混凝土强度数值试验方法研究及CT验证

基于弹性损伤本构模型,利用均质岩样研究了在不同加载方法、不同试样尺寸条件下试件的受力特性,确定了混凝土数值试验的加载方法及"数字混凝土"强度的计算方法,并从细观层面上分析了混凝土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。说明可以用位移控制的应力应变曲线极值点作为"数字混凝土"的强度点;不论是拉还是压荷载作用下,混凝土裂纹均从相对较弱的界面开始萌生,然后微裂纹绕着骨料扩展、贯通,即裂纹追随结构的弱面发展;混凝土试样的强度取决于其破坏面积。     

不同骨料粒径混凝土声发射特性分析

通过研究3组普通混凝土轴心受压试件,以不同粗骨料最大粒径作为变量,研究其应力-应变曲线特征及损伤破坏特征.利用声发射技术,研究不同粗骨料粒径普通混凝土的声发射特性,从声发射波速、能量参数、空间定位分析、损伤演化规律等角度综合评价材料特性.结果表明:混凝土的强度指标及变形性能可通过应力-应变全阶段曲线较好地反映,随粗骨料粒径增大,强度呈下降趋势,但骨料间的咬合作用明显增强.声发射波速受材料的密实程度、骨料粒径尺寸影响较大,存在随粗骨料粒径增大、波速下降的趋势.从能量角度分析破坏的全过程,应力水平-累计能量曲线4个阶段特征分明,将事件数引入材料损伤本构方程建立不同粗骨料粒径下的损伤演化模型,对实时、定量评价材料损伤程度具有较高精度.     

损伤跨尺度演化导致的混凝土强度尺寸效应

基于直接从混凝土破坏机理出发建立的混凝土材料微裂纹模型,对不同尺寸的混凝土三点弯梁试样进行了多尺度建模,对损伤演化导致的试样破坏进行了数值仿真分析,探讨了混凝土尺寸效应的发生机理.研究结果表明:混凝土材料微裂纹模型能成功模拟混凝土中微裂纹分布式生长、聚合、宏观裂纹形成与扩展、试样破坏的全过程;随着混凝土梁试样尺寸的增大,试样中的微裂纹数目及其分布的随机性也随之增加;这些裂纹在微细观尺度上的无序效应在损伤跨尺度演化过程中被放大,导致混凝土试样的宏观力学行为随之变化,即强度减小,断裂能增大,宏观性能的离散度减小;损伤跨尺度的非线性串级发展是导致混凝土强度尺寸效应的根源;相较于Bazant尺寸效应,模拟结果更符合Carpinteri多重分形尺寸效应律.     

大骨料混凝土率型内时损伤本构模型

以内时理论和损伤理论为框架,分析了骨料粒径和应变率效应对混凝土损伤的影响.建立了大骨料混凝土的率型内时损伤本构模型,并采用该模型进行多轴动态应力-应变曲线分析.与大骨料混凝土多轴动态试验数据对比结果显示数值与试验结果符合较好,说明该模型可作为大骨料混凝土动态性能研究的依据.最后,应用所提出的本构模型和未考虑大骨料因素的内时损伤本构模型对某混凝土拱坝进行非线性地震反应分析,结果表明,应变率和骨料粒径对于结构的强度和刚度影响较大,在分析中应得到重视.     

混凝土细观破裂过程的三维数值模拟及CT验证

应用 "被占领区域剔除"的思想,对原有的混凝土骨料三维随机分布的数值模型进行改进,提出了一种新的混凝土骨料三维随机分布数值模型建立的方法,并基于弹性损伤本构关系,采用双折线损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化,用弹性模量的折减程度来反映混凝土试件在加载过程中的损伤程度.对混凝土圆柱体试件进行了数值模拟计算,并依据混凝土破坏过程图比较了数值模拟的破坏过程与CT试验结果,发现试件破坏时裂纹的萌生、扩展过程与CT观测到的过程具有相似性,表明该模型较好地模拟了混凝土的不均匀性与各向异性,证明建立该模型的方法是可行的.     

再生卵石骨料混凝土力学性能及其应力-应变本构关系

采用以卵石为粗骨料的原生混凝土作为再生混凝土来源,通过破碎、筛分获取再生卵石粗骨料,配制再生卵石骨料混凝土.以取代率为变化参数,设计99个试件.通过试验,获取其立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能指标及应力-应变全过程曲线.分析了再生卵石骨料混凝土损伤演化、变形和能量耗散等力学性能.采用分段式本构关系模型和损伤本构关系模型对再生混凝土的应力-应变本构关系进行研究,并提出相应的本构方程.结果表明,与天然混凝土相比,再生卵石骨料混凝土的抗压、抗折强度略为增大,而弹性模量、变形系数与耗能系数则有不同程度的降低;不同取代率下,再生混凝土应力-应变曲线与天然混凝土相似,但下降段变得陡峭;再生混凝土损伤发展较为迅速,尤其在ε=(3~5)×10-3之间;分段式本构方程和损伤本构方程的计算结果均与实测值吻合较好.     

双轴压缩下缓倾层状砂岩力学特性及损伤本构模型研究

为揭示缓倾层状岩石在双轴应力状态下的力学特征与损伤演化规律,开展15°倾角以内层状砂岩的双轴压缩试验。为准确描述层状岩石的损伤演化过程,采用等效应变原理,结合横观各向同性岩石的弹性本构关系和统计损伤力学理论,建立双轴应力作用下层状岩石的统计损伤本构模型,并对试样压密段进行修正。分别采用解析法和拟合法对统计损伤模型进行求解验证。研究结果表明：缓倾层状砂岩在双轴应力作用下,其峰值强度和弹性模量均随层理倾角的增大而减小,随侧压的增大而增大;试样在破坏时均表现出劈裂和剪切复合型破坏的形态,随着层理倾角增加,试样破坏的主控因素逐渐由穿切层面的剪切裂纹转变为沿层面的剪切裂纹,随着侧压增大,试样破坏时产生的宏观裂纹逐渐增多,试样被这些裂纹切割成块,甚至出现板裂状剥落破坏;在压密段采用拟合法、弹性段和峰值后区采用解析法所得到的模型曲线与试验曲线吻合很好,所建立的损伤本构方程可以较好地反映缓倾层状岩石在双轴压缩下的损伤效应。     

混凝土的统计尺寸效应

首先阐述了经典Weibull统计尺寸效应理论,然后从尖锐宏观裂纹、表面裂隙、应力重分布、能量释放和空间相关性及混凝土骨料粒径等方面对该理论进行了综合评述,最后将统计理论的修正公式与基于能量释放的尺寸效应律及多重分形尺寸效应律进行了分析比较。分析表明,经典统计理论仅适用于金属材料,而基于非局部理论修正的统计理论能应用于混凝土材料的失效分析。     

不同粗骨料粒径混凝土动态压缩强度的离散性研究

为了研究粗骨料粒径差异引起的动态压缩试验离散性问题,制备了最大粒径分别为8 mm、14 mm和26 mm的混凝土与砂浆试件,通过动静态压缩试验,得到不同应变率下各试样的应力-应变曲线和应变率-动态增长因子曲线。为了更直观地分析由粗骨料粒径差异引起的试验离散性问题,定义粒径系数λ为粗骨料最大粒径d与试件直径D之比,引入变异系数CV,运用数理统计方法量化离散性,得到λ与CV关系图,直观反映试验离散性与粗骨料粒径关系。分析表明：λ=0.34为混凝土材料异质性临界点;当粒径系数λ<0.34时,混凝土材料异质性影响不明显;当λ>0.34时,粗骨料的粒径过大已经影响到了混凝土的动态响应,材料异质性明显增强。该结论的得出对今后工程与试验中粗骨料粒径的选取有指导意义。     

颗粒尺寸对岩石抗拉强度和断裂韧度影响的数值模拟

选取三种粒径(平均尺寸1.02,2.12,3 mm)花岗岩试样,利用自主开发的岩石破裂过程数值计算软件(RFPA-DIP细观版),进行带缺口试样三点弯曲试验.利用虚裂纹模型描述岩石试样达到峰值载荷前的断裂过程区,引入双线性应力分布模型,将试样内部平均颗粒尺寸与虚裂纹模型建立起联系,通过数值模拟可分别计算出不同颗粒尺寸花岗岩的抗拉强度和断裂韧度.通过引入分形维数概念来表达不同颗粒尺寸花岗岩试样内部颗粒分布的特征,得到结论:颗粒尺寸与分维值呈反比例关系,分维值较小的花岗岩试样其抗拉强度和断裂韧度相对较小.     

基于试验非拟合混凝土本构方程

目的建立混凝土单轴拉伸和压缩应力-应变方程.方法基于混凝土单轴拉伸和压缩的试验数据,研究应力-应变变化规律,抛弃传统的拟合方法,直接由混凝土基本性能(初始弹性模量、峰值应力、峰值应变和应变软化性态)导出应力-应变方程.结果全程应力-应变方程由强化方程和软化方程给出,在峰值应力之前,强化方程为单调增且二阶导数为负的曲线,与试验结果曲线相符.在峰值应力之后,用不同的软化方程表示试验软化曲线.结论笔者提出的混凝土本构方程与很多实验数据相符,方程中的参数具有明显的力学意义,形式简单,便于理解,能很好的应用于混凝土本构关系的研究中.     

骨料粒径对混凝土力学性能影响研究

为研究粗骨料平均粒径对混凝土力学性能的影响,利用MTS试验机进行了M40、M80和M110砂浆及对应不同粗骨料粒径混凝土的准静态压缩与劈裂试验,获得了各试件的准静态压缩应力-应变曲线和劈裂应力-时间曲线,分析了粗骨料粒径对不同等级混凝土的影响程度,并借助双因素方差分析方法研究了砂浆抗压强度和骨料粒径对混凝土抗压强度的影响程度.结果表明:随着粗骨料粒径的增加,混凝土的抗压强度、杨氏模量和抗拉强度具有相似的变化趋势,即呈现出先增大后减小的趋势,粗骨料粒径对混凝土抗压强度的影响随着砂浆强度的增加而变大,对杨氏模量的影响却随着砂浆强度增大而减小;砂浆抗压强度对混凝土压缩强度的影响程度要大于骨料粒径.      

混凝土破裂过程细观损伤与渗流耦合模拟

假定混凝土是由骨料、砂浆、界面和随机微缺陷组成的四相复合材料,并据此假定建立了混凝土四相复合材料的细观力学模型,导出了混凝土弹塑性损伤-渗流耦合本构方程,同时数值模拟了试样破裂过程,基于细观尺度研究了混凝土弹塑性损伤-渗流耦合问题.结果表明:混凝土渗透系数的变化与混凝土试样弹塑性损伤破裂全过程密切相关;破坏的细观单元成为渗流的主要通道.     

基于破损分区理论和CT数重建混凝土数值模型

为了建立能真实反映混凝土试样内部细观结构的数值模型,分析大体积混凝土的损伤演化特性,利用便携式动力加载设备结合医用Marconi M8000螺旋CT扫描仪进行混凝土单轴压缩CT扫描试验,获得单轴压缩条件下混凝土试样的CT扫描图像。基于破损分区理论,提出了确定阈值的概率统计法,并将混凝土CT扫描图像分为骨料区、硬化水泥石区和孔洞裂纹区。进而基于CT扫描图中每个分辨单元的坐标,建立结构随机型数值混凝土模型,并对单轴静力压缩和拉伸条件下混凝土的损伤演化特性进行数值模拟。研究结果表明:结构随机型数值混凝土模型的细观结构与混凝土试样非常接近,该模型中骨料与砂浆的黏结界面厚度仅为0.04 mm左右,与真实混凝土试样的界面厚度(10～50μm)非常接近;在单轴拉、压应力状态下,混凝土细观裂纹均在强度相对薄弱的初始缺陷处开始萌生,随着应力的增加,裂纹绕着骨料并随强度较弱的界面扩展贯通,界面的强弱在很大程度上决定了混凝土的强度;在单轴压应力状态下,混凝土试样中裂纹较多且大多呈剪切裂纹,而在单轴拉应力状态下初始试样的起裂点较多,有多条裂纹同时发展,但随着应力水平的提高,试样中最终只产生1条与加载方向近乎垂直的主裂纹;无论是在单轴压缩还是单轴拉伸应力状态下,由于加载速度较慢,试样中裂纹扩展均不穿越骨料。     

再生混凝土准静态压缩力学性能试验

将废弃混凝土经破碎、清洗、筛分、分级,按一定比例相互配合后制成再生混凝土粗骨料,用其部分或全部代替天然粗骨料配制的新混凝土称为再生混凝土。通过制作5组再生粗骨料不同取代率(0,25%,50%,75%,100%)的标准立方体和非标准圆柱体再生混凝土试样,开展一系列的准静态单轴压缩力学性能试验,分析再生混凝土抗压强度、应力应变曲线、峰值应变以及杨氏模量等与再生粗骨料取代率之间的关系。试验发现再生粗骨料取代率与抗压强度、峰值应变和杨氏模量之间呈非线性变化规律,再生混凝土的应力应变曲线与普通混凝土类似。试验结果可为再生混凝土的工程应用提供参考。     

角砾岩常规三轴压缩试验研究及模拟

为了研究角砾岩压缩破坏机制,采用先进的岩石全自动三轴压缩伺服仪对角砾岩进行多种围压的常规三轴压缩试验,岩石经历压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹非稳定扩展阶段、峰后破坏阶段这5个阶段.随着围压增大,峰值强度和残余强度增大,且残余强度比峰值强度增大的快,应力峰值对应的峰值应变与围压呈现出正线性关系.角砾岩试样破坏为剪切滑移破坏,且基本上呈对角破坏,存在主要贯通裂纹,在主贯通裂纹周围存在多条细小裂纹.从细观角度,建立细观损伤本构模型.运用该模型对角砾岩常规三轴压缩实验进行数值模拟,模拟结果表明,模拟值和实验值具有较好的一致性,从而验证了细观损伤模型对角砾岩模拟的适用性.     

混凝土受压性能的非均质细观数值模拟

将混凝土看作是由骨料、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非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损伤本构关系或弹塑性本构关系,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,获得了相应的混凝土单轴受压宏观应力-应变曲线,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;非均质模型计算所得的宏观应力-应变曲线上升段与试验结果吻合相对较好,弹塑性本构模型计算所得的曲线下降段比弹脆性模型更接近于试验曲线.     

模型再生混凝土单轴受压静力与疲劳性能数值仿真

为了探讨再生混凝土中各相力学性能对其宏观力学性能的影响、寻找改善再生混凝土静力与疲劳性能的有效途径,基于ABAQUS软件建立了九骨料模型再生混凝土的有限元模型,并对各相材料赋予不同的损伤本构.分别采用显式准静态分析步和直接循环分析步对九骨料模型再生混凝土的单轴受压静力和低周疲劳加载进行数值模拟,并将静力性能仿真结果与试验结果进行对比.变参数分析结果表明:静力性能仿真结果与试验结果吻合较好;模型再生混凝土在界面过渡区会产生明显的应力集中现象,导致界面区砂浆塑性变形加剧,促使裂纹产生和扩展;随着再生粗骨料取代率的降低,模型再生混凝土的单轴受压强度和峰值应变逐渐增大;随着新砂浆强度的提高,模型再生混凝土的单轴受压强度逐渐增大;模型再生混凝土的疲劳性能较再生混凝土低,且应力-疲劳寿命曲线的趋势与普通混凝土相近.     

高强再生混凝土常规三轴受压本构曲线试验

为了研究高强再生混凝土单轴及常规三轴应力状态下的受压应力-应变全曲线特征,通过RMT - 201完成43个Φ50 mm× 100 mm圆柱体试验,分析了不同围压、不同再生粗骨料取代率对高强再生混凝土强度、峰值应变以及全曲线的影响,提出了高强再生混凝土应力-应变曲线本构方程.试验结果表明:高强再生混凝土试件破坏形态与普通...     

基于改进随机骨料模型的混凝土细观断裂模拟

为了更好地研究混凝土的力学性能和破坏机理,该文在已有细观力学模型的基础上,发展了高效的骨料投放方法及单元筛分准则.基于连续介质力学的方法,采用弹性损伤本构关系描述混凝土细观各相材料力学行为,建立了随机骨料数值模型及相应的细观单元参数选取方法.以多组不同骨料分布的Petersson三点弯曲梁为例,分析和探讨了混凝土的破坏机理.结果表明,该数值模型能较好地模拟混凝土I型断裂拉伸破坏全过程,与试验结果表现出良好的一致性.