混凝土抗冻理论及应用

1.引言混凝土受冻害损伤可以区分为两种情况:(1)剥落脱皮是由于冻融引起的混凝土表面材料的损伤;(2)内部损伤是表面没有可见效应而在混凝土内部产生的损害,它导致混凝土性质改变(如动弹性模量降低)。至于新拌混凝土受冻害损伤后则会导致混凝土冻胀破坏。防治     

新疆跃进水库护坡面板防护处理方案

水是混凝土结构耐久性降低诸多因素的载体,它通过裂缝或自身密实度不足进入混凝土内部,导致发生碱-集料破坏、侵蚀、膨胀、溶蚀和冻融破坏,从而降低了混凝土的耐久性。因此,隔绝水与混凝土的接触就应当成为防止混凝土耐久性降低的重要设计思路。提高水工混凝土耐久性,特别是重点工程的重点部位的混凝土耐久性,除根据环境特点对砼本身质量,施工工艺进行提高外,采用有效的表面防护技术也是必不可少的手段。新疆农八师跃进水库混凝土护坡面板抗冻害防护处理中,采用了第三代高强型聚氨酯防水粘接涂料的表面防护技术,试验段涂刷检验结果证实效果良好。     

混合侵蚀和冻融循环条件下混凝土力学机制试验研究

混凝土在硫酸盐侵蚀和冻融循环条件下易破坏,引发基础承载力下降。为了研究寒区盐渍土环境下混凝土的劣化机制,进行混凝土在硫酸钠和氯化钠混合溶液中的冻融循环试验,循环次数分别为0、10、20、30、40、50次;其次测量了冻融循环后混凝土的抗压强度,并结合X射线衍射试验,分析了侵蚀后混凝土内部物质的变化对力学性能的影响;最后通过冻融前后的弹性模量及质量变化,计算了损伤变量和质量损失率变化,研究了冻融循环下的混凝土损伤规律。研究结果表明:随着冻融次数的增加,混凝土力学性能大幅度弱化,内部损伤越严重,表面剥落越严重;弹性模量、抗压强度均大幅度降低,质量损失率与损伤变量均增大。混凝土内部发生了物理反应(芒硝的生成)和化学反应(石膏和钙矾石的生成),共同造成了混凝土内部结构破坏。     

受火(高温)后混凝土的随机损伤本构关系

结合受火(高温)后混凝土的损伤形态和破坏特征,研究了基于损伤随机演化下受火(高温)后混凝土受拉和受压损伤发展的随机演化规律.引入弹簧损伤单元模型,考虑混凝土初始损伤、受火损伤及裂缝闭合下损伤愈合等因子,利用Weibull分布函数进行推演,建立了受火后混凝土单轴抗拉、单轴抗压的随机损伤本构关系模型.通过计算结果与试验数据的对比验证,从理论结果而非试验数据的拟合上解释了受火(影响)后混凝土应力-应变的四大特点,证实了运用随机损伤本构关系反映受火后混凝土破坏机理的可行性.     

受冻融混凝土表面处理后的暴露试验研究

采用硅烷凝胶对受冻融混凝土进行表面处理,通过室外暴露试验研究受冻融混凝土表面处理后的的抗氯离子侵蚀和抗碳化性能,并对防护机理进行分析。结果表明:表面处理能明显提高受冻融混凝土抗氯离子侵蚀能力,其效果与混凝土冻融损伤程度、渗透型涂料用量有关;由于受到混凝土冻融损伤程度和环境气候的影响,受冻融混凝土的抗碳化性能有所差异。基于试验结果,引入渗透型涂料影响系数δs与冻融损伤因子ω对碳化模型进行了修正。     

经受疲劳荷载与冻融循环作用后混凝土动态性能研究

采用微宏观结合的方法来研究疲劳荷载与冻融循环作用下混凝土动态性能的劣化规律和损伤机理,对混凝土试件先分别进行冻融循环、疲劳加载和先疲劳加载后冻融循环等3种损伤试验,再进行不同应变率下的单轴动态抗压试验.研究不同应变率下试件的表观损伤、质量损失、相对动弹性模量和抗压强度的劣化,并结合扫描电子显微镜(SEM)对损伤后的微观形貌进行机理分析.研究表明:仅受冻融作用和先疲劳后冻融作用时,随冻融次数的增加,试件的质量均呈先增后降的趋势,相对动弹性模量均呈逐渐降低趋势. SEM微观试验结果表明先疲劳后冻融作用下,冻融循环使得混凝土内部裂缝数量和宽度均有明显增加,导致混凝土抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低.先受疲劳荷载再受冻融循环作用的混凝土,在冻融次数和疲劳次数相同时,抗压强度随应变率的增加逐渐增大.相比混凝土仅受冻融循环作用,疲劳荷载历史对混凝土的抗冻性有显著劣化作用.受疲劳荷载和冻融循环作用后的混凝土具有明显的应变率效应,而且混凝土损伤越严重,其强度对应变率越敏感.     

掺CWCPM混凝土的冻融损伤机理及演化模型

建筑垃圾的大量堆积和冻融破坏作用导致的混凝土耐久性衰减是目前土木建筑工程领域面临的两大严峻挑战。为提高建筑垃圾再生利用率,并从本质上揭示掺建筑垃圾(废砖粉)复合粉体材料(CWCPM)混凝土的冻融损伤演化机理,采用室内加速试验和理论分析相结合的研究方法,分析不同因素对混凝土宏观抗冻性能劣化规律的影响,并采用多因素分析方法建立掺CWCPM混凝土的冻融损伤演化模型。借助微细观测试手段,分析冻融过程中掺CWCPM混凝土微观形貌及孔结构的损伤演化规律,揭示混凝土冻融损伤演化机理。结果表明:随水灰比、冻融循环次数的增加和盐溶液的加入,混凝土冻融损伤破坏程度增加;CWCPM的掺入提高了混凝土的抗冻性能,与基准试件相比,50次冻融循环后,掺30%CWCPM混凝土的单位面积剥蚀量降低27.1%,抗压强度提高6.2%;基于宏观试验结果建立的冻融损伤演化模型可较好地预测混凝土抗冻性能。由混凝土微细观试验结果可知,掺CWCPM混凝土的冻融损伤的实质是其内部微观结构逐渐松散、孔结构逐渐劣化的物理变化过程,是试件内部裂纹、孔隙等缺陷产生、扩展直至破坏的损伤积累过程。     

浅谈混凝土的施工温度与裂缝

混凝土的裂缝较为普遍,尽管在施工中采取各种措施,但裂缝仍然时有出现。因此本文就对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施进行探讨。1．裂缝的成因混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性、以及结构不合理、原材料不合格(如碱骨料反应)、模板变形、基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料,抗拉强度是抗压强度的1／10左右,短期加荷时的极限拉伸变形只有(0．6-1．0)×10- 4,长期加荷时的极限位伸变形也只有(1．2-2．0)×10-4,由于原材料不     

基于塑性损伤理论的钢筋混凝土锈胀裂纹模拟

基于混凝土的塑性损伤理论建立了钢筋混凝土保护层锈胀开裂的有限元模型.通过位移加载来模拟钢筋的锈胀作用,以最大应变作为混凝土损伤的判据,通过衰减混凝土弹性模量来实现混凝土损伤,研究了钢筋锈蚀引起的混凝土保护层内裂纹发生和扩展的轨迹.为了直观表示开裂轨迹,通过ABAQUS子程序USDFLD定义拉伸状态下的场变量f1,给出了内部裂纹、表面裂纹产生时对应的临界锈蚀率,探讨了钢筋直径、锈胀系数、保护层厚度对临界锈蚀率的影响.结果表明:侧向裂纹从混凝土内部钢筋表面开始扩展,竖向裂纹从混凝土保护层的外表面开始向内部扩展,且出现较晚;临界锈蚀率随着钢筋直径、锈胀系数的增大而减小,特别是锈胀系数的影响更显著,而...     

混凝土随机损伤本构关系--单轴受压分析

在混凝土受拉随机损伤本构关系研究基础上 ,进一步研究了混凝土单轴受压随机损伤本构关系 .通过考虑混凝土内部各组项的影响 ,建立了混凝土单轴受压损伤机理模型 .通过引入混凝土细观单元受拉破坏应变分布随机场 ,根据混凝土破坏过程的能量守恒原理 ,导出了混凝土受压破坏的随机损伤本构方程 .将导出的理论结果与试验研究进行了对比 ,效果良好 .     

浅谈混凝土的施工温度与裂缝原因

<正>1裂缝的原因混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受基础或老混凝土约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧     

引气混凝土在冻融循环过程中的氯离子渗透与孔结构

C30和C50引气混凝土在3.5%NaCl溶液中自然浸泡或快速冻融循环,测试盐冻过程中混凝土表面和内部的超声声时,混凝土中的氯离子浓度分布及孔结构演变。研究结果表明:超声声时较好反映了混凝土在盐冻过程中的损伤演化,其表面和内部超声声时均先下降,后保持稳定,当混凝土剥落严重时迅速上升;冻融循环过程中的低温环境降低了混凝土表面氯离子浓度和氯离子扩散速度,但冻融损伤程度的增加将导致混凝土中氯离子扩散速度的提高;盐冻循环50,150和400次时,C50混凝土中孔径大于100 nm毛细孔数量由31.85%提高到42.70%和56.60%,孔径大于0.1 mm的微裂纹数量由12.80%降低为8.37%,并最终提高到25.29%。此外,混凝土经过150次冻融循环,相比于C30混凝土,C50混凝土中孔径大于100 nm的毛细孔数量降低20.10%,微裂纹数量降低43.44%。     

强冲击荷载作用下混凝土材料动态力学特性及本构模型

基于连续损伤力学理论、统计细观理论和Perzyna黏塑性本构方程, 构造了一个塑性与损伤相耦合的本构模型来描述混凝土材料在强冲击载荷作用下的应力-应变响应特性. 在该模型中假设: 1) 宏观上混凝土材料是一个均匀连续体, 而从细观分析其内部则包含了大量随机分布的微裂纹和微空洞等损伤缺陷; 2) 混凝土材料的损伤演化是由其内部拉伸应力作用下微裂纹扩展的累积而引起的, 导致了材料强度和刚度的弱化; 3) 随着微空洞的塌陷, 混凝土材料内部产生了不可恢复的塑性变形, 体积模量也相应增加, 将这一过程看作是微空洞损伤的演化发展; 4) 微裂纹和微空洞损伤之间不发生相互作用; 5) 当裂纹扩展累积到一定程度时, 混凝土材料发生粉碎性破坏. 利用实验结果确定模型所需参数, 并将利用该模型得到的模拟曲线与实验测试曲线进行比较, 结果表明两者较一致.     

再生集料沥青混凝土界面损伤行为特征

水泥混凝土再生集料是建筑垃圾经分选、破碎、筛分工艺处理后的天然集料替代物,包含了水泥砂浆、原生集料、水泥砂浆与原生集料复合体。沥青混凝土内部界面损伤是沥青路面开裂的主要诱因,探究再生集料对沥青混凝土内部界面损伤的影响,有利于水泥混凝土再生集料在路面工程的推广。本文研究首先采用再生集料制备再生集料沥青混凝土(recycled aggregate asphalt concrete, RAAM),将RAAM中内部界面分为水泥砂浆-沥青砂浆界面(cement mortar-asphalt mastic interface, CMI)和天然集料-沥青砂浆界面(natural aggregate-asphalt mastic interface, NAI),通过电镜扫描试验和X线计算机体层成像(X-ray computed tomography, X-ray CT)试验获取了沥青混凝土内部界面的微细观特征,并采用半圆弯曲试验和有限元模型分析了RAAM的界面力学特征。试验结果表明,再生集料中的附着水泥砂浆具有多孔结构,增加再生集料用量会加剧沥青混凝土高温压缩过程中的内部界面损伤,水泥砂浆内部、水泥砂...     

腐蚀混凝土单轴受压力学性能研究

对分别受酸、无机盐、有机物和微生物等腐蚀作用的混凝土试块进行了单轴受压试验,采用等应变率加载得到了混凝土的应力-应变全曲线.试验结果表明:受腐蚀混凝土由于腐蚀介质的物理化学作用,内部存在较一般混凝土更多、分布更不均匀的初始缺陷,导致弹性模量、峰值应力和残余变形能力降低,降低程度受腐蚀程度影响.腐蚀越严重的混凝土,加载过程中剥落现象越严重,且主裂缝发展迅速,发育显著,而其他裂缝发展不明显.引入初始损伤因子表示腐蚀作用,应用损伤力学理论和概率统计方法建立了腐蚀混凝土单轴受压本构关系模型,所建模型与试验结果基本一致.     

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。     

损伤混凝土毛细吸水性能试验研究和水分分布预测分析

混凝土内部微裂缝的产生或贯通,加快了水及侵蚀性介质侵入混凝土内部的速度,是引起混凝土性能劣化和结构耐久性不足的重要原因.开展了混凝土试件的轴心受拉、受压试验,采用持载、反复加载方式,对混凝土试块分别加载至极限荷载的70%、80%、90%后卸载.为了实现吸水过程的连续性,利用改进后的吸水装置开展损伤混凝土的累积吸水量测试试验.与未加载试件的吸水结果对比分析表明,荷载水平是影响混凝土毛细吸水速率的重要因素.对不同荷载水平的累积吸水曲线i-t1/2,采用线性拟合方法可得到混凝土的初始吸水率(S1)和后期吸水率(S2).根据吸水率试验结果,结合非饱和毛细吸水理论模型,引入Bolzmann变量,建立了损伤混凝土内相对含水量分布的预测分析方法,为开展混凝土内有害介质(如氯离子或者硫酸根离子等)的传输分析提供了工具.     

硫酸盐侵蚀下混凝土的非经典非线性效应变化

混凝土由于受硫酸盐侵蚀和干湿循环作用,内部出现微损伤,性能发生劣化.目前国内外针对结构混凝土硫酸盐侵蚀和干湿循环作用对结构混凝土的损伤失效的研究都集中在力学性能方面,关于损伤和劣化规律特别是无损检测的实验研究较少.混凝土无损检测技术一般采用线性超声方法,用非线性声学方法检测混凝土损伤和劣化规律的研究才刚刚起步.岩石、混...     

基于管冷系统的大体积混凝土水化热时变温度效应

为研究大体积混凝土水化反应过程中的时变温度效应,以黄土地区亚洲第二高墩天宁沟特大桥为研究对象,建立主墩承台有限元模型,分析大体积混凝土承台水化热时变温度效应;通过数值模拟优化现场管冷系统,并布置温度传感器实测大体积混凝土承台内表时变温度场,验证所建立模型的准确性;在此基础上,分析混凝土入模温度、导热系数和表面对流系数对大体积混凝土承台内部绝热温升、表面温升和内表温差的影响。研究结果表明:有限元计算所得大体积混凝土承台内部绝热温升与实测结果基本吻合,但其出现时间较实测值滞后约60 h;受环境温度和保温措施的影响,大体积混凝土承台表面实测温度波动较大,内表温差也呈波动状态;混凝土入模温度与大体积混凝土承台内表最高温和内表温差线性相关,较低的混凝土入模温度能迅速降低混凝土最大绝热温升,绝热温升越大,混凝土入模温度对其内表最大温升和内表温差的影响越大;大体积混凝土承台最大绝热温升出现时间与混凝土导热系数对数相关,混凝土导热系数越大,其最大绝热温升越大;绝热温升受混凝土表面对流系数的影响较小,但混凝土结构进入降温阶段后,其表面对流系数越大,内部温度降低速率越快;混凝土表面温升受其表面对流系数的影响较大,混凝土表面对流系数越小,其表面最大温升越大,结构进入降温阶段后,混凝土表面温度降低速率越快。     

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.