孔隙对混凝土宏观力学性质的影响

目的研究混凝土孔隙结构参数对混凝土弹性模量、单轴强度等宏观力学性能及破坏规律的影响,建立混凝土细观结构参数和宏观力学特性之间的联系,为以后改善混凝土的力学性质打下基础.方法将混凝土看成由骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料,并在水泥砂浆中引入不同孔径、孔隙率的孔隙,通过数值试验研究孔径、孔隙率对混凝土强度和弹性模量的影响规律.结果混凝土弹性模量在同一孔径下随着孔隙率的增长呈线性下降,在同一孔隙率下随着孔径增大呈对数下降;抗拉抗压强度在同一孔径(孔隙率)下随着孔隙率(孔径)的增长呈对数下降;初始孔隙率越大,材料达到峰值应力时新破坏的面积越小;多孔径作用下的宏观力学性质是单一孔径力学性质的积分.结论混凝土中孔径分布和孔隙率对其弹性模量和强度均有较大影响.孔隙率相同时,多种孔径作用下的混凝土宏观力学性质是单一孔径作用下的宏观力学性质的加权平均值.     

基于率相关内聚力本构模型的混凝土细观单轴受拉性能

混凝土宏观率相关效应研究已经取得了十分丰富的成果,其细观结构和材料参数显著影响混凝土宏观力学性能,因此,从细观尺度研究混凝土动态性能是揭示混凝土宏观率相关效应的重要途径.本文引入应变率影响,修正界面内聚力本构模型,从细观尺度研究了不同骨料含量和骨料形状的混凝土在不同加载速率下的单轴抗拉破坏模式和力学特性.分析结果表明：随着加载速率增加,混凝土破坏裂缝分布更加均匀;混凝土抗拉强度的增量与应变率的对数呈线性关系;混凝土抗拉强度随骨料含量增加近似线性减小,但骨料形状对其影响很小.     

再生混凝土受压细观损伤尺寸效应分析

在细观层次上建立由天然骨料、旧界面、旧水泥砂浆、新界面和新水泥砂浆组成的再生混凝土五相随机骨料模型.对建立的模型进行单轴压缩和损伤断裂的细观数值模拟,研究尺寸效应对细观损伤和力学性能的影响.结果表明:随着试件尺寸从75 mm×75 mm增加到100 mm×100 mm和150 mm×150 mm,试件抗压强度分别下降了4.5%和8.3%;在所有试件中,初始损伤和拉剪应力都先集中出现在内界面区,但随着尺寸的增大,试件最终的损伤值也随之降低.     

混凝土等效弹性模量细观影响因素

目的研究混凝土等效弹性模量细观影响因素及细观损伤特性.方法将混凝土简化为两级二相复合材料的叠加,基于Eshelby和Mori-Tanaka方法,在砂浆和界面过渡区(interfacial transition zone,ITZ)引入微孔洞,建立混凝土等效弹性模量和三组相体积分数、弹性模量之间的关系,用混凝土等效弹性模量的退化来表征混凝土的损伤,推导混凝土初始损伤与孔隙率之间的关系.结果混凝土等效弹性模量随着界面过渡区厚度的增加而降低,随着孔隙率特别是界面过渡区孔隙率的增加而降低,针片状粗骨料颗粒使得混凝土等效弹性模量分布不均匀;混凝土损伤变量与砂浆内孔隙率呈线性关系,与界面过渡区内孔隙率呈指数关系.结论界面过渡区厚度、粗骨料形状和孔隙率对混凝土等效弹性模量有明显影响,微缺陷会降低混凝土弹性模量,尤其是界面过渡区上的微孔洞对混凝土损伤的影响较为显著.     

具有初始损伤的混凝土动态轴拉力学性能仿真研究

基于瓦拉文公式与蒙特卡罗方法并采用Matlab语言构建了随机骨料数值模型,在损伤断裂理论基础上通过Python编程语言于砂浆界面、骨料与砂浆界面和骨料界面嵌入黏聚力单元,建立了二级配混凝土黏聚力模型用于描述混凝土中裂纹萌生、扩展、演化和贯通全过程.以建立的细观模型为基础,对不同孔隙率以及不同微裂纹密度混凝土试件进行了不同应变速率下的动态拉伸加载,研究了混凝土动态轴拉力学性能.结果表明：混凝土轴拉峰值应力与孔隙率呈明显非线性关系,下降曲线为对数函数趋势,孔隙率增加后其对混凝土轴拉峰值应力削弱程度降低,具有初始孔隙的混凝土动态抗拉强度随应变速率的增加而提高.具有初始微裂纹混凝土随着微裂纹密度的增加其峰值应力下降,且动态轴拉强度同样具有速率效应.     

基于细观力学的混凝土有效弹性性能预测

假定混凝土材料为由骨料和砂浆组成的二相复合材料,建立了混凝土随机骨料模型;按骨料与砂浆基体的弹性性能比值生成骨料较硬和较软两类试件进行有限元数值试验,系统研究了混凝土有效弹性性能预测中多种细观力学方法的优劣及各细观力学方法的适用范围.将细观力学方法预测结果与有限元数值试验得到的结果进行比较,并对这些细观力学方法预测精度及其变化规律进行了讨论.数值试验结果表明,当骨料体积和骨料与砂浆弹性模量比较大时,细观力学方法预测的结果误差较大,需要研究新的方法预测混凝土的有效弹性性能.     

模型再生混凝土单轴受压应力分布特征

根据再生混凝土各相材料的力学特性,对模型再生混凝土进行细观数值分析,获取模型再生混凝土单轴受压下内部应力分布特征.通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和老硬化砂浆的力学参数对模型再生混凝土应力分布特征的影响.结果表明,模型再生混凝土天然骨料之间的新老界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象;天然骨料弹性模量增大,应力集中现象愈加明显,界面过渡区弹性模量增大,应力集中现象则逐渐减弱,老砂浆弹性模量增大应力集中特征变化不大.     

混凝土细观损伤破坏过程的数值模拟

在细观层次上,把混凝土看作是由水泥砂浆、骨料及二者之间的界面组成的复合材料,应用渐变网格剖分方法对随机投放的骨料、界面和水泥砂浆进行网格剖分,删除多余节点,重新排列节点顺序,生成三维随机骨料分布的细观有限元数值模型.利用该模型分别进行了混凝土的单轴拉伸、压缩、劈拉和梁弯曲等数值试验,分析了不同界面参数、不同砂浆损伤参数、不同加载形式对混凝土试件的变形特点、破坏形式以及承载能力的影响,探讨了混凝土宏观力学性能(如应变软化和剪胀等性质)的细观机制.     

基于两尺度模型的CRCP冲断区域剥落研究

为研究连续配筋混凝土路面(continuous reinforced concrete pavement,CRCP)冲断区域混凝土剥落机理,细观上采用离散元方法,宏观上采用有限元方法,基于宏观、细观两尺度模型对混凝土剥落展开研究。首先在分析混凝土剥落形成原因的基础上将剥落分为分层剥落和剪切剥落,并建立剥落力学分析模型;然后考虑水泥混凝土细观上由集料、胶凝材料及其界面组成,进行水泥混凝土抗压强度数值模拟试验,通过调试获得不同强度等级下混凝土的细观参数,以所得细观参数为基础,进行混凝土弯拉强度和抗剪强度细观数值模拟试验,得到其弹性模量、弯拉强度和抗剪强度,并将数值模拟试验结果与室内试验结果进行对比,将所得参数用于路面有限元建模和混凝土剥落机理分析;最后考虑冲断区域特点,建立CRCP宏观力学分析有限元模型,对车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下的冲断区域剥落进行研究,并对混凝土细观参数(水泥掺量、水泥强度、界面强度等)和宏观影响因素(脱空、基层模量、路基模量等)的影响进行研究。研究结果表明:细观数值模拟试验结果与室内试验结果拟合良好;车辆荷载、湿度梯度和温度梯度作用下,剪切剥落不易发生,分层剥落较易发生;车辆荷载和外界环境作用下混凝土强度衰减、车辆超载和路基模量偏小是剥落产生的主要原因;路面设计选择材料时,适宜的集料类型及高强的水泥可有效减少剥落。     

混凝土细观数值试验的随机损伤本构模型

混凝土在细观尺度下是由粗骨料、砂浆和界面过渡区(ITZ)组成的三相复合材料。目前考虑细观尺度上这三相之间力学性能的不同,已经进行了大量的细观数值试验研究。然而混凝土为典型的多尺度材料,在细观尺度下混凝土各相自身也是非均质的。鉴于此,提出了细观尺度下代表性体积单元(RVE)的随机损伤本构模型,并编制了相应的有限元程序。利用编制的程序,进行了随机骨料模型单轴拉伸和压缩数值试验;并进行了双骨料试件单轴拉伸数值试验。结果表明,该模型虽然结构简单,但能较好地反映混凝土的主要宏观力学行为和细观损伤的产生和演化发展。最后,通过参数敏感性分析,阐明了不同模型参数对混凝土宏观力学特性的影响。该模型可为混凝土细观数值试验研究提供支撑。     

撒布式混杂钢纤维再生混凝土力学性能

为了研究撒布式混杂钢纤维再生混凝土的力学性能,以混杂钢纤维撒布层数和掺量为参数,对混凝土试块进行抗压、劈拉及弹性模量试验。结果表明:随着混杂钢纤维撒布层数的增加,抗压强度整体变化不大,劈拉强度逐渐呈现上升趋势,弹性模量、拉压比、弹强比随层数变化规律不明显;但弹性模量均较普通再生混凝土降低,拉压比均较普通再生混凝土增大,弹强比有增大也有减小;随着混杂钢纤维掺量的增加,抗压强度先增大后减小,劈拉强度、弹性模量逐渐增大,拉压比、弹强比先减小后增大。撒布混杂钢纤维层后,再生混凝土的破坏由脆性转变为具有一定的塑性。     

碱矿渣混凝土基本力学性能试验研究

以水玻璃和Na OH作为激发剂,矿渣微粉作为胶凝材料,硫铝酸钙氧化钙膨胀剂作为掺合料,制备碱矿渣混凝土基本力学性能试验标准试件,开展其立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、弯拉强度、弹性模量和泊松比基本力学性能试验研究.结果表明:碱矿渣混凝土表现出良好的早强性能,SEM微观分析显示骨料与浆体界面间未见明显过渡区,膨胀剂的掺入可以提高碱矿渣混凝土的早期(1 d、3 d)强度,降低后期(28 d)强度;同强度等级的碱矿渣混凝土的抗拉韧性要优于普通硅酸盐混凝土,弯拉强度、弹性模量和泊松比与普通硅酸盐混凝土相当;膨胀剂的掺入对弯拉强度有较大幅度的降低;已有弹性模量各建议计算式计算结果中与试验值最为接近的为中国规范.     

高石粉含量下C80混凝土力学性能数值模拟研究

为研究石粉含量和纤维掺量对C80混凝土基本力学性能（包括立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弹性模量）的影响,本文结合Digimat和Abaqus建立2D随机骨料模型、3D纤维混凝土细观模型。将不同石粉含量、纤维掺量下混凝土的数值模拟与同等条件下基本力学试验结果进行对比分析：2D随机骨料模型中过高（石粉含量大于5%时称为高石粉含量）的石粉含量会降低混凝土的整体力学性能,石粉含量越低模拟值与试验值越接近,当石粉含量为5%时混凝土的整体力学性能达到最佳。3D纤维混凝土细观模型中不同纤维类型对高石粉含量混凝土的强度有不同影响,与玄武岩纤维相比,铜镀纤维的掺入对高石粉含量下混凝土力学性能的增幅更明显。铜镀纤维体积分数为4%和6%时均能提高混凝土力学性能,当体积分数为6%时,混凝土数值模拟与试验结果误差小于7.1%且力学性能达到最优;玄武岩纤维混凝土的抗压性能随纤维体积率的增加而降低,当纤维体积率为1 kg/m3时数值模拟结果与试验结果误差范围在0.4%-8.7%,但对混凝土整体力学性能的提升较小。     

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.      

高性能聚丙烯纤维对再生混凝土力学性能的影响

通过工作性能、立方体抗压、劈裂抗拉及弹性模量试验,研究了不同骨料取代率下的高性能聚丙烯纤维增强再生骨料混凝土(HPP fibers reinforced recycled aggregate concrete,HFRAC)随高性能聚丙烯(high performance polypropylene,HPP)纤维掺量增加的变化规律,并与波纹型钢纤维增强再生骨料混凝土(steel fibers reinforced recycled aggregate concrete,SFRAC)进行了对比.结果表明:与SFRAC类似,HFRAC的工作性能随HPP纤维掺量的增加逐渐下降,但下降速度随HPP纤维掺量的增加逐渐减缓;HFRAC的立方体抗压强度随HPP纤维掺量增加变化不明显,但弹性模量略有降低;HFRAC的劈裂抗拉强度随着HPP纤维掺量的增加逐步提高,拉压比逐渐增大,且塑性性能优于SFRAC.另外发现,随着再生骨料取代率的增加,HF-RAC与SFRAC的力学性能均有所降低.     

钢纤维混凝土力学性能试验研究

对钢纤维体积率（Vf）为0～3％、基体强度为C50的钢纤维混凝土（SFRC）进行立方抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲强度、弹性模量和泊松比的测试，试验结果表明：SFRC抗压强度随Vf的增加仅仅有着小幅度的增长，正向立方抗压强度略大于侧向立方抗压强度；轴心抗压强度与立方抗压强度之比值在0．75～0．77之间：钢纤维对SFRC的抗拉、抗弯性能起着明显的增强作用，正向、侧向劈裂抗拉强度比值随Vf的增加而增大；SFRC的弹性模量和泊松比均是不敏感的材料参数，前者随材料抗压强度的提高而缓慢增加，后者随Vf的加大而略有减小．     

再生骨料混凝土梁的阻尼性能及其机理分析

混凝土构件的阻尼性能与其混凝土骨料组分的特性密切相关.以不同再生骨料取代天然砂石,采用悬挂梁自由振动衰减法测试再生骨料混凝土梁弹性阶段一阶阻尼比,并探讨其与混凝土强度、弹性模量间的关系;通过氮气吸附法和扫描电镜测试再生骨料混凝土的孔隙结构与界面特征,分析其阻尼机理.结合文献数据的对比分析表明:相比于天然骨料混凝土梁,再生骨料混凝土梁的阻尼比显著增大,阻尼比随混凝土强度、弹性模量的减小而增大,骨料特性尤其是骨料表面改性对混凝土阻尼性能影响显著.再生骨料取代天然砂石,增大了混凝土的总孔体积、平均孔径,增加了薄弱界面过渡区,界面过渡区的滑移摩擦及孔隙的柔性缓冲作用,是再生骨料混凝土梁阻尼增加的主要因素.     

应变率效应对再生混凝土动态力学性能的影响

通过约束再生混凝土单轴受压动态力学试验,研究了应变率效应对约束再生混凝土力学参数的影响.分析不同应变率下再生混凝土动态破坏特征以及受压应力-应变关系全曲线,可以发现:在不同应变率、再生粗骨料取代率或体积配箍率下,再生混凝土单轴应力-应变关系曲线的上升段基本一致,而下降段差异较为明显;随着应变率的提高或再生粗骨料取代率的增加,下降段曲线随之变陡,而随着箍筋配箍率的提高,下降段曲线明显随之趋于平缓.通过试验数据回归分析,提出约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变动态放大系数函数模型;随着应变率的提高,约束再生混凝土受压峰值应力和峰值应变均随之增大;而约束再生混凝土受压峰值应变动态放大系数增加幅值低于受压峰值应力动态放大系数的增加幅值;进一步分析了应变率效应对约束再生混凝土初始弹性模量的影响规律,确定了初始弹性模量和应变率的函数关系,并给出了初始弹性模量动态放大系数函数模型.随着应变率的提高,约束再生混凝土初始弹性模量动态放大系数随之增大,但其增长幅度要比受压峰值应力和峰值应变动态放大系数的增长幅度小.     

基于贝叶斯优化高斯过程回归法的再生混凝土力学性能预测

为了更准确地预测再生骨料混凝土的抗压强度与弹性模量,建立了一个比以往研究大的数据库,具有730组数据,为建立可靠的预测模型奠定了基础。提出了贝叶斯优化的高斯过程回归方法,选取再生粗骨料体积分数、水灰比、混合粗骨料吸水率、细骨料与总骨料比、粗骨料与水泥比、混合粗骨料饱和表面干密度等6个参数作为影响因素,同时建立了再生骨料混凝土抗压强度和弹性模量预测模型。通过比较抗压强度、弹性模量的预测值与实验值,发现二者较为接近,说明该方法具有一定的可靠性。将贝叶斯优化的高斯过程回归与高斯过程回归、支持向量机回归、随机森林回归、人工神经网络进行比较,并选取4个统计指标对模型进行评价,结果表明贝叶斯优化的高斯过程回归预测抗压强度和弹性模量精度较高,相关系数分别达到了0.91和0.93。这说明贝叶斯优化的高斯过程回归方法对预测再生骨料混凝土的抗压强度和弹性模量同时适用。