均质混凝土受压性能的细观数值模拟

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比较接近。     

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。     

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。     

混凝土碱骨料反应力学性质劣化机理研究

本文建立了混凝土三相介质(骨料、水泥砂浆及其交界面)细观颗粒模型,通过对不同碱骨料反应程度的混凝土试件进行单轴受压数值模拟,得到混凝土刚度退化和宏观损伤因子随碱骨料反应膨胀应变增加而增加的规律。基于细观层面,分析碱骨料反应引起的混凝土内部细观应力分布和细观损伤演化的规律。由数值结果可知,碱骨料反应造成骨料膨胀,在砂浆内产生细观拉应力,一旦超过材料的细观强度即产生微裂缝,使细观拉应力得到释放。这些微裂缝构成了混凝土内部的细观损伤,随着碱骨料反应发展,细观损伤范围不断增加,从而导致碱骨料反应的混凝土力学性质的劣化。     

基于实测徐变的水工混凝土细观力学参数反演

现有混凝土细观力学参数反演分析一般是基于实测轴向应变进行,而荷载作用下的混凝土试件存在明显的泊松效应,因此联合实测纵、横向应变优化反演的力学参数更能反映材料的真实性能。首先开展了不同加载龄期的水工混凝土单轴压缩徐变泊松比试验,然后基于加荷和持荷阶段的实测纵、横向应变,采用“正交设计-神经网络-细观有限元模型”相结合的方法,反演获得了骨料与砂浆的弹性力学参数;进而将混凝土实测徐变度作为砂浆徐变度的初始值,反演获得持荷阶段砂浆徐变度及徐变泊松比;最后对比分析了反演获得的砂浆徐变度和混凝土徐变度。结果表明：骨料、砂浆的力学参数与混凝土力学参数存在差异,基于实测应变反演获得的骨料、砂浆弹性泊松比在0.13～0.20之间,砂浆徐变泊松比为0.125;相同加载龄期下,砂浆的徐变特性与混凝土的徐变特性相似且砂浆的徐变度要大于混凝土的徐变度,反演获得的砂浆徐变度约为混凝土徐变度的2.5倍。     

物质点法在椭圆骨料混凝土损伤模拟中的应用

为研究混凝土结构的宏观力学响应及损伤行为,应用物质点法这一新型数值方法对椭圆骨料混凝土进行数值模拟研究。基于蒙特卡罗模拟方法,考虑混凝土的细观结构,提出了一种构建随机椭圆骨料混凝土细观几何模型的方法。在该几何模型的基础上,进一步提出一种快速建立混凝土细观物质点模型的方法。分别以弹塑性损伤本构模型和弹性本构模型模拟砂浆和骨料的力学行为,采用开发的物质点法程序对混凝土数值模型进行了单轴拉伸及单轴压缩数值试验。结果表明,物质点法模拟所得的结果与设计规范及有限元结果相近。可见,物质点法为混凝土结构损伤行为的数值模拟提供了一条可行的途径。     

大坝混凝土非连续变形的并发多尺度区域分解法

大坝混凝土的裂缝萌生和失稳扩展分析需要尽可能准确地模拟骨料和砂浆界面的弱不连续，而界面过渡区微米级的厚度模拟使得有限元网格存在网格剖分质量不佳和网格数量庞大的问题。通过在大坝混凝土细观结构的不同材料实体单元间预嵌零厚度界面单元，并进行宏细观子区域界面节点重新匹配，建立了骨料-砂浆-界面单元的宏细观区域分解有限元网格。同时结合隐式梯度损伤模型和内聚力模型，在同一模型中实现骨料、砂浆基质的损伤失效模拟及骨料-砂浆界面的弱连接到脱开模拟，构建了大坝混凝土非连续变形的宏细观并发多尺度区域分解模型。将模型用于某大坝混凝土的直接拉伸试验模拟，不同随机骨料模型均能捕捉骨料和砂浆界面的弱连接到脱开过程。重现的混凝土试件破坏形态与已有研究结果一致，证明了模型的合理性。本研究可为大坝混凝土损伤断裂力学性能的数值试验提供技术支持。     

干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值分析

对于海洋浪溅区或潮汐区的混凝土结构,水分主要以气相和液相两种形式存在于混凝土内部孔隙结构中。基于混凝土毛细吸水的非饱和流体理论,建立了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的一维非线性方程。考虑水分在干燥与湿润阶段传输的滞后性,分别建立了干燥和湿润两阶段单条裂缝处水分的传输速度模型。在细观层次上,将混凝土看作由粗骨料、砂浆、界面过渡区(ITZ)以及裂缝所构成的四相复合材料,利用含单条裂缝的二维格构网络模型,开展了干湿交替下开裂混凝土中水分传输的细观数值仿真分析。通过与已有文献中的试验数据对比,验证了所建立的干湿交替下开裂混凝土中水分传输模型的正确性。利用以上数值模型,进而分析了干湿循环机制(干湿循环时间比、循环次数)以及裂缝宽度对水分分布的影响规律。结果表明:对于给定裂缝宽度,干湿循环时间比和循环次数决定着裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量分布;当裂缝宽度介于0.05~0.3 mm时,裂缝处和垂直裂缝方向的水分含量随着裂缝宽度的增大而减少。     

大骨料混凝土应变局部化中不同粒级粗骨料的作用效应

为探究不同粒级粗骨料在大骨料混凝土损伤开裂应变局部化过程中的作用效应,在建立大骨料混凝土细观有限元模型的基础上,通过开展不同细观结构下的损伤开裂模拟,分析了大骨料混凝土应变局部化区域的演化过程和分布特征;通过在原细观结构中单独改变某一粒级粗骨料分布,分别探究了不同粒级粗骨料在应变局部化中的作用效应。研究表明：应变局部化主要发生在大粒径粗骨料与砂浆间的界面过渡区处,特大石粒级粗骨料在很大程度上控制着应变局部化区域的主要分布特征,大石和中石粒级粗骨料均可直接或间接在应变局部化区域形成过程中发挥明显作用,而小石粒级粗骨料在应变局部化中的作用效应微弱。研究成果可为在大骨料混凝土细观损伤断裂分析中通过简化细观结构来降低模拟难度和减小计算规模提供参考。     

考虑材料层次尺寸效应影响的混凝土力学性能理论预测方法

大坝混凝土粗骨料粒径范围为5~150 mm,混凝土材料的宏观力学性能易随骨料级配等发生变化。本文从细观角度出发,提出了一种能够考虑材料层次尺寸效应影响的预测混凝土宏观力学性能的理论分析方法。结合混凝土材料内部细观结构形式,将其看作由粗骨料颗粒、砂浆基质以及界面过渡区组成的三相复合材料。假定骨料颗粒在混凝土受力过程中不发生破坏,采用双线性本构模型描述砂浆基质和界面过渡区的材料力学行为,基于断裂力学基本理论框架,推导得到了混凝土细观裂缝长度、宏观断裂能、单轴拉伸强度、特征长度以及脆性指数等力学参数的理论公式。基于本文提出的理论预测方法,分析了界面过渡区力学性能以及粗骨料级配、含量对混凝土宏观力学性能的影响。     

基于多相复合材料的混凝土导热系数预测模型

混凝土温度场分析是混凝土结构耐久性以及服役寿命预测的重要依据,而导热系数则是确定时变温度场分布的主要参数。考虑材料组成的非均质性,将混凝土视为由连续相水泥砂浆、分散相粗骨料以及二者薄弱界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并基于复合材料导热系数模型,建立了混凝土及其组成单元(水泥砂浆和ITZ界面)导热系数的计算模型;在此基础上,对比分析了水灰比、粗骨料体积分数、砂率、饱和度和界面热阻等因素对混凝土导热系数的影响规律。结果表明:混凝土导热系数随饱和度、粗骨料体积分数的增加而增大,随水灰比的增大而减小;考虑界面热阻的混凝土导热系数预测模型,能够更好地揭示饱和度与砂率对混凝土导热系数的影响机理。     

Meso-scale modeling of chloride diffusion in concrete with consideration of effects of time and temperature

A meso-scale truss network model was developed to predict chloride diffusion in concrete.The model regards concrete as a three-phase composite of mortar matrix,coarse aggregates,and the interfacial transition zone (ITZ) between the mortar matrix and the aggregates.The diffusion coefficient of chloride in the mortar and the ITZ can be analytically determined with only the water-to-cement ratio and volume fraction of fine aggregates.Fick's second law of diffusion was used as the governing equation for chloride diffusion in a homogenous medium (e.g.,mortar);it was discretized and applied to the truss network model.The solution procedure of the truss network model based on the diffusion law and the meso-scale composite structure of concrete is outlined.Additionally,the dependence of the diffusion coefficient of chloride in the mortar and the ITZ on exposure duration and temperature is taken into account to illustrate their effect on chloride diffusion coefficient.The numerical results show that the exposure duration and environmental temperature play important roles in the diffusion rate of chloride ions in concrete.It is also concluded that the meso-scale truss network model can be applied to chloride transport analysis of damaged (or cracked) concrete.     

高寒地区RCC坝越冬层碾压式导电混凝土电阻率细观分析

高寒地区碾压混凝土重力坝越冬层的保温是坝体温控防裂的关注要点。不同于传统的外部保温措施,本文提出一种用于RCC坝越冬层面的碾压式导电混凝土(Electrically conductive Roller-Compacted Concrete, ERCC),可通过自发热解决寒潮期坝体内外温差大的问题。ERCC的电热性能是区别于常规混凝土的主要特性,电阻率是其关键参数。首先制备了不同粗骨料含量的ERCC试件,测量不同龄期下电阻率的变化趋势,得出粗骨料含量对电阻率的影响;进而建立ERCC-2D细观数值模型,分析了界面过渡区(Interfacial Transition Zone, ITZ)对混凝土电阻率的影响,通过数值计算对ITZ进行参数率定;最后通过耦合连续介质与非连续介质计算方法,建立出不同粗骨料含量下的ERCC-3D细观数值模型,通过试验验证细观数值模拟的正确性。可以发现,混凝土中骨料含量增加可显著增大ERCC 28 d龄期的电阻率;ITZ的电阻率为砂浆电阻率1.5倍,且ITZ电阻率对混凝土电阻率几乎无影响;为量化ERCC电阻率与骨料含量和砂浆的关系,结合试验与细观数值模拟提出了ERCC...     

细骨料品种对外掺MgO砂浆膨胀性能的影响研究

 为了阐明骨料岩性对MgO混凝土膨胀特性的影响规律及作用机理,研究了20,38,60℃水养护温度下不同骨料砂浆的膨胀率,并结合能谱、元素聚类及相分布等微观测试手段深入分析了水泥基体区与细骨料界面过渡区的微结构及元素富集特性。研究结果表明：养护温度从20℃提高至60℃时,砂浆膨胀率增大,且天然砂与辉石闪长岩砂浆的膨胀率最高,其次为灰岩砂浆,玄武岩砂浆最小。38℃水养条件下,辉石闪长岩砂浆和玄武岩砂浆界面区的Ca,Mg元素富集程度高于灰岩与天然砂砂浆,天然砂较高的表面孔隙率和表面含水率有助于吸引更多的MgO迁移至界面区,快速水化形成晶粒尺寸较大、结构较疏松的“外部膨胀水化产物”水镁石;骨料颗粒通过影响界面过渡区的元素富集特性、水化物相类型和形态来影响MgO砂浆的膨胀特性,含有细粉的人工细骨料可以通过改变外掺MgO水泥水化程度和MgO含量来改变MgO砂浆的特性。     

混凝土三维随机参数化骨料模型

在三维情形下,基于参数曲面的自由变形技术,将混凝土骨料及黏结界面,用确定的、形式统一的参数方程予以表示,建立了混凝土随机参数化骨料数学模型;以骨料为卵石的混凝土为例,给出了级配、配合比等都可控制的骨料含量超过50%的随机混凝土数值试样,提出了用参数映射法对试件进行有限元网格剖分的方法。该数学模型较好地描述了骨料、砂浆与黏结界面组成的三维三相复合结构形式,为进一步在细观层次上研究和确定混凝土的动力学性能打下了基础。     

预测全级配大坝混凝土弹性模量的三相模型

在分析传统混凝土两相复合材料弹性模量计算模型不足的基础上,考虑混凝土中界面过渡区的影响,分析界面过渡区的体积与骨料体积分数、骨料颗粒级配和界面过渡区厚度之间的关系,建立预测混凝土弹性模量的三相复合材料模型,并在此基础上计算全级配混凝土与湿筛混凝土的弹性模量,并与已有试验结果进行比较,吻合良好。分析全级配与湿筛混凝土弹性模量比值与骨料及水泥基体弹性模量比值的关系,给出了随龄期变化时两者弹性模量比值的变化规律。     

混凝土早期弹模反应动力学模型及其应用

本文阐述了混凝土早期硬化的简单规律,并据此提出了混凝土早期弹模发展的反应动力学模型.将这一模型应用于南水北调工程某引水方涵洞结构,工程实例证明,本文模型能很好地模拟夏天温度高混凝土早期弹模发展快、冬天温度低早期弹模发展慢这一事实,很好地解释了方涵洞中部裂缝发展成因,证明了本文模型的可靠性与适用性.     

考虑界面过渡区非均质性的混凝土弹性模量预测

混凝土骨料与水泥浆体间界面过渡区(ITZ)厚度虽小,却表现出较强的微观结构非均质性,并对混凝土弹性模量产生显著影响。本研究充分考虑ITZ的非均质特征,由水泥浆体与其中的孔隙形成等效基体,非均质ITZ与骨料形成等效颗粒,再由等效基体与等效颗粒形成混凝土等效均质体,基于细观夹杂理论提出了一种混凝土弹性模量预测的多相夹杂模型,模型预测结果与试验结果吻合较好。定量分析还表明:界面过渡区非均质性对混凝土弹性模量影响显著,ITZ非均质程度越高,混凝土弹性模量越低;弹性模量随界面过渡区厚度、水泥浆体孔隙率的增大而逐渐降低,随骨料含量的增大而增大。