低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度分析方法

混凝土的扩散渗透性能与其微观结构（包括细观尺度上粗骨料颗粒与砂浆之间的界面过渡区及砂浆本身的微观结构等）密切相关。在微观尺度上,砂浆和界面过渡区均可视为由无孔砂浆基质和孔隙水夹杂相组成的两相复合材料,二者的主要区别表现为孔隙率不同。在外荷载作用下,砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率及孔隙连通性会发生改变,从而改变混凝土的扩散渗透性能。基于此,该文建立了低应力水平下混凝土中氯离子扩散行为多尺度理论分析方法,获得了混凝土表观扩散系数与外荷载（以体应变表征）及砂浆和界面过渡区当前孔隙率的定量关系。分析所采用的主要参数为砂浆和界面过渡区的毛细孔隙率、无孔砂浆基质和骨料相的力学参数、骨料相和界面过渡区的体积分数、外荷载等。与已有文献数据对比知,该文分析结果与之吻合良好,表明了理论分析方法的合理性与准确性。此外,基于该方法,探讨分析了混凝土微/细观结构对其宏观扩散性能的影响。     

基于多尺度分析的再生混凝土有效氯离子扩散系数预测

将再生混凝土视为由砂浆相、再生骨料相和二者砂浆之间的界面过渡区相(ITZ-2)组成的非均质复合材料，其中砂浆相由细骨料、细骨料-新砂浆界面过渡区(ITZ-1)、硬化水泥浆体三相组成，而再生骨料相由旧骨料、附着砂浆及旧骨料与旧砂浆的界面(ITZ-3)三相组成。基于N层球夹杂理论，考虑微观相的影响，建立了再生混凝土有效氯离子扩散系数预测的五相多尺度模型，通过硬化水泥浆体、砂浆和再生混凝土的稳态扩散系数实测值与模型预测值对比分析，验证其模型的准确性和有效性；最后，进一步讨论了氯离子侵蚀时间、再生骨料体积分数和附着砂浆含量等关键参数对其有效扩散系数的影响。结果表明：有效扩散系数预测值与试验值吻合较好，说明模型对预测再生混凝土的有效氯离子扩散系数具有普适性，为氯盐环境下再生混凝土耐久性评估与寿命预测提供理论依据。     

荷载作用下饱和水泥浆体中氯离子扩散性能研究

混凝土类水泥浆复合材料中各种尺度的孔隙,如凝胶孔、毛细孔、掺入的气体气泡以及微裂纹等影响着氯离子的扩散性能。孔隙结构参数(如孔隙率)在外荷载作用下会产生变化,进而影响了水泥浆体中氯离子扩散性能。外荷载作用对氯离子扩散行为的影响,可以等效为外荷载所引起的孔隙率的改变对氯离子扩散性能的影响。从微观角度出发,将饱和水泥浆体看作由水泥浆体基质(其孔隙率为零)和孔隙水夹杂相所组成的两相复合材料介质。基于弹性力学理论推导并获得了饱和水泥浆体达到其强度前(即未产生新裂纹前)当前孔隙率与材料初始孔隙率及体应变之间的定量关系,得到了水泥浆体中氯离子扩散系数与这些参数的定量关系。基于Fick第二定律分析了外荷载(体应变)和孔隙率变化对氯离子扩散性能的影响。研究表明:氯离子在饱和砂浆中的扩散系数随孔隙率增大而显著增大;氯离子在砂浆中的扩散系数随压缩体应变的增大而减小,随拉应变增大而增大。     

现代混凝土传输行为与其微结构之间关系的研究方法及其进展

开裂是导致结构混凝土过早出现劣化和提前退出服役的主要原因,但其劣化本质上均是侵蚀性介质通过混凝土自身的孔隙、微裂纹或者荷载作用下的裂缝传输所致,因此,要揭示现代混凝土的劣化本质,必须科学地认识并建立其宏观、微观之间的本构关系。过去国内外提出的关于侵蚀性介质在混凝土材料中的传输理论,如Fick定律或者Darcy定律,其本质上属于唯象理论,尽管可以描述离子传输的现象,但关键参数如扩散系数、渗透系数均是通过试验回归,并没有深究现象背后的物理意义。更重要的是,这些理论难以确定混凝土微结构在各尺度层次上对离子传输的影响,进而难以从根源上对混凝土微结构进行调控,难以调节混凝土侵蚀性介质传输的性能。而现代混凝土具有多孔、多相、多层次和多尺度特征,因此需要逐尺度建立侵蚀性介质在混凝土中的传输本构关系。本文以氯离子(诱发钢筋锈蚀导致混凝土劣化最主要的原因之一)在现代混凝土中的扩散为例,介绍了现代混凝土宏观、微观之间传输本构关系建立的理论方法,影响氯离子在现代混凝土中传输行为的主要微结构特征参数(如硬化水泥石的水化产物及其空间分布、界面过渡区孔隙分布、界面过渡区体积分数),混凝土在各尺度上已建立的氯离子扩散与其微结构特征参数之间的本构关系等的国内外研究现状。现有的基于细观力学建立的各尺度传输模型,如常用的自洽模型、广义自洽模型和有效介质理论等均假定夹杂是球形的,夹杂与基体之间保持完好,而对混凝土这种复杂的复合材料需充分考虑夹杂形貌、夹杂体分比以及夹杂与基体之间存在的界面过渡区对传输行为的影响。在混凝土微结构特征参数预测模型中,已初步建立了球形骨料周围界面过渡区体积分数预测模型并充分考虑了界面之间的重叠程度,界面过渡区孔结构分布模型,硅酸盐水泥水化过程的模拟以及水化产物体积分数计算模型。这些模型为混凝土宏观、微观之间的传输本构关系的建立奠定了基础。本文还系统地介绍了从影响离子传输的最小尺度即纳米尺度逐步过渡到宏观尺度的建模过程。最后指出各尺度理论预测模型和微结构特征参数定量表征方面目前存在的不足和今后研究的重点,以期为结构混凝土微结构的调控和服役寿命的预测研究提供参考。     

核电厂预应力混凝土安全壳中氯离子扩散系数的预测方法EI北大核心CSCD

氯离子扩散系数是评价沿海环境中核电厂预应力混凝土安全壳耐久性的重要参数。该文基于两尺度方法,通过分析双轴等压下水泥浆基体、界面和混凝土细观结构,建立了水泥浆基体和界面毛细孔隙率与预应力之间的定量关系。为了量化预应力对微裂纹闭合、产生和扩展的影响,提出了临界毛细孔隙率与预应力之间的经验公式。将混凝土模拟成由骨料、界面和水泥浆基体组成的三相复合材料,获得预应力混凝土氯离子扩散系数比。通过与试验结果比较,校正了经验公式中的两个参数。用三组试验数据初步验证了该预测方法的有效性。     

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。     

多壁碳纳米管增强混凝土的抗氯离子渗透性能

采用快速氯离子迁移系数(RCM)法和自然浸泡法对多壁碳纳米管(MWCNTs)增强混凝土的抗氯离子渗透性能进行研究,测量混凝土试件纵向断面上的氯离子扩散深度,据此计算氯离子扩散系数。试验结果表明：当MWCNTs掺量为0.15wt%时,混凝土28天的氯离子扩散深度、氯离子扩散系数分别降低了25.7%、19.1%;在4种不同侵蚀龄期的自然浸泡下,掺入MWCNTs的混凝土,内部氯离子浓度始终低于对照组。结合两种方法分析得出：混凝土内部各深度的自由氯离子浓度随着MWCNTs掺量的增加而降低,致使氯离子扩散系数随着MWCNTs掺量的增加而变小,MWCNTs的掺入提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。此外,通过SEM和压汞(MIP)测试进一步探究MWCNTs对混凝土抗氯离子渗透性能的微观增强机制,分析结果表明,MWCNTs具有一定的桥接和填充效应,这可能使混凝土裂缝扩展受到抑制、孔隙更加细化,从而改善混凝土的微观结构,提高混凝土的抗氯离子渗透性能。     

骨料级配对二维模型混凝土单轴抗拉强度影响的理论研究

混凝土尺寸效应及其宏观力学非线性根源于其材料细观组成的非均质性。结合混凝土细观结构形式,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料。采用双线性弹性损伤模型来描述砂浆基质及界面过渡区的力学行为,假定骨料颗粒为弹性体而不发生破坏,进而推导并获得了单轴拉伸条件下不同骨料颗粒级配混凝土断裂裂缝扩展路径长度及其抗拉强度的理论解。最后,对比了建立的理论公式结果与细观尺度数值模拟结果,验证了构建的关于裂缝长度及抗拉强度理论解的准确性和合理性。     

钢筋混凝土柱偏心受压力学性能的细观数值研究

钢筋混凝土构件的宏观力学性能由其组分-钢筋和混凝土两部分的力学性能决定。结合混凝土细观结构形式,认为混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的复合材料,假定钢筋与混凝土之间完好粘结,基于钢筋混凝土柱偏心受压试验,建立了钢筋混凝土柱偏心受压加载下力学特性及破坏行为研究的细观尺度力学分析模型。通过对混凝土方形和矩形试件进行受压力学特性模拟,采用反演法确定了界面的力学参数,进而模拟了钢筋混凝土柱偏心受压加载下的宏观力学性能。结果表明,相比于宏观尺度模型,细观数值分析模型能够充分体现材料的非均质性,能够较好的模拟试件的宏观力学性能,并且能够细致的描述裂缝发展及试件破坏过程,与试验结果吻合良好。该文建立的细观尺度分析模型与方法,为钢筋混凝土构件层次宏观力学非线性及其尺寸效应研究提供了理论支持。     

再生混凝土界面结构及耐久性综述

随着城市化进程加快,废弃混凝土产量与日俱增,其处理方式以堆放、填埋为主,严重破坏生态环境。推广使用废弃混凝土生产再生骨料并用于制备再生骨料混凝土,已成为研究热点。目前,再生混凝土已应用于城市新建结构中。再生混凝土界面结构具有高孔隙率,水分及侵蚀性离子的扩散作用会加剧界面结构劣化,使界面成为再生混凝土的强度限制相。近年来,众多学者通过改善再生混凝土内界面过渡区结构,以提高再生混凝土的基本力学性能,增强再生混凝土耐久性能,并取得了丰硕成果。相关学者分别从细、微观角度对界面结构展开深入研究,揭示了新、旧骨料砂浆间界面结构对再生混凝土性能的影响机理,并以再生骨料及界面结构的多孔性为切入点进行了诸多改善研究,包括骨料预浸、骨料裹浆、骨料碳化、掺加矿物掺合料、完善再生混凝土制备方法等,均取得了良好的成果,降低了再生骨料性质和界面结构对再生混凝土的消极作用。在我国温差较大、盐渍土丰富的西北地区,再生混凝土结构主要面临抗冻融循环和抗盐侵蚀耐久性问题。目前,相关学者通过一系列试验研究已基本探明再生混凝土的冻融循环和盐侵蚀机理,关于盐侵蚀研究,建立了氯离子迁移模型以用于氯离子迁移评估,并对单一种类离子侵蚀界面结构进行了显微分析。另外,提出降低再生混凝土水灰比、选用高品质再生骨料、掺加适量矿物掺合料和掺加剂,有助于减少界面过渡区生成,增强再生混凝土的耐久性。本文归纳了再生混凝土的研究进展,对再生混凝土的界面结构、力学性能、抗冻融循环、抗盐侵蚀性能等方面进行了综合评述,梳理了再生混凝土力学性能和耐久性的改善方法,分析了再生混凝土研究面临的主要问题并展望其前景,以期为今后我国西北地区废弃混凝土可循环利用及再生混凝土结构耐久性评估奠定理论基础。     

考虑过渡区界面影响的混凝土宏观力学性质研究

混凝土材料的宏观力学特性及破坏机理由其细观组分来决定,界面过渡区是影响混凝土断裂破坏路径及宏观力学特性的重要因素。认为界面过渡区是区别于远处砂浆基质的一层含较高孔隙率的近场砂浆材料,采用“两步等效法”得到了混凝土细观单元的等效本构关系模型。最后基于细观单元等效化方法分析了在单轴拉伸、单轴压缩及弯拉载荷条件下混凝土试件的破坏过程及宏观力学性质,探讨了界面过渡区对混凝土力学特性的影响,并与随机骨料模型分析结果进行了对比。结果表明:界面相的存在对混凝土的弹性模量、强度及残余强度等力学性质有很大影响,在对混凝土宏观力学特性及细观断裂破坏过程进行研究时不可忽略其影响。     

纳米SiO2改性轻骨料混凝土性能

纳米SiO₂（NS）具有极强火山灰活性、晶核作用和填充效应,因此用NS改善水泥基材料性能成为众多学者研究的热点。本课题对不同掺量的NS对轻骨料混凝土强度及耐久性的改性效果进行了研究。通过测试轻骨料混凝土的力学性能（抗压和抗折）和氯离子渗透性能及利用SEM和EDS测试分析了NS对混凝土宏观和微观结构的影响。研究结果表明:在适当的掺量下,NS能够有效地提高轻骨料混凝土的力学性能,其中28 d的抗压强度和抗折强度比空白组混凝土分别提高了21.6%和46.2%。氯离子渗透的结果表明,轻骨料混凝土的抗氯离子渗透性能随着掺量的增加而呈线性增强。混凝土界面过渡区（ITZ）也发生了显著变化,其厚度减小,形貌也更加致密。ITZ的钙硅比随着NS掺量增加而减小,说明该区域内水化产物C-S-H凝胶增多,Ca（OH）₂被消耗,从而形成致密的过渡区,有利于强度提高。      

混凝土材料与结构破坏过程模拟分析

采用离散单元法对混凝土材料和混凝土结构破坏机理进行分析。在细观尺度上将混凝土材料视为由粗骨料、水泥砂浆及界面过渡区三相组成,建立了混凝土材料的离散元模型;在宏观尺度上将混凝土视为均质材料建立了混凝土结构离散单元模型。计算分析结果表明:细观尺度上的二维离散单元模型可以用来很好地模拟混凝土材料的单轴受力破坏过程,但不能很好地模拟复合受力状态下的混凝土材料的破坏;宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟钢筋混凝土构件的破坏过程,但模拟结果对单元的形状有较大的依赖性;宏观尺度上的离散单元模型可以很好地模拟结构的倒塌过程,但计算效率有待提高。     

有机纤维与聚合物复掺改性水泥砂浆力学性能研究

要 在固定水灰比为0.35条件下,分别研究了聚酯纤维、聚合物丁苯乳液单掺与复掺时对水泥混凝土抗压抗折强度、折压比的影响.结果表明:单掺聚酯纤维在一定掺量下可以不同程度地提高水泥砂浆的抗压抗折强度,折压比随着聚酯纤维含量的增加呈先减小后增加的趋势;单掺聚合物乳液降低了水泥砂浆的抗压强度,而折压比则随聚合物乳液掺量增加呈现逐步变大的趋势;聚酯纤维与聚合物乳液复掺时,聚合物乳液的掺入使聚酯纤维混凝土的抗压强度出现小幅降低,增强了其抗折强度,提高了其折压比,当纤维体积掺量为0.1％、聚灰比为15％时,聚酯纤维聚合物水泥混凝土的柔性最大;纤维-聚合物复掺能够使其性能得到进一步改善,效果优于两者的单掺效果.并通过扫描电镜探讨了聚酯纤维与聚合物乳液在水泥砂浆中的作用机理,表明两者复掺有效填充了水泥基材料内部的宏观与微观缺陷,提高了界面过渡区的密实程度.     

钢筋混凝土梁抗冲击性能研究的细观数值模拟方法

为更真实地描述钢筋混凝土梁在冲击荷载作用下复杂的破坏过程,结合混凝土细观结构非均质性,假定混凝土是由骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,考虑混凝土细观组分的率效应,将钢筋网嵌入至素混凝土梁,建立了钢筋混凝土梁抗冲击力学行为研究的三维细观尺度数值模型。基于该数值分析模型与方法,研究了落锤速度对钢筋混凝土梁抗冲击性能的影响规律。将细观数值模拟结果与宏观模型结果以及已有试验结果进行了对比分析,包括破坏模式、冲击力、跨中位移以及支座反力等,发现模拟结果与试验结果吻合良好,验证了细观数值分析模型在钢筋混凝土梁抗冲击性能模拟中运用的可行性。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

考虑材料非均质特性的混凝土中氯离子扩散系数预测模型

以粗集料含量作为混凝土材料非均质特性的量化指标,通过室内物理实验,实测得到不同粗集料含量的混凝土试件在人工潮汐环境下的氯离子浓度沿扩散深度的分布,经拟合回归分析,分别得到了不同粗集料含量的混凝土试件中氯离子的扩散系数,定量研究了混凝土材料的非均质特性对氯离子扩散系数的影响。在此基础上,根据实验组混凝土试件的扩散系数,建立了同时考虑扩散时间、粗集料含量、温度和湿度共同影响的混凝土中氯离子扩散系数预测模型。基于相同暴露环境下验证组混凝土试件的实测数据,验证了本文所建立的氯离子扩散系数预测模型的准确性。     

粉煤灰、石灰石粉复掺对水泥净浆工作性能的影响

通过检测水泥净浆流动度和Marsh时间,研究了不同掺量粉煤灰与石灰石粉对水泥浆体的工作性能的影响。结果表明,粉煤灰单掺掺量为20%的水泥浆体工作性能最优,单掺石灰石粉的水泥浆体随着掺量增加流动度呈线性增长;复掺掺量分别为20%、30%,粉煤灰和石灰石粉等量时,水泥浆体工作性能最好;通过对水泥、粉煤灰和石灰石粉的粒径分析,从微观角度分析了不同级配的水泥浆体的工作性能。     

饱和钢纤维再生混凝土氯离子扩散特性研究

利用废弃骨料制作再生混凝土是建筑固废弃物的再生资源利用途径之一,其在氯盐侵蚀环境条件下的耐久性规律与普通混凝土不同。本文以模拟海洋侵蚀环境,通过改变水灰比及NaCl溶液浓度,分析各因素对钢纤维再生混凝土氯离子扩散行为的影响规律。结果表明:浸泡液浓度越大,进入混凝土内部的氯离子越多,随着深度的增加氯离子含量逐渐减少;较低的水灰比与适量钢纤维的掺入均可以有效降低氯离子扩散系数,提升钢纤维再生混凝土的抗氯盐侵蚀能力;氯离子扩散系数随着NaCl溶液浓度的增加而增大。     

新型聚合物水泥胶浆界面剂粘结性能及作用机理研究

采用新型聚合物水泥胶浆作为界面剂以提高新旧混凝土之间的粘结性能,通过拉拔粘结强度与劈裂抗拉粘结强度实验对5种不同类型的聚合物水泥胶浆界面剂的粘结性能进行了测试,并利用扫描电镜(SEM)分析研究了丁苯聚合物水泥胶浆的界面增强机理。实验结果表明,5种聚合物乳液中,丁苯聚合物水泥胶浆具有较好的拉拔粘结性能,当优选m(水泥)∶m(DB-1乳液)=3∶2时,其7d、28d拉拔粘结强度分别达到1.83MPa、2.41MPa,相比水泥净浆空白样分别提高了144%、96%;在劈裂抗拉粘结强度方面,水平方向浇筑时劈裂抗拉粘结强度相对较高,当聚合物水泥胶浆的优选m(水泥)∶m(DB-1乳液)=3∶2,水平浇筑时其28d劈拉粘结强度达到2.96MPa,明显高于不掺界面剂的试样以及掺加其它配比界面剂的混凝土试样;经过微观测试分析,丁苯DB-1聚合物水泥砂浆内部界面过渡区(ITZ)相比空白样明显致密,表明丁苯聚合物的加入有效填充了水泥基材料内部的宏观与微观缺陷,提高了界面过渡区的密实程度。