸强度的尺寸效应规律.     

复合钢筋与早龄期海工混凝土黏结性能研究

为研究复合钢筋与海水海砂混凝土的工程适用性,对海水海砂素混凝土以及含聚甲醛纤维（POM）的海水海砂混凝土进行同心拔出试验,考虑不同的混凝土龄期和混凝土保护层与钢筋直径比（c/d）,研究这两个变量对黏结性能的影响,以量化黏结-滑移关系。试验结果表明:复合钢筋因其良好的性能适用于海水海砂混凝土加固;早龄期混凝土与钢筋之间的峰值黏结应力τ_u受龄期影响明显,加入POM纤维的海水海砂混凝土表现为更好的延性和黏结性能;混凝土龄期对峰值黏结应力对应的滑移值s_u和上升段形状参数α的影响整体表现为龄期越大,滑移值s_u越小,上升参数α越小;混凝土龄期越大,下降段形状参数k越大;基于试验结果提出了考虑混凝土龄期影响的复合钢筋海水海砂混凝土黏结-滑移模型,该模型与试验结果具有较好的一致性。研究表明复合钢筋和纯海水海砂混凝土可以进行工程应用,且加入聚甲醛（POM）纤维改善后的混凝土具有更好的性能。     

沥青混凝土结构表征与参数构建

为研究沥青混凝土的结构,丰富表征沥青混凝土结构的参数,首先对常见的体积参数进行总结,分析沥青混凝土组成成分和结构特点. 然后,从不同角度出发构建新的体积参数,并对参数进行分类和分析. 最后,在AC-16级配范围内通过改变细集料的比重得到了5个不同级配,同时设置4.2%、4.7%、5.2%（沥青占混合料的质量比）3种不同沥青用量,研究沥青用量对参数的影响,根据现行沥青混合料试验规程要求制作标准马歇尔试件,并进行体积指标的测定,通过计算得到构建的参数,并分析参数随级配及沥青用量的变化规律. 结果表明:体积参数随着沥青混合料的级配、沥青用量的改变有着明显的变化. 其中,沥青类参数VA、VM、d_b与混合料中的沥青用量有明显的线性关系,同时VM还与V_f有关;空隙类参数VMA、V_K、VV随V_f的增加先减小后增大. 只改变沥青用量时,VMA、V_K、VV隨沥青用量的增加而减小;集料类参数G、V_c、V_f、Vf /(1-c)、F_BV、F₁、F₂、V_c/f与混合料中粗细集料以及矿粉的比例有关.     

粗骨料粒径对混凝土弯拉强度尺寸效应影响的试验研究

为获取粗骨料粒径对混凝土材料弯拉强度及尺寸效应的影响,完成27组素混凝土梁四点弯曲试验,获得粗骨料最大粒径10、20、30 mm,尺寸为100 mm×100 mm×400 mm、150 mm×150 mm×550 mm、200 mm×200 mm×700 mm混凝土试件的弯拉强度,采用Ba?ant尺寸效应理论对试验数据进行分析,提出指数型弯拉强度尺寸效应经验公式。研究结果表明：相同骨料体积率、水灰比和构件尺寸下,混凝土材料弯拉强度随着骨料粒径的增大而降低;各骨料粒径下混凝土弯拉强度均存在尺寸效应现象,小尺寸时尺寸效应现象更显著,骨料粒径30 mm时,混凝土弯拉强度随几何尺寸增大而降低趋势最平缓;Ba?ant尺寸效应率与试验结果吻合较好,但不适用于全尺寸范围,提出的指数型尺寸效应经验公式,在全尺寸范围内能够较好地反映混凝土弯拉强度,可用于混凝土材料弯拉强度尺寸效应预测。     

CO2强化再生骨料的特性及其对再生混凝土性能的影响

CO₂强化不同品质和粒径再生骨料的特性研究尚不系统和完善。在约20% CO₂浓度和自然环境压力条件下,考虑再生粗骨料（RCA）品质和粒径的影响,试验测试了CO₂强化再生骨料（CRCA）的碳化率、CO₂吸收率、碱度、残留CO₂气体含量、吸水率及CO₂强化再生骨料混凝土（CRAC）的抗压强度和抗氯离子渗透性能。结果表明：CO₂强化再生骨料的碳化率和CO₂吸收率随再生骨料水灰比的增加而增加;CO₂强化显著降低了再生骨料的碱度,且CO₂强化再生骨料粒径越小、水灰比越低,其残留CO₂气体含量越高;CO₂强化显著降低了再生骨料的吸水率,明显提升CO₂强化再生骨料混凝土的抗压强度和抗氯离子渗透性能。     

碾压混凝土断裂韧度尺寸效应的试验研究

进行了不同尺寸碾压混凝土三点弯曲试件的断裂试验。对实验结果进行分析,得到了碾压混凝土断裂韧度的尺寸效应规律。将碾压混凝土断裂韧度试验结果与已有的普通混凝土断裂韧度尺寸效应公式结合,通过对几种模型的计算结果的分析比较,得到了碾压混凝土所适用的断裂韧度尺寸效应公式。     

考虑骨料粒径影响的BFRP筋混凝土梁剪切破坏及尺寸效应

粗骨料是混凝土材料的组成之一,其粒径变化会影响混凝土梁中骨料咬合作用对抗剪承载力的贡献。为了系统地考虑最大粗骨料粒径对玄武岩纤维增强聚合物（Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP）筋无腹筋混凝土梁剪切破坏的影响,采用细观尺度数值模拟方法,建立BFRP筋无腹筋混凝土梁数值模型,模拟分析构件尺寸和粗骨料粒径对BFRP筋混凝土梁剪切破坏模式和抗剪强度的影响规律。结果表明：BFRP筋无腹筋混凝土梁的抗剪强度存在尺寸效应,同时,随着最大粗骨料粒径的增大,BFRP筋混凝土梁的抗剪承载力提高,梁的剪切尺寸效应被削弱。根据最大粗骨料粒径的影响机制与规律,结合断裂力学尺寸效应律,建立了BFRP筋混凝土梁抗剪强度尺寸效应理论公式,并与模拟结果和试验数据进行对比,验证了公式的准确性和合理性。     

不同类型混凝土弯曲强度尺寸效应

基于混凝土脆性的评价指标,采用Bazant提出的基于能量释放的尺寸效应律的方法,以普通混凝土、粉煤灰混凝土、轻骨料混凝土、纤维混凝土和聚合物改性混凝土为样本,对其弯曲强度的尺寸效应进行研究,定量表征不同类型混凝土的脆性.研究结果表明:Bazant提出的尺寸效应律适用于不同种类混凝土的弯曲强度的尺寸效应评价;从尺寸效应律曲线分析可知,轻骨料混凝土比其他混凝土呈现明显的脆性断裂行为,而纤维混凝土和聚合物改性混凝土的脆性断裂行为不明显,粉煤灰对于混凝土脆性的改善也具有一定的作用;线性断裂理论在一定尺寸范围内比非线性断裂理论更适用于混凝土断裂行为的评价.     

I-II-III复合型裂缝应力强度因子与能量释放率的关系

基于断裂力学理论,应用复合型断裂判据中的最大周向应力判据和最大拉应变判据,以单一型裂缝应力强度因子K与能量释放率G的关系为基础,推导出I-II-III复合型裂缝应力强度因子K_I、K_II、K_III与能量释放率G_I-II-III关系公式;并应用有限元软件进行I-II-III复合型裂缝的有限元模拟,模拟值与理论值之间相差为1.14%,拟合良好,分析验证了复合型裂缝应力强度因子K_I、K_II、K_III与能量释放率G_I-II-III关系公式的合理性。     

基于双K断裂模型的海水对混凝土断裂性能的影响研究

基于双K断裂模型,通过三点弯曲试验研究了海水养护、海水搅拌对混凝土断裂性能的影响。试验结果表明:海水拌制明显降低了混凝土的起裂荷载及峰值荷载,对混凝土的起裂断裂韧度KIcini及失稳韧度KIcun也均有降低作用,降幅最大分别达到52.6%和25.6%;海水养护对双K断裂参数影响相对较小,起裂断裂韧度及失稳韧度降幅范围分别为3.2%~23.4%、12.7%~20.8%。此外在海水影响下,计算得到的断裂能有较明显的降低,降幅范围在14.5%~28.1%。海水对混凝土立方体抗压强度影响较小。     

废旧塑料改性砂浆力学性能研究

用片状和圆柱状塑料骨料等取代砂浆中的砂子,研究塑料骨料取代量、形状对水泥砂浆流动度、抗弯强度、抗压强度、抗弯挠度和断裂韧性的影响.结果表明,随片状塑料骨料掺量增加,砂浆流动度、抗压强度、抗弯强度、断裂韧性都快速下降,抗弯挠度增加;随圆柱状塑料骨料掺量增加,砂浆流动度增加,抗压强度下降,抗弯强度在低掺量时变化不明显,断裂韧性先增加后下降,抗弯挠度逐渐增加.     

混凝土材料细观结构断裂数值模拟

在细观层次上，应用蒙特卡洛法，在二维平面上建立了混凝土多边形骨料随机分布结构模型。对该模型采用有限元方法，根据最大周向正应力准则，以混凝土三点弯曲梁试件为例，进行了开裂过程的模拟，得出了裂纹在基质、骨料及界面中的扩展路径。仿真分析表明，混凝土试件的承栽能力随着组成骨料粒径的不同而变化，中对此进行了讨论。     

Effects of Aggregate Size and Specimen Scale on Asphalt Mixture Cracking Using a Micromechanical Simulation Approach

A micromechanical model based on discrete element method(DEM) was employed to investigate the effects of aggregate size and specimen scale on the cracking behavior of asphalt mixture. An algorithm for generating three-dimensional aggregates that can reflect the realistic geometry such as shape, size and fracture surface of aggregate particles was developed using a user-defined procedure coded with FISH language in particle flow code in three-dimensions(PFC3 D). The parallel-bond model(PBM), linear contact model(LCM), and slip model(SM), whose sets of micro parameters were obtained by comparing experimental tests with numerical simulation results, were used to characterize the internal contact behavior of asphalt mixture. Digital asphalt mixture specimens were used to simulate the effects of aggregate size and specimen scale on the cracking behavior by the indirect tensile(IDT) test. Some conclusions can be drawn as follows: Both cracks and IDT strength decrease with increasing aggregate size. However, the heterogeneity of contact-force distribution augments with increasing aggregate size, especially with 13.2-16 mm aggregate. The aggregate size of 4.75-9.5 mm dominates in forming skeleton structure for asphalt mixture. The IDT strength decreases and cracks augment with increasing sample scale. The crack growth can be well interpreted from the perspective of energy analysis. The conclusions show that the proposed micromechanical model is suitable for the simulation of crack propagation. This study provides an assistant tool to further study the cracking behavior of particle-reinforced composites material such as asphalt mixture and Portland cement concrete.     

砂率对富含砖粒再生混凝土断裂性能影响试验研究

为了研究砂率对再生混凝土断裂性能的影响,以RC25为基准再生混凝土,制作了砂率分别为25%、30%、35%、40%、45%、50%的再生混凝土梁试件。通过梁的三点弯曲试验,从断裂韧度和断裂能两个方面,研究了富含砖粒再生混凝土断裂性能随砂率的变化规律。结果表明:富含砖粒再生混凝土的断裂韧度、断裂能均随砂率的增大呈现出先增大而后减小的趋势;砂率由25%增大到35%时,断裂韧度增大了8.43%,断裂能增大了10.73%;砂率由35%增大到50%时,断裂韧度降低了3.81%,断裂能降低了11.29%;砂率小于35%时的断裂韧度比砂率大于35%时的断裂韧度更容易受到砂率变化的影响,而断裂能则没有出现相同的情况。     

集料-水泥石界面对混凝土损伤断裂性能的影响

通过不同的界面处理工艺改变混凝土中集料-水泥石粘结强度,研究集料-水泥石界面对混凝土单轴受压应力-应变全曲线、四点弯曲断裂能和裂缝扩展模式的影响规律.研究表明:集料-水泥石界面对混凝土的强度和韧性具有一定的影响,强化集料-水泥石界面可以提高混凝土的抗压强度,但却降低其韧性;弱化粗集料-水泥石界面,会明显降低混凝土的强度和变形能力;而弱化细集料-水泥石界面能提高混凝土的断裂能和延性指数,原因是细集料表面的初始缺陷将宏观分离裂缝诱导为均匀分布于砂浆基体中的弥散裂缝,增加了有效裂缝长度,同时也增大了断裂过程区,从而改善了混凝土的延性.     

A simple method for determining independent fracture toughness and tensile strength of rock

This paper develops a model that only requires two sets of small-size rock specimens with the ratio of the structural geometry parameter maximum to minimum a_e,max:a_e,min ≥ 3:1 to determine the rock fracture and strength parameters without size effect and predict the actual structural performance of rock. Regardless of three-point-bending, four-point-bending, or a combination of the above two specimen types, fracture toughness K_IC and tensile strength f_t of rock were determined using only two sets of specimens with a_e,max:a_e,min ≥ 3:1. The values K_IC and f_t were consistent with those determined using multiple sets of specimens. The full structural failure curve constructed by two sets of small-size specimens with a_e,max:a_e,min ≥ 3:1 can accurately predict large-size specimens fracture failure, and ±10% upper and lower limits of the curve can encompass the test results of large-size specimens. The peak load prediction curve was constructed by two sets of specimens with a_e,max:a_e,min ≥ 3:1, and ±15% upper and lower limits of the peak load prediction curve can cover the small-size specimen tests data. The model and method proposed in this paper require only two sets of small-size specimens, and their selection is unaffected by the specimen type, geometry, and initial crack length.     

不同尺寸混凝土楔入劈拉试件双K断裂韧度试验研究与理论分析

为了研究不同尺寸的混凝土结构的断裂性能,设计了5组共20个不同截面高度的楔入劈拉试件进行混凝土断裂试验.改进了试验加载装置以抵消竖向力的作用,简化了分析计算.在双K断裂理论的基础上,采用应力强度因子叠加原理对不同截面高度的楔入劈拉试件的有效裂缝长度和双K断裂韧度进行了计算.试验结果表明:在200~700 mm设计的截面高度范围内,试件起裂荷载、失稳荷载及有效裂缝长度均随截面高度的增大而呈线性增大;起裂断裂韧度基本不受试件高度变化的影响;失稳断裂韧度在试件截面高度低于500 mm时表现出一定的尺寸效应,随试件高度增大而逐渐增大,当试件截面高度大于500 mm时其值趋于稳定,可认为是一个常数.     

Hydration Characteristics of Sodium Sulfate Slag Cement System

The hydration characteristics by thermal analysis ( DTA ) were determined, and an isothermal calorimeter (IC) was used to study the pastes . The experimental results indicate: (1) The main hydration products of SSC are C-S-H( I ) gel with a low Ca/Si ratio, crystalline Thomsonite-type and AFt-type phases containing certain alkali cations; (2) No phases of the AFm-type and high alkaline Ca( OH)2 in SSC system could benefit the hydrated cements to improve its strength and durability; (3) Crystalline Thomsonite-type and AFt-type phases containing Na will greatly reduce free alkali and alleviate the harmness of alkali aggregate reaction ( AAR) in SSC system; (4) Similar to ordinary Portland cement( OPC), the hydration process of SSC could be classified into five stages : initial, induction, acceleration, deceleration and decay; (5) Regardless of the activator used, the apparent activation energy is higher with the increased slag in cement system, and the rising temperature could promote the hydration of SSC.     

三点弯曲下PVA-尾矿砂水泥基复合材料断裂特性

针对混凝土的早期开裂问题,设计了PVA-尾矿砂水泥基复合材料三点弯曲梁试验,研究了尾矿砂掺量、缝高比、纤维掺量以及使用条件对断裂韧度和断裂能的影响规律.通过试验得出P-δ曲线和P-COM D曲线,并计算断裂韧度和断裂能.结果表明:断裂韧度与缝高比成反比,且随着纤维掺量的增加而增加,但尾矿砂对断裂韧度的影响却很小;断裂能随纤维掺量的增加而增加,随尾矿砂掺量的增加而降低;正常使用条件下的断裂能、断裂韧度计算值比腐蚀使用条件下的断裂能、断裂韧度计算值均增大约10%.