定侧压下大坝原级配混凝土强度和变形试验研究

利用大连理工大学自行研制改造的液压伺服静动态三轴试验系统进行了不同骨料级配和尺寸的混凝土试件定侧压下的双轴压强度和变形性能试验.试验所用试件有3种:采用大坝原级配最大骨料粒径为80mm的立方体试件以及相应的湿筛混凝土试件,尺寸分别为250mm×250mm×250mm、150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm.试验过程中,测得了所有试件两个加载方向的应力和应变,并根据试验结果,系统地探讨了不同级配混凝土在定侧压下的极限强度和变形、应力-应变曲线以及破坏形态的变化规律,发现大骨料混凝土在定侧压下的极限强度和变形能力要比相应的湿筛小骨料混凝土提高更多;最后分别在主应力空间、主应变空间和八面体应力空间建立了不同级配混凝土的破坏准则,为水工大体积混凝土按多轴强度理论进行设计提供了试验依据.     

大骨料混凝土在不连续点处应力和变形研究

通过试验研究大骨料三级配混凝土与其湿筛二级配混凝土在双轴受力状态下的特性,比较了二者于双轴拉压受力情况下在不连续点处的强度和变形特性,并给出了破坏准则.三级配混凝土的最大骨料尺寸为80 mm,试件最小横向尺寸为250 mm;湿筛混凝土的最大骨料尺寸为40 mm,试件最小横向尺寸为150 mm.描述了试件设计、材料配比、加载设备、减摩措施.通过对试验结果的分析看出,不论混凝土试件的骨料和尺寸大小如何,其不连续点处的两轴应力包络线都是相似的,并都可近似于一直线.混凝土在不连续点处的拉应变值与其平均应力具有较高的相关性.     

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.     

三级配混凝土及湿筛混凝土单轴动态拉伸性能试验研究

考虑大骨料特性的混凝土动态拉伸性能研究是混凝土坝抗震特性研究的一个突出问题.进行了大坝迎水面常用的三级配混凝土及湿筛混凝土在10-5、10-4、10-3、10-2 s-1四种应变速率下的单轴动态直接拉伸强度试验.试验采用尺寸为250mm×250mm×400mm和150mm×150mm×300mm的棱柱体试件.试验测得不同应变速率下试件的单轴动态拉伸应力和应变.基于试验数据探讨了三级配混凝土及湿筛混凝土的破坏形态、单轴抗拉强度、峰值应力点的应变随应变速率的变化规律.此外,还建立了三级配混凝土与相应湿筛二级配混凝土的动态强度关系.试验结果可为混凝土大坝、海洋平台等的抗震设计提供理论依据.     

含砖粒再生混凝土悬臂梁阻尼性能试验与分析

采用悬臂梁自由振动衰减法研究含砖粒再生粗骨料取代率、水胶比、粉煤灰掺量和试件尺寸对含砖粒再生混凝土弹性阶段阻尼性能的影响规律.结果表明:含砖粒再生混凝土阻尼比随含砖粒再生粗骨料取代率的增加而增加,当含砖粒再生粗骨料取代率为100％时,阻尼比随水胶比和粉煤灰掺量的增加而增加;含砖粒再生混凝土较普通混凝土对振动加速度响应衰减更为敏感;试件尺寸对含砖粒再生混凝土阻尼比的影响较小.建立了含砖粒再生混凝土阻尼比与抗压强度的关系计算式.随着取代率的增加,试件超声波波速逐渐降低,且超声波波速与阻尼比相关性较好.最后,给出了考虑含砖粒再生粗骨料取代率的再生混凝土阻尼比与超声波波速的回归方程.     

超声波波速与透水混凝土性能关系的试验研究

通过正交试验对透水混凝土进行配合比设计，测试了透水混凝土的孔隙率、干密度、渗透系数、抗压强度、抗折强度与抗冻等级，通过极差分析对试验结果进行分析，得出骨料粒径、水胶比和孔隙率对各项基本性能的影响规律。运用超声波检测技术对透水混凝土试件的超声波波速进行了测定，研究了超声波波速与各项基本性能之间的关系。在冻融试验中研究了超声波波速随冻融循环次数增加的变化规律，并构建它们的量化模型。结果表明,超声波波速与透水混凝土各项性能指标的相关性良好。本文为使用超声波波速评价透水混凝土各项基本性能及冻融损伤程度提供了理论依据。     

基于声发射参数的混凝土循环加卸载动态损伤破坏特性研究

对5种不同几何尺寸与不同配合比的混凝土试件进行了不同加载速率下的单轴压缩试验,同步进行了声发射(AE)数据的采集;在对比分析AE参数与应力应变关系的基础上,进行了不同加载速率下的混凝土损伤机理与破坏机制研究;通过分析不同加载速率下的应力应变全曲线,研究了循环加卸载中的损伤破坏特性的速率效应;构建了基于AE参数的损伤变量模型,并基于该模型进行了动态损伤特性分析.结果表明:混凝土的峰值应力与弹性模量随加载速率的提高而增大,表现出明显的规律性;但峰值应变随加载速率的变化而表现出较大的离散性.峰值应力前的AE能量随加载速率的提高而增加;加载速率越大,上升幅度越大,峰前释放的能量越大,混凝土内部破坏越严重,残余能量不足以维持试件继续承受更多的循环加卸载而直接进入破坏阶段;峰后可完成的循环加卸载次数随着加载速率的提高而减少.在不同加载速率下材料损伤破坏的路径不同,但损伤起点与破坏终点是重合的;随加载速度提高,损伤破坏的路径变短,加载速率差异越大,损伤破坏路径差异越大;混凝土在不同应力阶段的损伤程度及破坏形态与加载速率有较强的相关性.加载速率的提高改变了混凝土的能量释放过程与方式,形成了不同的损伤破坏机制,在不同加载速率下的损伤破坏机理存在较大差异.     

骨料形状对混凝土拉伸强度的影响

运用Monte-Carlo方法模拟产生了由骨料、水泥砂浆基体和两者之间的胶结带组成的三相复合材料混凝土试件,采用各向同性的Mazars损伤演化模型描述混凝土细观各相弹性损伤退化过程,利用有限元方法分别进行了混凝土二、三、四级配圆形、多边形骨料试件的单轴拉伸数值模拟.试验结果表明:同一级配任意多边形骨料试件的极限承载力总体上要大于圆形骨料试件的承载能力;二、三、四级配混凝土试件强度依次递减;在应力-应变曲线的软化阶段,圆形骨料较多边形骨料试件软化曲线平缓;多边形骨料混凝土试件的脆性指数较圆形骨料混凝土试件的脆性指数高.     

混凝土轴心受拉试件细观数值模拟

为在细观层次研究混凝土轴心受拉状态下的损伤破坏机理,基于ANSYS参数化设计语言,建立了能够表征混凝土骨料随机分布和细观相材料力学参数非均匀性的混凝土轴心受拉试件细观数值模型.通过数值模拟,得到了混凝土内部微裂缝产生、发展直至试件断裂的演化过程和应力—应变曲线.结果表明,对于混凝土轴心受拉试件,虽然受到均匀拉应力的作用,但是由于骨料分布的随机性和细观相材料力学性质的差异,试件内应力和应变分布并不均匀,裂缝扩展存在弥散、集中、局部化阶段.骨料的存在既是导致裂缝产生的根源之一,又可在一定程度上阻碍裂缝的发展.本文的数值方法可以克服物理试验加载时难以对中的局限,弥补宏观层次采用均匀化方法研究的不足,有利于揭示混凝土轴心受拉损伤的破坏机理.     

饱和大骨料混凝土动态双轴受压力学性能试验研究

分别通过试验研究了饱和与干燥大骨料混凝土试件在动态双轴受压状态下的强度特征.试验采用大型混凝土静、动态三轴液压伺服试验系统,设定了4个数量级的应变率(10-5、10-4、10-3、10-2 s-1)和5种应力比(0∶1、0.25∶1、0.50∶1、0.75∶1、1∶1).根据试验结果,分析了孔隙水对大骨料混凝土动态双轴极限抗压强度的影响,并提出了饱和大骨料混凝土动态受压破坏准则.研究表明,饱和大骨料试件在动态条件下的强度与干燥混凝土试件相比提高明显,而在准静态条件下有所降低.在相同应变率下,与单轴相比,双轴极限抗压强度在应力比为0.50∶1时最大.     

混凝土非均匀性对超声波衰减作用的模拟分析

为深入了解超声波在混凝土中的衰减特征和混凝土随机非均匀性的对应关系,首先,基于数字图像处理技术以混凝土骨料的含量、粒径为变量,建立了混凝土的数字模型;其次,引入Kelvin-Voigt本构关系表征超声波传播过程中的粘弹性;再次,应用谱比法分别测量了骨料和水泥砂浆的品质因子参量,并将其引入超声波控制方程;最后,在此基础上采用交错网格有限差分方法模拟了超声波在混凝土中的传播,并从能量和频率角度分析了骨料粒径、骨料含量、水泥砂浆波速和品质因子等随机参数对混凝土中超声波传播的影响。研究结果表明：超声波散射衰减对混凝土随机性最为敏感,是造成超声波能量衰减的主要衰减模式;粘弹性虽然会进一步造成能量的衰减,但是相比于散射其影响可以忽略;对混凝土进行超声波无损检测的建议入射频率为50-100 kHz。研究为建立混凝土性能特征和超声波传播参数之间的映射关系提供了有益参考。     

三向等压荷载历史后混凝土超声波探伤方法研究

采用两组混凝土立方体试件,对其施加三向等压荷载历史作用,分别测量载前和载后的抗压强度、劈拉强度和超声波速.首先研究了经历过三向等压荷载历史后超声波速的劣化以及混凝土强度与声速的关系.然后,用抗压强度和抗拉强度的劣化来定义混凝土的损伤,研究了损伤与超声波速降低的关系.根据试验数据拟合得到损伤的演化方程,从中可以看出损伤与超声波速的降低之间具有较好的线性相关性,且有明显的超声波速降低临界值.研究表明,根据超声探伤方法测得的声速,结合混凝土经历的荷载历史和配比等因素,可以为工程提供较为可靠的损伤估计值,对实际工程的指导意义重大.     

基于超声检测的废弃纤维再生混凝土弹性模量试验研究

为研究长期持荷损伤后再生骨料取代率和废弃纤维掺入对再生混凝土弹性模量的影响规律,制备了再生骨料取代率为0、50%、100%,废弃纤维体积掺入量为0.08%的废弃纤维再生混凝土试件,进行了混凝土标准弹性模量试验和超声波无损检测试验。研究表明,弹性模量与超声波速呈线性正相关,在宏观尺度上表现为抵抗弹性变形的能力减小,在细观尺度上表现为混凝土和再生混凝土中界面强度降低。纤维的桥接作用可以阻断微裂缝的开展抑制废弃纤维再生混凝土内部损伤的演化,从而提高了再生混凝土的弹性模量。超声波速随着应力水平和时间的增加而减小。采用中、美、欧规范计算废弃纤维再生混凝土弹性模量,中国规范和欧洲规范与超声检测值相差0.9%~8.4%和0.3%~12%,超声波无损检测法可进行长期损伤后的再生混凝土和废弃纤维再生混凝土弹性模量的定量分析。     

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.     

混凝土硫酸盐腐蚀损伤的声波与声发射变化特征及机理

试验模拟干湿循环作用下混凝土受10%(质量分数)硫酸钠溶液侵蚀的腐蚀环境,测试和分析硫酸盐不同侵蚀时期混凝土单轴压缩试验时波速和声发射的变化特征。采用环境扫描电镜和能谱仪进行微观观测并结合X射线衍射测试手段分析受蚀混凝土的损伤机理。结果表明：受侵蚀60 d和80 d的试件加载初期会有较明显的压密阶段,试件受硫酸盐侵蚀和干湿循环作用愈久,加载中波速急剧下降的突变点愈提前;受蚀40 d以上的试件加载中声发射事件活跃区间较集中,在腐蚀产生的缺陷和薄弱位置容易出现应力集中和能量集中释放,声发射事件数量急剧上升的突变点提前。通过数学模型以声发射累积振铃计数为损伤变量建立损伤模型可以表征混凝土中环境腐蚀、荷载及损伤之间的作用关系。腐蚀阶段钙矾石与石膏的膨胀作用和硫酸钠的结晶压在试件内部形成微破损,受蚀混凝土表现出不同宏观性能。     

初始损伤对混凝土硫酸盐腐蚀劣化性能的影响

通过试验研究含初始损伤混凝土在硫酸盐腐蚀和干湿循环共同作用下的性能,分析了不同初始损伤程度混凝土随腐蚀时间的增加,其质量、超声波传播速度、强度、单轴压缩应力应变曲线以及声发射活动的变化,运用损伤力学对腐蚀损伤进行定量评价和参数拟合,基于声发射特性建立含初始损伤混凝土的腐蚀受荷损伤模型并进一步分析其损伤演化过程,借助环境扫描电镜与电子能谱技术观测分析受硫酸盐腐蚀作用初始损伤混凝土微结构的变化,揭示其损伤机理.试验结果表明,随着腐蚀时间的增加,不同初始损伤程度混凝土的质量、超声波传播速度和强度均呈先增大后减小,初始损伤程度增加会加速混凝土在腐蚀作用下物理力学性能的劣化,其影响存在阈值,分别以抗压强度、超声波速为损伤变量可以建立混凝土的腐蚀损伤劣化方程,并进一步得出不同损伤表达式间的函数关系;相同腐蚀时间下,初始损伤的增加使声发射活动减弱且产生明显的声发射的时间滞后;初始损伤下,基于声发射特性的混凝土损伤演化过程可分为初期压密阶段、损伤稳定演化阶段和损伤加速发展阶段3个阶段;初始损伤的增加使混凝土内部腐蚀反应更为活跃,微裂纹网络体系比无初始损伤状态下更加发达,呈现龟裂状延伸和扩展,进而改变了混凝土的宏观物理力学性质.