骨料粒径对混凝土劈拉性能及尺寸效应影响的细观数值研究

混凝土材料宏观力学行为的非线性及尺寸效应根源于其内部组成的非均质性。考虑材料细观结构非均质性的影响,建立由骨料颗粒、砂浆基质和界面过渡区组成的混凝土细观尺度力学模型。对尺寸为150 mm、250 mm、350 mm和450 mm的混凝土立方体模型劈裂抗拉破坏行为进行细观数值模拟,探讨骨料粒径（最大粒径分别为:10 mm、20 mm、30 mm和40 mm）的影响机制,并与试验结果进行对比分析。结果表明:1） 混凝土材料的劈裂抗拉强度随着骨料粒径增大而略微降低,最大骨料粒径达到30 mm左右时,强度降低趋势变缓;2） 四种骨料粒径下混凝土立方体劈裂抗拉强度均存在尺寸效应现象,相比于大骨料试件,小骨料试件的破坏更具脆性,因而其尺寸效应更显著;3） 混凝土劈裂抗拉强度尺寸效应行为与 Ba?ant和Weibull提出的尺寸效应理论相吻合。     

低温下钢纤维混凝土断裂行为细观数值研究

为了探讨钢纤维混凝土材料在低温下的断裂行为，通过有限元分析方法，在细观层次建立了不同钢纤维体积分数(V=0.0%、0.5%和1.0%)的混凝土试块三维数值模型，分别在3个温度点下(T=20℃、-40℃和-80℃)进行了劈裂抗拉强度试验以及三点弯曲加载试验，得到了相应的破坏模式以及荷载-跨中挠度曲线。研究结果表明，混凝土的断裂能随着温度的降低呈增大趋势，且钢纤维体积分数越大，断裂能越大。而混凝土的特征长度随着温度的降低逐渐减小，但纤维的加入很大程度地增大了其特征长度。     

混凝土劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度尺寸效应的细观数值分析

混凝土作为非均质材料,其材料性能存在随试件几何尺寸变化的尺寸效应。该文在细观层次上将混凝土看作由粗骨料、砂浆和二者界面过渡区组成的三相复合材料,采用刚体弹簧元数值方法模拟了混凝土的劈裂抗拉强度和弯曲抗压强度的尺寸效应,并与已有的试验结果进行了对比验证。结果表明:劈裂加载的试件破坏形态和劈裂抗拉强度与试验结果均具有良好的一致性,并且小尺寸试件所表现出的尺寸效应要明显于大尺寸试件;对不同尺寸四点弯曲钢筋混凝土梁开展细观数值分析得到跨中截面混凝土的弯曲抗压强度,随着梁有效高度的增加,名义弯曲抗压强度整体上呈现降低的趋势,但当梁有效高度大于240mm时趋于稳定。     

聚丙烯纤维陶粒混凝土力学性能试验研究

为研究水灰比、砂率、聚丙烯纤维掺量对陶粒混凝土力学性能的影响,采用正交实验设计方法,开展陶粒混凝土常温抗压强度、低温抗压强度、劈裂抗拉强度的试验研究并进行极差和方差分析;从破坏形态、荷载-位移关系、细观尺度揭示纤维增韧机理和低温抗压强度的演变规律;建立常温抗压强度、劈裂抗拉强度预测模型。结果表明：纤维可改变轻骨料混凝土的破坏形态,延缓裂缝的发展;掺加纤维后位移荷-载曲线下降较为缓慢;砂率对抗压强度影响显著,水灰比、砂率是影响劈裂抗拉强度的显著性因素;低温抗压强度较常温抗压强度增长1.6%～21.9%;建立的抗压强度、劈裂抗拉强度的预测模型精度高。     

不同初始静载混凝土轴向拉伸试验研究

为研究混凝土材料的动态性能,利用MTS-810NEW液压伺服试验机对尺寸为100 mm×100 mm×510 mm棱柱体混凝土材料试样进行了初始静态荷载为0~20 k N的动态轴向拉伸试验,研究了混凝土材料经历不同初始静态荷载后的动态拉伸破坏特征、应力应变关系和动态抗拉强度。结果表明:荷载值由静态过渡到动态荷载时,混凝土材料的动弹性模量发生较大变化,且随着初始静态荷载值的增加,混凝土材料动弹性模量有增大趋势;混凝土材料动态应力应变关系曲线中,峰值应力所对应的应变值与初始静态荷载值无关;随着初始静态荷载的增加,混凝土材料动态拉伸破坏断面面积逐渐增大,且粗骨料被拉断的数目随着初始静态荷载的增加而先增加,后趋于平稳;随着初始预加静态荷载值的增加,混凝土材料的动态轴向拉伸强度先增加,然后趋于稳定。     

快速荷载下CFRP-高温后混凝土界面正拉粘结性能试验

该文通过对90个CFRP-高温后混凝土标准试件进行快速荷载下正拉试验,得到了加载速率、混凝土强度等级及过火温度等因素对界面正拉粘结强度的影响规律。在欧洲规范(CEB-FIP1990)建议的混凝土动态抗拉强度公式和高温后混凝土轴心抗拉强度折减公式基础上,综合考虑应变率效应和高温劣化作用,提出了高温后界面正拉粘结强度预测模型,并验证其可靠性。在此基础上给出了不同混凝土强度等级构件火灾后极限加固修复温度。试验结果表明:正拉粘结强度随混凝土强度等级和加载速率的提高而提高;在20℃~500℃内提高过火温度会显著降低界面正拉粘结强度,超过500℃后下降幅度不明显。     

结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能影响的试验研究

为了研究在低周往复荷载作用下结构尺寸对方钢管混凝土短柱抗震性能的影响,对6根方钢管混凝土短柱开展了水平往复加载试验,分析了截面尺寸对柱破坏形态、滞回曲线、骨架曲线以及不同抗震性能指标(如刚度退化、耗能能力、延性等)的影响,阐明了不同截面尺寸对柱名义抗剪强度的影响规律和机制,研究结果表明：不同截面尺寸的试件破坏形态基本相同,表现为柱底部钢管鼓曲、核心混凝土被压碎的破坏形态;当截面尺寸由200 mm增至600 mm时,在不同加载方向上,方钢管混凝土短柱名义抗剪强度分别下降了63.1%(59.8%),表现出显著的尺寸效应;随着截面尺寸增大,相对名义刚度与平均耗能系数呈降低趋势;JIN等提出的考虑尺寸效应的抗剪强度公式计算值与试验值吻合良好,说明考虑尺寸效应的方钢管混凝土柱抗剪承载力计算公式能够较为准确的预测其抗剪承载力。     

不同强度混凝土高温下动态劈拉性能研究

采用大直径分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和加温装置,在不同温度(20 ℃、200 ℃和400 ℃)下对3种不同强度(C20、C45和C70)混凝土材料开展不同应力率的动态劈裂拉伸实验,得到了温度和应力率耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度及相应的破坏形态。实验结果表明,混凝土材料的动态劈裂强度随应力率的增加而增加,且应力率相近时,其动态劈裂强度随温度的增加而明显降低。在此基础上给出了描述混凝土材料在不同温度下的动态劈裂强度与应力率关系的表达式,并确定了相关材料参数。通过对不同应力率和温度耦合作用下混凝土材料的动态劈裂强度进行横向对比,发现混凝土材料动态劈裂强度的温度敏感性随应力率的增加逐渐减小,并且随着混凝土材料强度的增加其温度敏感性也逐渐变小,但是其动态劈裂强度的应力率敏感性却随着温度的升高逐渐增大。     

再生砖骨料混凝土力学性能及破坏机理研究

以8种设计配合比的再生砖骨料次轻混凝土为研究对象,以水灰比、最大骨料尺寸和粗骨料种类为试验参数,开展了混凝土干密度、立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验研究,重点分析了骨料界面特征与再生砖骨料混凝土的破坏机理.结果表明:使用再生粘土砖骨料制备的次轻混凝土28 d抗压强度可达36 MPa,干密度不大于2200 kg/m3,能够减轻自重8％～16％;随着水灰比和取代率的降低,混凝土抗压和劈裂抗拉强度均呈显著增加的趋势;最大骨料尺寸对混凝土抗压和劈裂抗拉强度的影响较小;拟合所得混凝土干密度与力学性能换算公式的相关性较好;砖骨料-砂浆界面过渡区微观结构较为密实,混凝土界面性能得到增强;界面过渡区性能和砖骨料强度是影响再生砖骨料混凝土力学性能的两个关键因素,且砖骨料强度是其中最主要的因素.综合考虑,使用再生粘土砖骨料制备次轻混凝土具有良好的经济性和广阔的工程应用前景.     

基于高速DIC的近场冲击下高强混凝土动态压缩性能研究

为了解近场冲击荷载作用下装配式预制桥梁结构高强混凝土材料的破坏特征及高应变率力学响应特征，采用100 mm大直径霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)对C60及C80两种高强度等级混凝土进行单轴冲击压缩试验。获得了混凝土的应力-应变曲线、动态弹性模量及动态增长因子等动态参数。利用高速数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术对混凝土表面应变场进行研究，分析了试样破坏过程中裂纹扩展过程。试验结果表明：在高应变率下，高强混凝土试件的动态压缩强度呈现明显的率效应，但其弹性模量保持恒定；对数函数模型能够较好地表征混凝土的动态强度演化模式；宏观上可以将观察到的破坏模式划分为4种模式：完整试样、轴向劈裂、混凝土爆裂及粉碎；高应变率下，裂缝演化不稳定性增大，其扩展速率随应变率的增大而增大。     

由小尺寸试件确定混凝土的断裂韧度与拉伸强度

该文利用骨料最大粒径d_max=10 mm,试件高度W依次为60 mm、80 mm、100 mm、140 mm、160 mm,厚度B=40 mm的小尺寸三点弯曲梁试件,来确定无尺寸效应的混凝土断裂韧度K_IC与拉伸强度f_t。区别于现有尺寸效应模型关注于"绝对尺寸W",该文提出"相对尺寸W/d_max"的概念,分析了骨料颗粒对有限尺寸试件断裂破坏的影响机理,进而将骨料最大粒径d_max与离散度参数β引入修正的边界效应模型的解析表达式中,发展建立了离散颗粒断裂模型,进而给出了由实验室条件下小尺寸试件（W=60 mm~160 mm和B=40 mm）的峰值荷载P_max同时确定混凝土材料参数-K_IC和f_t的实用方法。进而分析了不同试件组合和不同峰值荷载时裂缝扩展量取值对材料参数确定的影响规律,建立了混凝土材料破坏的完整曲线,给出了满足线弹性断裂力学条件的混凝土试件理论最小尺寸,并基于确定的材料参数对各试件的峰值荷载进行了成功预测。。     

基于Φ75mm SHPB系统的高温混凝土动态力学性能研究

运用Φ75 mm大直径SHPB及高温加热试验系统,对工程中常用的C30、C50、C60和C70四种强度等级的混凝土在不同温度条件下(常温、150℃、300℃、450℃、600℃)进行冲击压缩试验。试验结果表明:四种强度等级的混凝土均表现出明显的温度效应,随着温度的升高,混凝土动态破坏强度不断降低,动态破坏应变不断增大;当温度达到600℃时,动态破坏强度已和混凝土强度等级关系不大;同时,在高温下四种强度混凝土均出现塑性流动现象且随着温度的升高越来越明显,韧性越来越强。     

基于细观模拟的碾压混凝土尺寸效应律研究EI北大核心CSCD

关于混凝土类材料准静态尺寸效应研究已经相对完善,然而受试验设备及条件限制较高应变率下混凝土材料的尺寸效应行为仍需进一步研究。同时作为组分特殊的一种混凝土材料,碾压混凝土动态尺寸效应研究对碾压混凝土坝抗冲击防护研究具有重要意义。将混凝土视为粗骨料、砂浆基质、界面过渡层组成的三相复合材料,建立了不同尺寸碾压混凝土圆柱形试件,对不同应变率下碾压混凝土压缩特性进行了模拟与分析。研究结果表明:与常态混凝土类似,动态荷载(ε^(·)>30 s^(-1))下碾压混凝土尺寸效应行为与静态荷载下相反,即动态抗压强度随试件尺寸增长而增强;动态尺寸效应与应变率呈现相关性,应变率越高,动态尺寸效应越显著,这与碾压混凝土SHPB(the split Hopkinson pressure bar)试验结果相验证;当应变率ε^(·)=1~30 s^(-1)时,尺寸效应并不显著,不同尺寸试件的抗压强度相差不大;准静态荷载ε^(·)=1×10^(-5) s^(-1)下,碾压混凝土抗压强度随尺寸增加而降低。最后,基于Bazant尺寸效应对碾压混凝土尺寸效应律进行了量化分析。     

钢纤维及陶粒掺量对轻质混凝土基本力学性能的影响

制备了3种强度等级共13组配合比的钢纤维增强轻质混凝土（Steel Fibre Reinforced Lightweight Aggregate Concrete,SFRLAC）,测量了立方体抗压强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度,得到了SFRLAC轴心受压应力-应变曲线。试验结果表明,钢纤维能小幅度提高轻质混凝土（Lightweight Concrete,LC）的抗压强度,随陶粒比率（Haydite Ratio,V_h）的增大,抗压强度降低,且强度等级越低,降幅越大。钢纤维能显著提高LC的劈裂抗拉强度,钢纤维对低强度等级LC劈裂抗拉强度的贡献优于对高强度等级LC的贡献。低强度等级SFRLAC （LC30和LC40）的劈裂抗拉强度受V_h的影响较大,而高强度等级SFRLAC （LC50）与之相反。当V_h达到80%时,V_h不再是影响SFRLAC劈裂抗拉强度的主要因素,而钢纤维的增强效应显著。试块的破坏形态表明钢纤维能改善LC的塑性。V_h对抗拉强度的降低效应远大于对抗压强度的降低效应。建立了SFRLAC轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系式。SFRLAC应力-应变曲线综合体现了钢纤维的增强效应和陶粒的削减作用,陶粒降低LC的峰值应力和韧性,钢纤维主要提高LC的韧性。     

纤维对超高性能混凝土残余强度及高温爆裂性能的影响

采用普通原材料制备56 d龄期抗压强度为140~160 MPa的空白组超高性能混凝土、钢纤维超高性能混凝土及混杂纤维超高性能混凝土,测定其遭受高温作用后的残余抗压强度和劈裂抗拉强度,并对100%含湿量的混凝土试块进行高温爆裂试验。此外,测定大小2种加热速率对超高性能混凝土高温爆裂行为的影响。结果表明:所配制混凝土的残余抗压强度均随着目标温度的升高呈现先增大再降低的趋势,800℃高温后的残余抗压强度约为常温强度的30%。钢纤维与混杂纤维混凝土的残余劈裂抗拉强度亦呈现先升高再降低的趋势,800℃高温后的残余劈裂抗拉强度分别为常温强度的15.1%和35.4%。空白组混凝土的残余劈裂抗拉强度随着目标温度的升高而单调下降,800℃高温后的强度值约为常温强度的20.3%。7.5℃/min加热速率下,100%含湿量的3种混凝土试块均发生了严重高温爆裂,单掺钢纤维可以改善超高性能混凝土的高温爆裂,但不能避免爆裂的发生,而混杂纤维对超高性能混凝土高温爆裂的改善效果并未显著优于钢纤维。2.5℃/min加热速率下,混杂纤维可避免部分超高性能混凝土试块发生爆裂。      

高温下混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和高温炉进行了高温下普通混凝土的抗冲击性能试验研究,通过比较实测动态强度和应力-应变曲线,揭示了温度和应变率对高温下混凝土动态力学性能的影响规律.试验结果表明:除200℃~300℃范围外,高温下混凝土具有显著的应变率效应,且温度越高动态应变率效应越显著;温度和应变率对混凝土归一化应力-应变关系曲线上升段的形状影响很小,可采用统一的函数形式.200℃~300℃低温区混凝土不仅无明显动态效应,且存在静力强度衰减现象,此特性需引起注意并有待进一步研究.     

高温条件下钢纤维混凝土动态抗压性能试验研究

应用分离式霍普金森压杆和电阻式高温加热炉对不同纤维掺量(1%,2%)的钢纤维混凝土试件进行了不同温度条件下(20℃,200℃,400℃,600℃,800℃)的动态压缩试验,获得了不同温度条件下该种材料的动态应力-应变曲线,得到了相应的动态抗压强度和峰值应变。试验结果表明,钢纤维混凝土具有明显的应变率强化效应和温度损伤效应。在各试验温度下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着应变率的增大而提高;同一加载速率下,钢纤维混凝土的动态抗压强度随着试验温度的升高大幅度降低;相比于普通混凝土,钢纤维混凝土的抗冲击性能显著提高。     

高温下钢管混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和特制高温试验炉进行了高温下钢管混凝土的抗冲击性能试验研究,通过测试高温下钢管混凝土的动态强度和应力-应变曲线,揭示温度和冲击速度(应变率)对高温下钢管混凝土动态力学性能的影响规律。试验结果表明,高温下钢管混凝土仍具有良好的抗冲击性能、延性和耗能能力。在该文试验参数范围内,温度作用相比冲击速度的影响更加显著。高温下钢管混凝土动态强度受试件尺寸影响显著,后续研究工作应关注钢管混凝土动态冲击荷载作用下的尺寸效应研究。     

橡胶弹性元件低温刚度预测

进行温度为20℃,0℃,-10℃,-20℃,-30℃,-40℃的橡胶试样单轴拉伸试验,研究不同应变水平下橡胶材料本构曲线的割线模量随温度变化的规律。定义橡胶试样在低温下本构曲线的割线模量与常温下的割线模量之比为橡胶材料的温度因子,将其表示为多项式函数的形式,并利用橡胶试样拉伸实验数据拟合得到不同应变水平下的温度因子。对锥形橡胶弹簧进行常温下的刚度仿真,通过温度因子对锥形簧常温下的刚度进行修正,预测其在低温下的刚度,并进行锥形簧产品在常温和低温下的刚度台架试验,结果表明环境温度高于-20℃时,预测刚度误差小于8%,满足工程使用要求,但是当环境温度低于-30℃时预测刚度误差较大。     

混杂纤维增强混凝土材料的力学性能和耐久性能研究

采用聚丙烯纤维和碳纤维掺杂的方法制备了单纤维和混杂纤维增强混凝土材料。利用电子万能试验机对单纤维和混杂纤维增强混凝土材料样品进行了抗弯强度和劈裂抗拉强度试验;采用扫描电子显微镜(SEM)对样品的拉伸断口形貌进行了观察;采用NEL扩散试验测试了样品的氯离子扩散系数。结果表明,混杂纤维增强混凝土材料HFRC-B的抗弯性能、劈裂抗拉强度和耐久性能均优于单掺聚丙烯纤维增强混凝土PFRC-A和单掺碳纤维增强混凝土CFRC-B,HFRC-B样品的抗弯强度可达8.4 MPa,劈裂抗拉强度平均值可达3.78 MPa,氯离子扩散系数为2.26×10~(-12) m~2/s,综合性能优异;SEM分析表明,碳纤维、聚丙烯纤维与混凝土基体结合良好,碳纤维的拔出效应以及聚丙烯纤维自身的韧性保证了混杂纤维增强混凝土材料的高强度和高韧性,提升了混杂纤维增强混凝土材料的抗拉强度和抗弯性能;混杂纤维增强混凝土材料的耐久性能优于单纤维增强混凝土材料,显示了混杂纤维的正混杂效应,混杂纤维有效降低了混凝土中微裂纹的生成和扩展,改善了混凝土的阻裂效应,提高了混凝土材料的耐久性能。