混凝土真实细观模型的生成及氯离子传输的数值模拟

基于改进的遗传算法和8邻域边界跟踪法,对混凝土断面的数字图像进行处理,得到二值图像并提取粗骨料的边界坐标;根据提取的坐标编写程序,生成浆体集料界面过渡区（ITZ）,得到真实的混凝土细观模型;将得到的混凝土细观模型导入COMSOL软件,模拟海洋水下区氯离子侵入混凝土内部过程,得到不同时刻混凝土内部氯离子浓度云图。研究结果表明：使用的建模和模拟方法所得结果与长期实海暴露混凝土实验结果一致,可以用来研究和评价海洋环境下混凝土的耐久性能;ITZ的存在会加速氯离子向混凝土内部扩散,其厚度越大,扩散过程越快,界面区厚度增大1倍,混凝土表观氯离子扩散系数增大12.3%;对比真实混凝土细观模型与参数化生成的圆形随机骨料模型中氯离子传输模拟结果发现,圆形随机骨料模型中氯离子的浓度总是小于真实细观模型中氯离子的浓度。     

考虑界面区效应的混凝土中氯离子传输特性研究

混凝土是一种多相复合材料,其中砂浆、骨料、界面过渡区(ITZ)都对氯离子传输有着重要影响。分别通过电子探针线扫描和面扫描技术,对ITZ宽度进行了测量,并获得混凝土断面氯离子精确浓度分布。基于并联传输模型,通过试验测得ITZ中氯离子扩散系数。建立数值模型对氯离子传输过程进行了模拟,并通过与电子探针面扫描结果对比,验证了模型的可靠性。结果表明,将混凝土考虑成三相复合结构,数值模型更接近氯离子的真实传输过程。     

混凝土中氯离子扩散分析的两相边界元模型

提出了一个两相混凝土的多连域边界元模型,用来研究混凝土中的氯离子扩散与分布规律。将混凝土看作由砂浆和粗骨料组成的两相非均匀材料,并假定氯离子扩散只发生在砂浆浆体中。建立了混凝土中氯离子扩散的多连域边界元模型,分析了粗骨料粒径、含量和排列方式对混凝土中氯离子扩散和分布规律的影响。通过与有限元模型的对比证明了提出的两相多连域边界元模型的合理性和优势,说明本研究模型可以用于混凝土中氯离子扩散的分析。研究结果表明,粗骨料的存在会形成阻滞作用,引发氯离子浓度场的局部梯度变化;粗骨料的含量对混凝土中氯离子扩散的阻滞作用影响明显。     

混凝土三维细观分析中界面过渡区的网格划分方法

界面过渡区(ITZ)网格划分是混凝土三维细观分析研究中的关键问题。通常只考虑砂浆和骨料两相结构;少数研究用格构模型或背景网格法确定ITZ单元,所得的ITZ单元尺寸与实际不符。提出一种基于已有的砂浆和骨料两相网格生成约50μm厚的五面体ITZ单元的方法,使得建立的混凝土三相细观结构更接近实际。所得的三维细观结构为模拟混凝土的力学性能打下了基础。     

骨料含量和界面区体积对混凝土氯离子扩散性能的影响

将混凝土视为由骨料、界面区和砂浆所组成的三相复合材料,利用MATLAB软件建立混凝土粗骨料随机模型.把模型导入COMSOL软件,通过设定不同骨料含量和界面区体积,来探究这2种因素对氯离子在混凝土中扩散的影响.首先借助试验设计方法验证了所建立的随机模型的重复性和再现性,进而确定了其模拟精度,并通过与试验数据的对比分析,验证了上述方法的有效性;随后展开了骨料含量和界面区体积对混凝土氯离子扩散性能影响的模拟试验.模拟结果表明:氯离子在混凝土中的扩散受骨料含量和界面区体积的影响;骨料含量的增加抑制了氯离子的扩散性能,表现为骨料的曲折效应;界面区体积的增加加速了氯离子的扩散性能,表现为界面效应;随着骨料含量的增加,界面效应越来越明显.     

粗骨料对混凝土氯离子扩散影响的模拟与试验

用数值模拟建立了三维随机骨料模型,分析了不同粗骨料形状、含量、粒径以及多粒径组合粗骨料对混凝土氯离子扩散的影响,并结合快速氯离子迁移系数法进行了验证.结果表明：相同体积粗骨料的形状特征参数越小,氯离子扩散受到的阻碍作用越明显;在一定浓度范围内,氯离子扩散系数随着粗骨料含量的增加逐渐减小;当粗骨料体积分数确定时,氯离子扩散系数随着粗骨料粒径的增加而减小;在相同体积分数下,氯离子扩散系数随着多粒径组合粗骨料粒径数的增加而增加.     

废弃玻璃骨料混凝土氯离子渗透性试验研究

对废弃玻璃混凝土抗氯离子的渗透性进行了试验研究。试验表明:废弃玻璃作为混凝土粗骨料,其抗氯离子扩散能力比天然骨料要差,而且随着废弃玻璃粗骨料的增加,混凝土抗氯离子扩散能力下降;相反,废弃玻璃作为细骨料,其抗氯离子扩散能力比天然骨料要好,而且随着废弃玻璃骨料的增加,其混凝土抗氯离子扩散能力增加。     

粗骨料含量对混凝土渗透性影响试验

细观结构下,混凝土可看成由水泥砂浆体、骨料及两者的界面区共同组成的三项复合材料。由于三相组成渗透性能的不同,混凝土中骨料含量的变化势必要影响混凝土的渗透性能。研究在水泥砂浆体和四种不同骨料含量混凝土快速渗透试验的基础上,结合混凝土三维骨料分布模型,对快速渗透试验结果进行了对比和模型分析,研究了骨料含量对混凝土渗透性能的影响。结果表明:尽管骨料的增加使界面区也随之增加,但是骨料含量对混凝土渗透性能的影响还是占据了主导作用,骨料含量的增加将减小混凝土的渗透性能;混凝土的骨料三维分布模型可以通过混凝土切片图进行重建,氯离子渗透扩散可采用差分模型进行模拟,其分析结果与试验结果一致。     

压缩荷载作用下混凝土中氯离子扩散行为细观模拟

将外荷载作用的影响等效为外荷载引起的混凝土孔隙率的改变,来研究其对混凝土中氯离子扩散特性的影响,提出了压缩荷载作用下非均质混凝土氯离子扩散行为的细观模型.首先对混凝土在压缩荷载作用下的力学行为进行模拟分析;然后,将荷载作用后的"结果输出"作为氯离子扩散模拟的"初始输入"条件,以单轴压缩荷载为例,将混凝土看作由骨料、水泥浆体基质及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土在力学与物理耦合作用下的细观模型,研究了压缩荷载对混凝土中氯离子扩散特性的影响,得到了氯离子有效扩散系数与压缩应力水平之间的关系式,揭示了压缩应力水平的影响规律.     

混凝土界面过渡区水分传输特性试验研究

设计制作了一批圆柱形水泥砂浆试件和混凝土试件,通过水分传输试验获取各试件的平均水分传输系数,引入界面过渡区(ITZ)与砂浆基体水分传输系数的比值β,再根据混凝土试件的并联传输模型反算获得β值。研究了截面形式、砂浆水灰比、砂灰比、粗骨料材质、表面粗糙度等因素对β值的影响。试验结果表明:ITZ与砂浆基体水分传输系数的比值β在90～175的范围内;截面形式相同时,花岗岩质粗骨料表面不进行处理时的β值均比进行喷砂处理时的β值大;β值随着砂浆水灰比的变化无明显变化,随着砂浆砂灰比的增大而减小;截面形式及砂浆配合比相同时,β值的大小不仅与骨料表面粗糙度相关,还与骨料材质相关。     

Multi-scale prediction of the effective chloride diffusion coefficient of concrete

The N-layered spherical inclusion theory is applied to develop a multi-scale model to predict the effective diffusion coefficient of chloride ion in concrete. The model treats concrete as four-phase composite materials consisting of matrix phase, aggregate phase, ITZ (interfacial transition zone) and their homogenization phase. With hardened cement pastes characterized by three parameters such as the porosity, tortuosity and constrictivity, the effect of the cement paste microstructures and ITZ on the chloride diffusivity in concrete is taken into account and the porosity distribution function and effective chloride diffusion coefficients of the ITZ are given in the model based on the cement particle distribution characteristics of the ITZ in concrete. To validate the proposed model, the diffusion coefficient of chloride ion by the steady-state migration test is measured on a series of mortar and concrete specimens and good agreement between the model and experiment is obtained. In addition, the model predicts that the chloride diffusivity of concrete composite materials depends on the chloride diffusion coefficient of the matrix and ITZ, volume fraction of the aggregate and ITZ, with the volume fraction of the ITZ influenced by aggregate size distribution, the volume fraction of aggregate and thickness of the ITZ.     

混凝土Cl-扩散系数预测的有限元方法

提出了预测混凝土Cl^-扩散系数的有限元方法．将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过比较两种典型的单元细胞模型,说明了圆形单元细胞模型在混凝土模拟方面的优越性．由于界面厚度远小于骨料尺寸,采用推进前沿法尽可能准确地剖分单元细胞,应用有限元方法获得了混凝土Cl^-扩散系数的数值解．将数值结果与实验数据进行比较,验证了该方法的有效性．基于数值结果,定量评价了最大骨料粒径、界面Cl^-扩散系数、界面厚度和骨料级配对混凝土Cl^-扩散系数的影响．     

混凝土材料的细观结构数值模拟与性能分析

在细观上将混凝土看作是由粗骨料、水泥砂浆和界面三相介质组成的复合材料,根据体视学原理并应用蒙特卡洛方法模拟出混凝土的二维圆形骨料分布;应用理论公式计算出界面厚度,并将界面看作是包围在骨料外面的一层圆环,在细观上模拟生成混凝土的三相组成;基于骨料随机模型,应用有限单元法提出了混凝土稳态氯离子扩散系数的计算方法并与试验结果进行了对比。结果表明,该模型用于计算混凝土稳定氯离子扩散系数是有效的。     

混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型

提出了混凝土氯离子扩散系数预测的格构模型;应用能量等效原理,导出了格构梁和连续体氯离子扩散系数之间的解析关系式.基于模拟所得的骨料分布和格构梁与骨料之间的相对位置,确定了每一个格构梁单元的刚度矩阵.通过有限单元分析,获得了混凝土氯离子扩散系数;定量评价了最大骨料直径、界面氯离子扩散系数和骨料级配对混凝土氯离子扩散系数的影响.基于数值结果,发现混凝土氯离子扩散系数随着最大骨料直径的增大而减小;随着界面氯离子扩散系数的增大而增大;骨料级配对混凝土氯离子扩散系数有较大影响.     

轻骨料-水泥石界面区微观结构特征

采用扫描电镜、X射线能谱分析、显微硬度等多种测试方法,测定了不同预饱水程度轻骨料一水泥石界面区水化产物的钙硅比、水泥石显微硬度以及孔结构等微观性能参数,研究了轻骨科预饱水程度对混凝土界面区结构与特征参数的影响,并与普通骨料混凝土进行了对比分析.结果表明,随着轻骨料预饱水程度的提高,界面区厚度从30μm增大至60 μm左右,距界面20μm范围内其显微硬度降低,而大于20μm处则相反,孔结构呈细化趋势,界面区得到增强,明显优于普通混凝土.     

混凝土界面面积分数和渗流阈值与应用(Ⅱ)——弹性模量预测

基于所获得的界面面积分数,提出了混凝土弹性模量预测的三相复合圆模型.在细观水平上将混凝土看成是一种由骨料、界面和水泥浆基体所组成的三相复合材料,通过求解轴对称平面应变问题,获得了三相复合圆模型位移和应力的解析解.利用位移和径向应力的连续性条件,导出了混凝土平面应变体积模量的闭合解.通过与实验结果比较,证实了三相复合圆模型的有效性.定量讨论了最大骨料粒径、界面弹性模量和界面厚度对混凝土弹性模量的影响,结果发现,对于给定的骨料面积分数,混凝土弹性模量随着最大骨料粒径和界面弹性模量的增大而增大,但随着界面厚度的增大而减小.     

再生混凝土耐久性与界面结构性质研究

混凝土的主要薄弱环节为相对均质的骨料与水泥浆体之间的界面过渡区。与天然骨料相比,再生混凝土骨料—浆体结构更为复杂,界面数量更多,因而再生骨料混凝土较天然骨料混凝土的而言,具有更为突出的抗冻融性、干缩率,抗渗透性,抗碳化性,抗盐酸侵蚀性和耐磨性等耐久度问题。本文从己经比较成熟的普通混凝土界面形成机理、结构特征着手,通过了解再生混凝土界面的复杂性,从而探求其作用机理及改善措施。在文章最后介绍了降低水灰比、掺加活性掺合料、选择合适骨料、改善搅拌工艺等改善界面黏结性能的有效手段。     

再生粗集料混凝土界面微观结构的发展规律

分别制作相同配合比的再生粗集料混凝土和普通混凝土试件.在养护龄期为3,7,14,28d时,将再生粗集料混凝土试件切割,取样,然后对其内部不同界面微观结构进行扫描电镜观测;同时对再生粗集料混凝土和普通混凝土试件进行了抗压强度试验,观察了加载后再生粗集料混凝土试件内部裂纹的分布情况.结果表明:随着龄期的增长,再生粗集料混凝土各个界面过渡区都有不同程度的发展;天然粗集料新砂浆界面过渡区发展相对缓慢;再生粗集料中老砂浆新砂浆界面发展较快,老砂浆与新砂浆结合较好;再生粗集料中天然粗集料老砂浆界面为混凝土浇筑前已存在的界面,并且存在着一定数量的微裂缝.再生粗集料混凝土3d抗压强度略高于普通混凝土,7,14,28d抗压强度则与普通混凝土基本相当.荷载作用下,再生粗集料混凝土内部裂纹主要分布在天然粗集料新砂浆界面以及天然粗集料老砂浆界面处.     

骨料界面特性对混凝土力学性能的影响

采用计算机断层扫描成像(CT)技术、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、显微硬度(MH)等各种微细观测试手段对砂岩、锈染砂岩、锈面砂岩、板岩及大理岩骨料界面特性开展了试验研究,分析了以上几种骨料的界面特性对混凝土力学性能的影响机理.研究表明：不同骨料界面区微结构相差很大,不同骨料的化学成分和矿物组成影响了界面区水化产物的数量、形态、尺寸和生长发育特性;骨料的界面区显微硬度与界面区钙硅比有良好的对应关系,钙硅比越大则界面显微硬度越低;大理岩混凝土的起裂强度明显低于砂岩、板岩和锈染砂岩混凝土,且相同荷载条件下,大理岩混凝土的裂纹面积远高于其他骨料混凝土.