基于随机骨料模型的碾压混凝土劈拉性能的数值分析

为从细观结构上研究碾压混凝土的劈裂抗拉力学性能的尺寸效应,采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,在细观层次上将碾压混凝土看成是由硬化水泥砂浆体、粗骨料颗粒及二者间的黏结带构成的三相非均质复合材料;利用有限元方法数值模拟碾压混凝土的细观损伤断裂和劈裂抗拉,对其劈裂抗拉强度尺寸效应进行了研究。结果表明：黏结层面是碾压混凝土劈拉破坏的薄弱环节,碾压混凝土试件的劈裂抗拉强度存在明显的尺寸效应,所采用的数值模拟计算方法基本可行。     

碾压混凝土劈裂抗拉的数值分析

碾压混凝土的强度关系到碾压混凝土结构的安全.采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,利用有限元方法数值模拟碾压混凝土试件劈裂抗拉的细观损伤断裂,并对其劈裂抗拉破坏过程进行了研究.     

碾压混凝土试件细观损伤断裂的强度与尺寸效应分析

为了实现碾压混凝土试件强度性能的仿真计算分析 ,在细观层次上将试件看成是由硬化水泥粉煤灰砂浆、粗骨料、二者之间的粘结带及水泥砂浆中间层面形成的非均质复合材料 ,以随机骨料模型代表碾压混凝土的细观结构 ,应用非线性有限元法 ,模拟试件的细观损伤断裂 ,从而求得其宏观力学强度 ,据此可解释试件的尺寸效应 .计算结果表明 ,试件的单轴抗压强度及劈裂抗拉强度与试验结果较为吻合 ,试件的尺寸效应符合一般规律 ,该方法为碾压混凝土试件强度性能的数值模拟提供了一种新的技术途径 .     

碾压混凝土单轴抗压强度尺寸效应的数值模拟

碾压混凝土与混凝土一样也存在着尺寸效应.采用随机骨料模型模拟碾压混凝土的细观结构,利用有限元方法数值模拟碾压混凝土试件单轴抗压的细观损伤断裂,并重点对单轴抗压强度尺寸效应进行了研究.     

冲击荷载作用下混凝土抗压强度的细观力学数值模拟

为研究混凝土在冲击荷载作用下的细观破坏机制,将混凝土视为由骨料、水泥砂浆及二者间的黏结带所构成的三相复合材料,根据瓦拉文公式确定代表骨料的颗粒数,采用蒙特卡罗方法生成随机骨料模型.采用双折线损伤模型描述混凝土细观单元的损伤退化.利用非线性有限元方法对湿筛混凝土立方体小试件和全级配混凝土立方体大试件在冲击荷载作用下的细观破坏机制进行数值模拟,给出了试件的应力-应变曲线和动态抗压强度.研究结果表明,数值模拟所得的结果与实验结果表现出较好的一致性.     

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。     

基于细观层次的混凝土抗压强度与尺寸效应的数值模拟

为了实现混凝土试件抗压强度与尺寸效应的仿真计算分析,在细观尺度下,把混凝土看作是由砂浆、粘结带和骨料组成的三相复合材料,细观尺度下的各相物理力学参数都以试验数据为依据,用随机骨料模型代表混凝土细观结构,利用有限元法和混凝土细观力学的本构关系,借助于计算机强大的运算能力,对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟.通过计算发现:...     

数值建模方法对混凝土靶板侵彻过程的影响

混凝土靶板侵彻过程中,弹丸通常会受到骨料及砂浆带来的非对称力作用,导致弹丸质量非对称磨蚀,造成弹丸偏转,影响精确打击目标的效果。从细观组成出发,将混凝土看作是由骨料、砂浆和二者之间的界面过渡区构成的三相复合材料。介绍了3种不同类型随机骨料模型的程序语言实现方法及各自的建模特点,结合连续介质模型,采用动力学分析软件LS-DYNA对S.J.Hanchak的部分混凝土靶板侵彻试验进行了数值模拟,考察了细观组成对弹丸剩余弹速及偏转角的影响,为细观力学层次上混凝土靶板侵彻问题数值模拟方面的研究提供一定参考。     

混凝土内部温度场的细观数值模拟研究

通过对混凝土热传导的细观特性分析,探讨混凝土的非均质特性对热传导过程的影响规律.假定混凝土由砂浆、粗骨料以及二者界面过渡区(ITZ)组成,利用Voronoi单元剖分技术建立细观格构网络模型,是开展热传导过程研究的新途径.基于非线性分析的热传导方程,利用伽略金加权余数法和有限差分法,确定其方程的数值形式,以水泥砂浆与花岗岩为例,开展了基于细观格构网络模型的混凝土热传导过程数值仿真分析.数值计算表明,混凝土的细观格构网络模型可有效地呈现其热传导过程,并可确定其内部温度场分布规律.     

高碾压砼重力坝层面失稳破坏的模拟分析

以龙滩高碾压混凝土重力坝为工程背景,对高碾压混凝土重力坝的水平软弱层面,从局部裂缝扩展到整体破坏的全过程进行了模拟分析.在充分考虑到碾压混凝土的多相非均匀性细观结构特征的基础上,运用材料破坏全过程的分析软件系统MFPA2D对高碾压混凝土重力坝进行了分析,模拟给出了高碾压混凝土重力坝破坏过程的应力以及破坏单元分布图,并对碾压混凝土重力坝的破坏过程进行了分析.结果表明,裂缝扩展的第二阶段为破坏过程的关键阶段.     

围压及粗骨料对超高强混凝土抗压性能的影响

为研究围压大小和粗骨料类型对超高强混凝土抗压性能的影响,对分别含不同类型粗骨料(玄武岩、石英岩、大理岩),相同配合比的超高强混凝土试样和其基体砂浆试样在六档围压(0、5、10、20、40、70 MPa)下进行常规三轴试验.试验结果表明:粗骨料类型对超高强混凝土试样的峰值应力、弹性模量影响显著;与基体砂浆试样相比,相同轴向应力下含粗骨料超高强混凝土试样的变形明显减小;超高强混凝土的峰值点轴向应变随围压呈线性增长,破坏形态在不同围压下呈现三种类型,0围压下的劈裂破坏、5～40 MPa围压下的剪切破坏、70 MPa围压下的挤压流动破坏;峰值应力的增长速率随围压的升高逐渐变慢,含粗骨料超高强混凝土的增长速率在低围压下高于其基体砂浆试样,而在40～70 MPa围压下两者基本趋于同一速率;不同骨料对裂缝的扩展呈现不同的阻挡作用,裂缝穿越大理岩的比例远大于石英岩.分别用Mohr-Coulomb准则与Ansari准则拟合试样的抗压强度数据,结果表明Ansari准则较Mohr-Coulomb准则更精确地反映混凝土强度随围压的变化趋势.     

老砂浆对再生混凝土力学性能影响模拟试验

再生混凝土和普通混凝土的内在区别主要在于老砂浆的存在与否,为了能够准确把握再生混凝土的力学性能和影响因素,从老砂浆入手,研究其强度、含量和分布特点。将原始混凝土剔除骨料制备成砂浆试块,并研究其力学性能,将原始混凝土破碎制成再生粗集料并制备成再生混凝土,研究其力学性能和破坏形态,并根据切割断面研究再生集料中老砂浆含量和分布,分析老砂浆对再生混凝土力学性能的影响。     

Application of Air-cooled Blast Furnace Slag Aggregates as Replacement of Natural Aggregates in Cement-based Materials:A Study on Water Absorption Property

The influence of air-cooled blast furnace slag aggregates as replacement of natural aggregates on the water absorption of concrete and mortar was studied, and the mechanism was analyzed. The interface between aggregate and matrix in concrete was analyzed by using a micro-hardness tester, a laser confocal microscope and a scanning electron microscope with backscattered electron image mode. The pore structure of mortar matrixes under different curing conditions was investigated by mercury intrusion porosimetry. The results showed that when natural aggregates were replaced with air-cooled blast furnace slag aggregates in mortar or concrete, the content of the capillary pore in the mortar matrix was reduced and the interfacial structure between aggregate and matrix was improved, resulting in the lower water absorption of mortar or concrete. Compared to the concrete made with crushed limestone and natural river sand, the initial absorption coefficient, the secondary absorption coefficient and the water absorption capacity through the surface for 7 d of the concrete made from crushed air-cooled blast furnace slag and air-cooled blast furnace slag sand were reduced by 48.9%, 52.8%, and 46.5%, respectively.     

Effect of crushed air-cooled blast furnace slag on mechanical properties of concrete

Morphology characteristics of mix aggregates with crushed air-cooled blast furnace slag(SCR) and crushed limestone(LCR) with 5-20 mm and 20-40 mm gradation were represented by numerical parameters including angularity number(AN) and index of aggregate particle shape and texture(IAPST).The effect of mix aggregates containing SCR on compressive strength and splitting tensile strength of concrete was investigated.Fracture characteristics of concrete,interfacial structure between aggregates and matrix were analyzed.The experimental results show that porous and rough SCR increases contact area with matrix in concrete,concave holes and micro-pores on the surface of SCR are filled by mortar and hydrated cement paste,which may increase interlocking and mechanical bond between aggregate and matrix in concrete.SCR can be used to produce a high-strength concrete with better mechanical properties than corresponding concrete made with LCR.The increase of AN and IAPST of aggregate may enhance mechanical properties of concrete.     

再生混凝土细微观结构和破坏机理研究

再生骨料相当于天然骨料表面附着了一层老砂浆,老砂浆力学性能相对天然骨料较差,造成了再生混凝土内界面过渡区的数量、分布和性能的不同,从而影响了再生混凝土的力学性能.首先通过试验方法研究了再生混凝土中老砂浆的含量和分布;利用扫描电镜考察了新老界面过渡区形貌的异同,分析了老砂浆对界面过渡区的影响;采用有限元软件ANSYS对再生混凝土细观结构的受力特征和破坏机理进行了初步分析.最后利用不同强度等级的废旧混凝土加工成再生粗骨料,制备成再生混凝土,测试其抗压强度和劈裂抗拉强度,验证了再生混凝土受力的破坏机理.     

A macro-meso constitutive law for concrete having imperfect interface and nonlinear matrix

The overall behavior of concrete depends on its meso structures such as aggregate shape, interface status, and mortar matrix property. The two key meso structure characters of concrete, bond status of interface and nonlinear property of matrix, are considered in focus. The variational structure principle is adopted to establish the macro-meso constitutive law of concrete. Specially, a linear reference composite material is selected to make its effective behavior approach the nonlinear overall behavior of concrete. And the overall property of linear reference composite can be estimated by classical estimation method such as self-consistent estimates method and Mori-Tanaka method. This variational structure method involves an optimum problem ultimately. Finally, the macro-meso constitutive law of concrete is established by optimizing the shear modulus of matrix of the linear reference composite. By analyzing the constitutive relation of concrete established, we find that the brittleness of concrete stems from the imperfect interface and the shear dilation property of concrete comes from the micro holes contained in concrete. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50679022, 90510017, 50539090) and National Basic Research Program of China (Grant No. 2007CB714104)     

混凝土多边形骨料分布的数值模拟方法

在细观层次上将混凝士看成是由骨料和砂浆基体组成的两相复合材料,讨论了混凝土力学性能的计算机模拟方法.按照骨料级配曲线和面积百分比,生成各种尺寸的骨料颗粒.应用蒙特卡洛方法将所生成的骨料分布到混凝土截面上.模拟结果表明,所生成的骨料分布图案与实际骨料分布十分相像.     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

沥青砂动态剪切蠕变特性

为了解沥青砂的复杂力学行为,给沥青混合料细观力学研究提供数据支持,将几种沥青混合料的配合比转变为沥青砂的配比,采用自主研发的沥青砂成型装置及流变仪夹具获取沥青砂的动态剪切蠕变曲线,基于Burgers模型对蠕变曲线进行拟合,获取动态剪切荷载下沥青砂的黏弹性参数,分析黏弹性参数及松弛模量的变化规律。试验结果显示,Burgers模型对沥青砂动态剪切蠕变曲线具有较好的拟合效果。相同加载时间内,相比于AC-20级配沥青混合料,SMA-16级配沥青混合料蠕变变形量更大。橡胶沥青砂的抗剪切蠕变性能最优。沥青砂蠕变变形影响规律与混合料车辙变形一般影响规律相符。试验温度、沥青用量、沥青种类和级配类型均对沥青砂的黏弹性参数和松弛模量影响显著。