再生混凝土力学性能的应变率敏感性数值模拟

基于九骨料模型再生混凝土建立了有限元模型,研究了再生混凝土力学性能的应变率敏感性以及细观相材料应变率敏感性对其的影响,并讨论了再生粗骨料取代率和新、老砂浆强度对再生混凝土应变率敏感性的影响.结果表明,该有限元模型能较好地模拟再生混凝土力学性能的应变率敏感性;再生混凝土峰值应力和弹性模量随着应变率的增大近乎线性增大,且弹性模量呈现更加均匀的增长趋势;相比骨料和界面过渡区,砂浆的应变率敏感性对再生混凝土整体应变率敏感性起主导作用;再生粗骨料取代率增大或新、老砂浆强度降低时,再生混凝土的弹性模量应变率敏感性增大,但它们对再生混凝土峰值应力应变率敏感性的影响有所不同.     

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.     

单轴受压下钢纤维再生骨料混凝土本构模型

通过150mm×150mm×300mm钢纤维再生骨料混凝土棱柱体的单轴受压试验,研究了水胶比、再生骨料取代率和钢纤维体积率等参数对钢纤维再生混凝土轴压应力-应变全曲线的影响,揭示了钢纤维再生混凝土的破坏机理和参数变化对钢纤维再生混凝土单轴受压力学性能影响的规律.结果表明,钢纤维改变了再生混凝土的破坏形态,随着钢纤维体积率增大,试件由劈裂破坏转变为剪切破坏,剪切面与荷载垂线的夹角增大,峰值应力和峰值应变均有一定程度的提高.相同钢纤维体积率下,钢纤维再生混凝土峰值应力受再生骨料取代率变化的影响较小;但是,随着再生骨料取代率的增加,钢纤维再生混凝土峰值应变增大,初始弹性模量减小.与普通混凝土类似,随水胶比的减小,钢纤维再生混凝土应力应变曲线下降段的斜率增大.基于对试验数据的综合分析,建立了考虑再生骨料取代率、钢纤维体积率影响的钢纤维再生混凝土轴压本构模型.     

再生混凝土空心砌块砌体受压变形性能试验

为考察再生混凝土空心砌块砌体的受压性能,制作了再生混凝土骨料替代率为75%、抗压强度平均值达到8.60 MPa的再生混凝土小型空心砌块,进行了再生混凝土空心砌块砌体受压变形性能试验,研究该种砌体在竖向荷载作用下的受力全过程和破坏形态,分析了砌体的受压应力-应变曲线和弹性模量.结果表明:该种砌体的受压性能和破坏特征和普通混凝土砌块砌体基本一样;该种砌体的抗压强度和弹性模量随砂浆强度的增大而提高.通过对试验数据的回归分析,再生混凝土空心砌块砌体的弹性模量及轴心抗压强度可采用GB 50003—2010《砌体结构设计规范》中的相关公式进行计算,提出了再生混凝土砌块砌体受压应力-应变关系上升段计算公式,计算与试验结果吻合较好.     

基于随机骨料模型的再生混凝土单轴压缩数值模拟

采用计算机语言MATLAB自编基于塑性损伤本构关系的再生混凝土随机骨料程序,利用大型软件ABAQUS建立再生混凝土双界面细观结构计算模型,对模型的抗压性能、应变峰值、应力分布、损伤状态等关键性能进行了系统的计算分析,研究了不同界面砂浆强度、厚度等因素对再生混凝土关键性能的影响。结果表明:单轴压缩荷载作用下再生混凝土的内外界面区域出现损伤破坏,其原因是该区域存在拉应力集中和剪应力集中;在较弱的界面区最先出现损伤,之后损伤逐渐向砂浆区域扩展;新老砂浆的强度对再生混凝土抗压性能的影响显著;老硬化砂浆在一定程度上弱化了再生混凝土的性能。     

基于随机骨料模型的混凝土塑性损伤耦合力学性能研究

为了探讨混凝土塑性损伤耦合力学性能,基于随机骨料模型和塑性损伤耦合模型,研究了骨料质量分数和加载速率对混凝土宏观力学性能的影响。通过几何模型及本构模型确定其参数,再利用数值模拟软件进行分析得出结论。研究结果表明:随着荷载增大,裂纹走向趋于复杂,局部裂纹扩展逐渐形成贯穿裂纹最终导致混凝土失效。骨料的存在改变了砂浆受力性能,骨料质量分数的增加提高了砂浆的强度,同时,高骨料质量分数也改变了混凝土的破坏模式。随着加载速率的减小,混凝土强度降低。     

轻骨料混凝土单轴力学性能统一计算方法

针对国内对普通轻骨料混凝土和高强轻骨料混凝土的单轴力学性能指标采用分区描述,导致不同计算公式在分区边界处所得的计算结果误差较大,且不便应用于轻骨料混凝土结构计算与分析等问题,通过对国内大量的普通轻骨料混凝土和高强轻骨料混凝土单轴受力性能试验资料进行统一分析,发现轻骨料混凝土强度等级在LC10～LC80时其各力学性能指标均具有连续变化规律。基于统计分析方法,对不同强度等级轻骨料混凝土的各种力学指标进行统一分析,提出适用于各种强度等级轻骨料混凝土的尺寸换算系数、轴心抗压强度、轴心抗拉强度、劈拉强度、弹性模量、轴心受压峰值应变和轴心受拉峰值应变等统一计算公式,建立不同强度等级轻骨料混凝土轴心受压、受拉应力-应变全曲线方程,计算结果与实测结果较吻合。     

再生粗骨料对再生混凝土自生收缩的影响

在测试两种再生粗骨料特性及其再生混凝土基本性能的基础上,系统研究了不同再生粗骨料取代率、不同附着砂浆率的再生粗骨料对再生混凝土自生收缩的影响.结果表明:再生混凝土自生收缩的发展趋势和普通混凝土相似;随着再生粗骨料取代率增加,混凝土自生收缩增大;附着砂浆率大的再生粗骨料对混凝土自生收缩的影响更大;再生粗骨料对混凝土自生收缩的不利影响比对强度的不利影响更大.     

基于3种细观层次再生混凝土骨料模型的对比分析

运用ANSYS有限元软件的参数化设计语言,建立了再生混凝土随机圆形和随机多边形细观骨料模型,应用数字图像处理技术建立了再生混凝土数字图像骨料模型.运用3种模型模拟了再生混凝土的宏观力学响应、单轴受压立方体试块强度和应变变化过程,将模拟结果和实验结果进行对比分析.从模型建立过程和数值模拟结果等,总结对比3种模型,推荐随机多边形骨料模型.结果表明,随机多边形骨料模型符合真实的骨料分布特征,数值模拟结果符合实验结果和力学规律.     

三级配混凝土单轴破坏的细观数值模拟

将混凝土看成是由骨料、界面和砂浆组成的非均质复合材料,采用非线性有限元软件Marc对东江拱坝三级配混凝土试件单轴受拉、单轴受压破坏的全过程进行数值模拟．按照试件的实际配比计算出各种粒径骨料的数目,采用蒙特卡罗法对混凝土骨料进行随机投放,生成试件的随机骨料模型．研究中,单轴受拉时采用最大拉应力准则,并考虑了材料的软化;单轴受压时采用线性莫尔-库伦准则．结果表明,混凝土的力学性能与其内部的细观结构组成密切相关,材料的宏观破坏是细观结构破坏累积的结果,无论是受拉时的开裂还是受压时的屈服,几乎都首先发生在界面上．     

碱矿渣混凝土受压应力-应变关系试验研究

为研究碱矿渣混凝土的受压应力-应变关系,分别制作单轴受压混凝土棱柱体标准试件和钢管约束条件钢管混凝土试件,开展单轴受压条件和钢管约束条件下碱矿渣混凝土受压应力-应变关系试验.结果表明:单轴受压条件下,碱矿渣混凝土立方体强度和棱柱体强度关系仍可采用现行规范建议式表示,采用无量纲两段式应力-应变关系模型拟合的单轴受压应力-应变关系与试验曲线结果吻合良好;钢管约束条件下,碱矿渣混凝土极限强度和极限应变均较单轴条件下有了明显提高,表明钢管约束作用能够较好地提高核心混凝土的强度和韧性性能;采用已有钢管约束核心混凝土应力-应变关系模型拟合的应力-应变关系曲线与试验曲线吻合较好.结果表明:现有普通混凝土应力-应变关系模型对单轴受压条件和钢管约束条件下碱矿渣混凝土仍然适用.     

全再生骨料混凝土基本特性及受压损伤本构

为实现废弃混凝土资源最大化利用和充分挖掘其低碳潜能，提出发展全再生骨料混凝土（FRAC），即利用废弃混凝土加工成的再生粗、细骨料全部取代天然砂石制备的混凝土。以4种不同的骨料体系作为参变量，完成了FRAC的力学性能、收缩特性和单轴抗压应力-应变关系试验研究。分析结果表明，混凝土抗压强度受再生骨料体系，尤其是全再生细骨料的负面影响较大，但经过配合比优化，FRAC能满足C30强度等级以上的制备设计要求；全再生骨料体系增加了混凝土的干燥收缩，尤其是早期收缩发展；FRAC在单轴受压作用下出现较小变形时，损伤就开始明显发展，通过考虑初始损伤和受力损伤，建立了适用于FRAC的受压损伤本构模型，能很好地描述其应力-应变行为特征。最后，对提升全再生骨料混凝土力学性能未来需要开展的研究方向进行了展望。     

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.      

再生骨料替代率对混凝土单轴压缩力学性能的影响

针对设计水灰比为0.66的再生骨料混凝土开展单轴压缩试验,获得5种骨料替代率对应应力-应变全曲线,以此研究替代率对再生混凝土强度和变形性能的影响.结合统计损伤理论,考虑材料细观非均质性,探讨骨料替代率对再生混凝土细观损伤演化机制的影响.结果表明,再生骨料替代率对混凝土宏观应力-应变行为影响显著,随着替代率的增大,峰值应力先减小后增大,峰值应变单调增长;整个变形过程呈现出分布式损伤和局部破坏两阶段特征.利用统计损伤模型能够定量分析出再生混凝土细观损伤演化过程,考虑断裂和屈服两类损伤模式.随着再生骨料替代率的增大,表征细观损伤非均质演化过程的特征参数呈现出明显规律性的变化,与内部化学物理机理、宏观非线性应力-应变行为之间表现出良好的一致性.屈服损伤模式在整个过程中起到关键的作用.     

方钢管再生混凝土界面粘结性能试验

对8根钢管再生混凝土柱界面粘结性能进行研究,探讨再生骨料取代率及再生混凝土强度对钢管再生混凝土界面粘结性能的影响.结果表明:钢管再生混凝土荷载-滑移曲线大致经历无滑移阶段、应力上升段、应力下降段等3个阶段,不同再生骨料取代率的钢管再生混凝土荷载-滑移曲线具有类似的特征;再生骨料的取代率对钢管与再生混凝土界面粘结强度影响显著,再生骨料取代率越高,界面粘结强度越低;再生混凝土强度对钢管再生混凝土强度有一定影响,随着再生混凝土强度提升,粘结强度逐渐增加,但增幅逐渐降低.     

考虑再生粗骨料随机分布的混凝土氯离子扩散细观数值模拟

考虑粗骨料分布的随机性及氯离子结合的非线性对氯离子扩散性的影响,对再生混凝土中氯离子扩散进行数值建模与细观仿真分析,并将数值模拟结果与已有试验数据进行对比;通过改变老硬化砂浆扩散系数、新硬化砂浆扩散系数、老界面过渡区扩散系数及浸泡时间,对比研究了不同情况下再生混凝土中氯离子的扩散特性.结果表明:数值模拟结果与试验结果接近;再生混凝土中氯离子沿扩散深度方向呈波浪式下降;随着扩散系数的增大及浸泡时间的增长,氯离子扩散速度加快;随着再生粗骨料取代率的增加,氯离子扩散速度也增加;相同扩散深度处,不同随机骨料模型中氯离子含量最大值接近,说明所采用的随机骨料模型模拟结果具有较好的稳定性.     

再生骨料取代率对再生混凝土弯曲疲劳性能的影响

开展再生骨料混凝土(recycled aggregate concrete, RAC)在3种应力水平(S=0.6、 0.7、 0.8)下的等幅弯曲疲劳试验.结果表明:随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土的总孔隙率增大,弯曲疲劳寿命减小;与普通混凝土相比,再生骨料取代率100%时的再生混凝土疲劳寿命下降了46.3%～63.6%,总孔隙率由13.71%增长至18.32%; RAC的弯曲疲劳寿命服从两参数Weibull分布,再生骨料会增大混凝土弯曲疲劳寿命的离散性;在失效概率为0.50时,再生混凝土在再生骨料取代率为0%、 50%、 100%时的疲劳极限分别为0.55、 0.54、 0.55,再生骨料混凝土在高周疲劳下具有与普通混凝土相近的疲劳性能.     

再生混凝土小型空心砌块砌体抗剪性能试验

制作了再生骨料掺入量为75%的再生混凝土小型空心砌块,进行了再生混凝土小型空心砌块块材抗压及抗折试验.研究结果表明再生混凝土小型空心砌块强度等级可以达到MU7.5.进行了再生混凝土小型空心砌块砌体抗剪性能试验,考察再生混凝土小型空心砌块砌体在不同砂浆强度下的抗剪承载力,分析了再生砌块砌体受剪破坏特征.研究结果表明:再生混凝土小型空心砌块砌体的抗剪性能和普通混凝土砌块砌体的抗剪性能基本相似,在剪力作用下发生了上层的通缝剪切破坏,砌块强度对砌体通缝抗剪强度影响不大,砌体抗剪强度随砂浆强度的增加而增大,由于破碎的再生骨料吸水性较大,再生混凝土空心砌块砌体的抗剪强度低于普通混凝土砌块砌体的抗剪承载力.在此基础上,通过对试验数据的回归分析,提出了再生混凝土小型空心砌块砌体的抗剪强度计算公式.     

陶瓷再生混凝土力学性能及微观结构分析

为了提高陶瓷的再生利用率,将陶瓷颗粒与陶瓷粉作为再生混凝土骨料与掺合料进行再生利用.设计了不同试验方案,对比分析了由复掺陶瓷颗粒、陶瓷粉构成的再生混凝土与单掺陶瓷粉构成的再生混凝土的力学性能.利用SEM以及X荧光分析方法,研究了不同方案下混凝土微观结构的变化规律,并依据微观性能,揭示了再生混凝土强度变化机理.研究表明:随着陶瓷颗粒掺量的增大,再生混凝土的抗压强度逐渐提高;陶瓷粉的掺入能显著提高再生混凝土内部水化反应速率,但混凝土的强度有所降低.     

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.