基于CT的混凝土试样静动力单轴拉伸破坏裂纹分形特征比较研究

为了能定量地利用CT数资源研究混凝土静动力强度特性及裂纹演化规律,利用适合CT扫描仪的便携式动力加载设备,对圆柱体混凝土试样进行单轴静动力拉伸CT试验,并利用编制的差分盒维数计算程序计算CT扫描断面的分形维数,以此为基础从细观层面上比较分析混凝土静动单轴拉伸强度特性、受力破坏机制及裂纹分形特征。结果表明:静力拉伸荷载条件下混凝土破坏时裂纹扩展速度慢,破裂面粗糙曲折,裂纹绕着骨料追随最薄弱界面发展;动力拉伸时裂纹扩展速度快,破裂面较平直,裂纹切割骨料追随能量释放最快路径发展;静动力拉伸CT扫描断面分形特征明显,分形维数随裂纹扩展成规律发展,能较好地反映出混凝土材料损伤裂纹的演化规律,可以定量表述试样的破损程度,可作为裂纹演化的定量参数。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

基于破损演化理论的混凝土CT图像定量分析

通过对混凝土CT图像影像特征的分析可以研究混凝土内部细观结构及裂纹变化的特点,但当前国内对混凝土的CT试验研究很少。将破损演化理论应用于混凝土CT图像的定量分析,利用完整度和破损度的变化分析试样各点的强度变化,解决了CT数分布范围广、不利于定量分析的问题;利用λ–水平完整域和λ–水平破损域实现从细观到宏观分析的过渡;进一步利用λ1–λ2截理的概念从CT图像中分别提取出裂纹区域、骨料区域、砂浆区域以及空气区域。提出量测各区域大小的方法,实现对混凝土各物相的分区描述,并在此基础上探讨破损演化理论在混凝土CT试验研究中的应用前景。     

混凝土特性数值方法研究及CT试验

建立三维混凝土数值模型,确定了三维“数字混凝土”数值试验的加载方法及强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土强度特性、受力破坏机理及裂纹演化规律。最后用混凝土CT试验验证了此法的合理性。得出可以用位移控制的数值试验的应力应变曲线的极值点作为数字混凝土的强度点;混凝土强度主要受界面和砂浆强度控制;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从骨料尖角处相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,说明混凝土的静态裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于试样的破坏面积,破坏面积越大强度越高。     

混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究

为了研究混凝土材料的细观结构破坏机理,将其视为由骨料、界面、水泥浆和孔隙组成的复合材料。利用微焦点工业CT对试件进行扫描,获得高精度CT图像。通过图像处理与分割,应用Mimics软件建立三维数值模型,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟并与试件单轴压缩CT原位扫描试验进行对比。结果表明:试件内部界面是其薄弱部位,裂纹首先在界面处产生,沿界面扩展到水泥浆,同时裂纹也会穿过部分骨料,最终贯通形成破裂面。通过对比发现数值模拟高应变区的萌生、扩展、联通与试件单轴压缩CT试验的破坏过程以及最终的破裂面形状都具有一致性,表明该建模方法是可行性。该模型能够充分反映试件内部真实结构特征,为数值方法研究混凝土材料细观特性提供了建模手段。     

界面强度对混凝土拉伸断裂影响的数值模拟

采用数字图像的处理手段表征混凝土的三相(基质、骨料、界面过渡区)细观结构,获取混凝土界面过渡区的形状与分布,并引入到原有材料破坏过程分析(MFPA~(2D))系统中,建立了能反映混凝土真实细观结构的数值模型,并应用该模型模拟了界面强度对混凝土拉伸断裂过程的影响.研究表明,当界面过渡区强度较低时,混凝土的断裂过程表现为界面过渡区中萌生的局部裂纹相互作用、桥接贯通的过程;界面强度与抗拉强度之间存在非线性关系,界面强度的提高增大了混凝土的延性,导致单轴拉伸荷载作用下混凝土试件的宏观断裂模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;模拟结果与试验结果比较吻合.     

混凝土弯曲拉伸力学性能及尺寸效应细观数值研究

为反应骨料颗粒细观组分对混凝土弯曲拉伸宏观力学行为的影响,建立混凝土随机骨料细观尺度力学模型,细观组分材料采用塑性损伤和线弹性本构关系,开展混凝土弯曲拉伸细观尺度数值模拟,探讨骨料颗粒的影响机理,并与混凝土弯曲拉伸试验进行对比。研究显示：（1）混凝土细观数值模型能较好地模拟混凝土在弯曲拉伸荷载下的宏观力学行为。（2）弯曲拉伸损伤从模型底部薄弱的界面过渡区形成,并向砂浆基质延伸。骨料粒径越大,损伤路径相对越曲折。（3）随着骨料粒径的减小,混凝土弯曲抗拉强度略有提高,尺寸效应现象更为显著。     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更     

单轴压缩条件下土石混合体开裂特征研究

土石混合体作为一种物质成分和内部结构特征极为复杂的多相多组分散粒材料,其破坏是一个复杂的结构变化过程。应用CT试验和数值模拟方法研究土石混合体的变形破坏特征,指出开裂是土石混合体区别于其他地质体变形破坏的一个显著特征。土石混合体破坏的根本原因是块石与土体的弹性不匹配和土–石界面的差异滑动,破坏的实质是内部裂纹产生、扩展、互锁和贯通的过程。通过对土石混合体开裂机制的研究得出以下结论:(1)基于CT试验的变形特征分析表明试样、块石包裹体及其邻近土体三个感兴趣区域的CT数随应力水平的增加而不断减小,且块石包裹体的CT数变化较土体更为敏感。(2)数值模拟结果表明试样破坏过程经历了土石结合裂纹的萌生、慢裂、快裂致贯通破坏的过程。土石接触面是最薄弱的部位,荷载作用下界面差异滑动引起裂纹的产生,随后裂纹沿块石边界缓慢扩展直至扩展到土体中,受块石形状及分布的影响,裂纹会出现局部化发展和互锁现象。大量裂纹在土体中快速扩展聚集引起试样的破坏。(3)土石混合体的破坏具有渐进性的过程,破坏可分为三级:一是土–石界面的开裂,二是土体中裂纹的扩展、聚集和贯通并且最终导致试样的破坏,三是针对软弱的片岩块石的穿石破坏。     

混凝土I-型细观断裂模型及其在材料层次#br# 尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I 型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明：当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

火灾高温下混凝土计算机层析识别实验研究

为了研究火灾高温环境下隧道衬砌混凝土内部结构的损伤效应,在 100~800 ℃温度范围内,采用 CT 扫描、SEM 扫描电镜对混凝土的微观结构进行探测,建立裂隙率、裂隙长度、最大孔隙含量与温度的量化关系。研究表明：火灾发展过程中,混凝土内部结构产生了裂纹,且随火灾发展逐渐扩张;随着温度升高,混凝土的孔隙率、孔喉长度与宽度呈指数型函数上升趋势,表明混凝土细观结构损伤不断累积;最大孔隙的体积含量随火灾温度增加保持先增后减的变化特点。由扫描电镜结果发现,水泥硬化体在高温作用下逐渐膨胀脱水,是混凝土细观结构损伤的重要原因。     

Microstructure of pre-wetted aggregate on lightweight concrete

A study was made on microstructure and water absorption rate of ‘Litcon’—a porous lightweight aggregate made from expanded clay. EDAX analysis on the aggregate particle showed different chemical compositions between the shell and the inner core of the lightweight aggregate. S.E.M. examination on the resulting concrete showed a good mechanical bonding between the cement and the aggregate interface, though traces of inter-granular cracks were observed. When the pre-wetting time of the aggregate increased, the strength and the workability of the concrete increased too. The high workability of fresh concrete was attributed to the localised high water content at the surface of the pre-wetted aggregate. The surface pores of the aggregate shell absorbed the water built-up at the cement/aggregate transition phase thus resulting with lower water content at the transition zone. EDAX analysis confirmed migration of cement phase into the aggregate shell. This loss of fluidity at the transition zone may have a significant effect on the permeability of lightweight concrete.     

HRB500级钢筋混凝土框架梁开裂性能试验研究

为了研究HRB500级钢筋作为受力主筋的混凝土框架梁开裂性能,对3榀1层2跨的混凝土框架结构进行静力试验,量测了在跨中集中荷载作用下梁端与跨中截面的裂缝宽度、位移、转角以及混凝土和钢筋应变。结果表明：框架梁端裂缝宽度实测值一般大于采用现行混凝土结构设计规范公式的计算值。研究了框架梁端裂缝的开展机理,基于黏结-滑移理论,提出把裂缝处钢筋与混凝土之间的滑移分为在节点内滑移和在梁端内滑移两部分,建立框架梁抵抗负弯矩的纵向钢筋在节点区的黏结-滑移模型和相应的最大裂缝宽度计算式,并根据对试验结果的统计分析,校准了黏结-滑移模型的参数。框架梁端最大负弯矩作用下的裂缝宽度计算式可供工程实践和规范修订参考。     

盐冻循环作用下粉煤灰混凝土性能试验研究

设计制作粉煤灰引气混凝土在3.5%NaCl溶液中进行快速冻融循环试验,测试盐冻循环作用后混凝土的冻融损伤层厚度和相对动弹性模量,并进行静弹性模量试验。研究结果表明:在盐冻循环作用早期,混凝土性能劣化严重,随冻融循环持续,其劣化速度降低;混凝土静弹性模量与相对动弹性模量和盐冻损伤层厚度变化趋势一致,均可表征混凝土盐冻损伤程度。     

Modeling of steel and concrete strains between primary cracks for the prediction of cover-controlled cracking in RC-beams

After cracking, the intact concrete between two consecutive primary cracks remains elastic and the maximum concrete stress is less than the tensile strength of concrete. However, under increasing loading, cover-controlled cracks occur at the steel-concrete interface causing a loss of bond and hence a loss of tension stiffness. The cover-controlled cracks are internal concrete cracks that initiate at steel rib location and are contained within the concrete cover. In this paper, steel and concrete strain distribution between two consecutive primary cracks are modeled based on a linear assumed distribution of the bond stress at the steel-concrete interface. The accurate calculation of the tensile concrete strain allows introducing new criteria for cover-control cracking initiation based on a peak value of steel stress calculated at crack location.     

纤维再生混凝土力学性能试验及破坏分析

采用正交试验法研究了再生粗骨料掺量、粉煤灰掺量、减水剂掺量以及纤维类别对纤维再生混凝土抗压强度、劈拉强度及抗折强度的影响.利用扫描电镜及螺旋CT扫描技术分析纤维再生混凝土的内部破坏.结果表明：再生粗骨料掺量是影响纤维再生混凝土28d和90d抗压强度的重要因素;纤维类别是影响纤维再生混凝土28d劈拉强度和抗折强度的重要因素.以再生粗骨料掺量为50%(质量分数)、粉煤灰掺量(质量分数)为20%、减水剂掺量(质量分数)为0.5%和铣削波纹型钢纤维掺量(体积分数)为1.0%进行设计强度为C35的纤维再生混凝土的配制,可使其获得良好的和易性,并满足强度要求.再生粗骨料与砂浆界面处产生裂缝,导致了纤维再生混凝土强度较低.     

损伤空心板梁桥静载试验与分析

对某受损伤的空心板梁桥进行了静载试验,得到桥梁关键截面的挠度、混凝土应变和相关薄弱位置处裂缝变化趋势,结合现场检测情况综合评定桥梁正常使用状况下的承载能力与受力性能的下降幅度,为桥梁的维修加固提供重要的依据。     

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.