龄期和掺合料对混凝土孔隙影响的分形学评价

为研究龄期和掺合料对混凝土孔隙的影响，采用压汞法测试不同龄期和不同掺合料混凝土的孔结构参数，并计算混凝土孔隙的体积分形维数，探究孔隙体积分形维数的变化及其与强度和耐久性的关系。结果表明：混凝土的孔结构具有明显的分形特征，随着龄期的增长，孔隙率逐渐降低，而孔隙体积分形维数逐渐增大，混凝土孔隙结构越来越不规则；不同掺合料混凝土孔隙体积分形维数与强度和氯离子渗透系数都有一定相关性，强度随分维的增大而增大，氯离子渗透系数随分维增大而降低；掺合料会影响混凝土孔隙结构，掺加矿粉会使混凝土的孔隙率降低，孔隙体积分形维数增大，而掺加粉煤灰会使混凝土早期孔隙率增大，孔隙体积分形维数降低。     

纤维过滤介质孔隙率及其分形维数

为寻求纤维过滤介质孔隙率准确的测量方法及其内部结构的特性,采用计算机VB语言构建了三维纤维过滤材料模型,对其进行了内部结构孔隙率、表面光学视图孔隙率计算及分析,得出二维滤材孔隙率与三维滤材孔隙率存在的关系,提出一种简便的测试纤维过滤材料孔隙率应用于实际的方法,并且与真实纤维过滤材料孔隙率和电镜扫描下的纤维过滤材料孔隙率进行比对,利用分形数学理论求解出纤维模型二维切面条件下的分型维数,并得出切面平均孔隙率与切面分形维数的数学关联式。研究结果表明:电镜扫描孔隙率较三维真实孔隙率偏小,平均误差约为7%,过滤材料内部结构2/9和7/9处的切面的孔隙率与其三维孔隙率相同;纤维过滤介质具有统计分形特性,随孔隙率增加其分形维数减少,孔隙率减少其分形维数增加,得出的分形维数与孔隙率关联表达式与经典文献形式吻合。     

生态多孔混凝土孔隙结构特征计算方法

制备生态多孔混凝土试件,切片后,采用数字图像处理技术,通过对切片处理方案的选择对比,选取合理的切片图像处理方案;应用PS、MATLAB、IMAGE PRO PLUS、IMAGE J等软件对多孔混凝土试件切片切面进行处理分析,计算试件的图像分析孔隙率,与实测孔隙率比较分析;用数盒子数法计算生态多孔混凝土试件孔隙结构分形维数并建立其孔隙结构特征与分形维数的关系。试验结果表明:各生态多孔混凝土试件的实测孔隙率都不相同,但都在20%～30%的目标孔隙率之间;各生态多孔混凝土试件的分形维数都不相同,说明了生态多孔混凝土孔隙结构的复杂性、不规则性和多样性;分形维数与实测孔隙率密切相关。     

基于图像分析的透水混凝土孔隙研究

通过对透水混凝土试块打磨并拍摄图像,利用MATLAB、IMAGE PROPLUS与IMAGE J对透水混凝土截面孔隙进行二值化处理与分析,获得孔隙面积、分形维数等参数,分析骨料粒径、水灰比对等效孔径大小及分形维数的影响,并研究了孔隙分形维数与实测孔隙率的关系.结果表明,粗骨料最大粒径和透水混凝土的目标孔隙率是影响透水混凝土内部孔径及分形维数的主要因素,而水灰比对其影响很小.实测孔隙率能达到目标孔隙率的85％以上,与孔隙分形维数呈现良好的线性关系.     

C50泵送混凝土孔隙分形与氯离子渗透特征

在对C50泵送混凝土孔隙特征和氯离子渗透特征的试验基础上,研究了孔隙分形维数与氯离子渗透的关系。研究表明,用孔50~550 nm孔径分形维数能够很好地反映泵送混凝土的氯离子渗透特征。随着孔隙的分形维数增大,凝胶孔增多,混凝土氯离子扩散系数显著降低。矿渣粉煤灰双掺的C50泵送混凝土总孔隙率最小,氯离子扩散系数最小,粉煤灰混凝土总孔隙率最大,分形维数最小,氯离子扩散系数最大。     

分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性

为探究分形矸石胶结充填体的宏细观力学特性,对骨料粒径分布满足分形理论的胶结充填体开展超声波探测、单轴压缩和微观扫描试验,研究胶结充填体的超声波、强度和变形特性及微观结构特征;建立考虑骨料粒径分布和多种颗粒介质及接触界面的胶结充填体颗粒流模型,探讨胶结充填体承载全程能量、裂纹、力链和颗粒破坏的演化规律,从微细观层面揭示骨料粒径分布对胶结充填体力学特性的影响机制。结果表明:胶结充填体的超声波速度和抗压强度与骨料粒径分布分形维数呈二次多项式关系,而峰值应变与分形维数呈负相关。胶结充填体的最优骨料粒径分布分形维数介于2.4～2.6,其表现出更均匀的微观结构。胶结充填体的峰值应变能随骨料粒径分布分形维数先增大后减小,但分形维数低的骨料粒径分布更有利于强化结构内的摩擦效应。胶结充填体内的裂纹由骨料尖角应力集中处萌生,并沿胶结–骨料界面发育,其在胶结基质内则沿最弱或最薄胶结基质向临近骨料尖角或断裂界面扩展。低骨料粒径分布分形维数的胶结充填体容易发生局部力链断裂,表现出明显的早期局部裂纹积聚和颗粒碎胀,分形维数的增大可以弱化该局部破坏特征,但细骨料含量的增多导致界面过渡区的扩大化,诱发更多的胶结–骨料界面力链断裂。     

再生混凝土梁裂纹演化的分形试验研究

对4根不同再生骨料取代率的再生混凝土梁进行四点弯曲试验,运用分形理论对混凝土梁表面裂纹进行分形计算,探讨在全梁区域、纯弯段、弯剪段及单条裂缝分形维数的异同。分析不同再生骨料取代率下分形维数与混凝土梁跨中挠度、最大裂缝宽度等的关系,分析表明:在全梁区域,同级荷载下分形维数随着取代率的变大先下降后上升,当混凝土达到极限荷载后,纯弯段、弯剪段分形维数均随着取代率的变大而变大,并且纯弯段分形维数小于弯剪段,对试验梁AB面典型裂纹分形维数统计发现,伴随取代率的变大,其表面单条裂纹的分形维数也逐渐增大。把分形维数与混凝土跨中挠度、最大裂缝宽度进行二次多项式进行拟合,具有较高的拟合度,有很好的正相关关系。随着取代率的变大,混凝土底部受拉钢筋屈服荷载先增大后减小,且综合分析得出再生混凝土梁粗骨料取代率为30%时性能更优。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

桥梁用高性能混凝土养护龄期对弹性模量和孔隙结构的影响

混凝土养护龄期对混凝土弹性模量和和孔隙结构都会产生重要影响,通过研究桥梁用C50高性能混凝土的弹性模量随龄期增长的发展规律,利用压汞测试仪对龄期为5、28 d混凝土的孔隙结构进行了测试,并引入分形理论分析了混凝土的孔隙结构,进而分析了养护龄期对弹性模量和孔隙结构的影响。结果表明:养护龄期对混凝土性能和孔隙结构有较大的影响,混凝土表观性能与孔隙结构之间存在密切关系;随着混凝土养护龄期的增大,混凝土弹性模量不断增大,混凝土孔隙率不断减小,同时孔径分布更加均匀,混凝土更加致密。分形维数和孔隙率变化趋势相反,分形维数随孔隙率增大而减小,混凝土的孔体积分形维数随弹性模量的提高而变大。     

钢筋无机聚合物混凝土梁裂缝分形特征试验研究

在钢筋无机聚合物混凝土梁正截面抗弯试验过程中,取得各级荷载作用下梁侧面的裂缝图片;通过数字图像的盒计数法验证了钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的发展和分布具有分形特征,并确定了表征裂缝不规则发展的分形维数;证明了钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的盒维数与荷载、跨中挠度、混凝土应变、钢筋应变之间存在定量关系。试验结果表明:分形理论可以用来描述钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的发展过程,分形维数与梁的力学性能之间存在定量关系。     

压力成型对砂浆孔结构、强度及分形维数的影响

采用压汞法测试了不同初始加压时间水泥砂浆的孔结构参数，并计算孔分形维数，研究了初始加压时间与抗压强度、孔结构、孔分形维数之间的关系。结果表明：初始加压时间对砂浆孔隙率和抗压强度的影响显著，加压时间过早或过晚均不利于砂浆抗压强度的发展，初始加压时间宜为养护2.5 h左右；压力成型下砂浆的孔结构具有明显的分形特征，孔分形维数范围为3.0～3.2，孔分形维数与孔隙率存在良好的相关性，能够在一定程度上反映水泥基材料宏观性能的优劣。     

混凝土早期随机塑性开裂特征及分形评价

针对混凝土早期裂缝日益严重的现象,研究不同水灰比混凝土早期开裂的规律及分形特征,为优化混凝土配合比减少早期裂缝提供理论依据。采用平板约束法对不同水灰比的混凝土的早期开裂进行测试;并应用分形理论测量并计算不同水灰比混凝土裂缝的分形维数。水灰比从0.44减小到0.28,6h裂缝总长增加2.1倍,最大裂缝宽度增加了5.9倍,分形维数从0.95增加到1.14。研究表明,水灰比的减小加剧了混凝土的塑性开裂;应用分形理论定量描述混凝土早期裂缝的分布规律是十分有效的,为评价早期开裂提供了有力的工具。     

基于粗糙岩体裂隙表面反应的格子Boltzmann渗流–溶解耦合模型

为了研究粗糙岩体裂隙渗流–溶解耦合作用机制,根据分段线性法构建粗糙裂隙面,并采用分形维数对其粗糙程度进行表征。基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别模拟速度场和浓度场的演化过程,假定裂隙表面处的溶解作用满足一阶动力学反应模型,建立基于岩体裂隙表面反应的格子Boltzmann渗流–溶解耦合模型,并结合2个经典算例验证其有效性。最后,讨论分形维数、Pe数和Da数等因素对粗糙裂隙渗流–溶解耦合作用机制的影响。研究表明:裂隙壁面的分形维数越大,溶质的运移速度越缓,导致壁面处的溶解速率越慢。在裂隙壁面凸起位置优先发生溶解,使得壁面逐渐趋于光滑。当Pe数较大时,裂隙渗流流速相对较大,从而加速了溶质的运移以及壁面处的溶解反应,导致壁面几何形貌扁平化,提高了裂隙的渗透特性。裂隙的Da数越大,其在入口处的溶解速率越快,从而导致孔隙率相同时裂隙末端聚集的未溶解部分越多,进而影响裂隙的渗透性。     

岩石-混凝土两相介质胶结面抗剪强度分形描述

针对润扬大桥南汊悬索桥锚碇胶结面抗剪强度取值问题,运用分形几何理论,从岩体结构面起伏角的角度出发,建立了均方根角法(ARMSS)测算岩石与混凝土胶结面轮廓线的分形维数,并给出了分形维数与粗糙系数(JRC)之间的相关关系。通过大量的混凝土–花岗岩粗糙胶结面抗剪强度试验,探讨了两相介质胶结面粗糙度对其抗剪强度参数值大小、剪切变形特性以及剪切破坏机制的影响,得到了胶结面粗糙度分形维数与抗剪强度指标之间的经验关系式。研究结果为润扬大桥南汊悬索桥南北锚碇抗滑结构设计提供了可靠的理论依据和借鉴作用。     

分形理论在沥青混凝土疲劳开裂过程中的应用

通过对沥青混凝土试件进行疲劳加载,用盒维数方法计算加载过程中裂缝的分形维数,利用分形理论对沥青混凝土疲劳开裂过程进行了探讨和分析。结果表明,沥青混凝土疲劳开裂过程具有很好的分形特征。     

石粉含量对机制砂砂浆孔结构特性的影响研究

采用MIP法研究了石粉含量和粉煤灰对机制砂砂浆孔结构的影响,并利用“热力学分形模型”研究了砂浆孔结构分形特性。研究表明:当石粉含量不大于11%时,随石粉含量的增加,砂浆孔隙率、平均孔径等孔结构参数不断减小,孔结构的分形维数不断增大;采用机制砂的砂浆孔结构分形维数显著大于河砂砂浆;孔结构分形维数与砂浆的孔隙率、最可几孔径及平均孔径总体成反比,分形维数可综合反映孔结构的复杂程度;随孔结构分形维数的增加,砂浆的抗压强度和抗折强度呈不断增大的趋势。     

尾砂分形级配与胶结强度的知识库研究

采用分形理论研究了尾砂材料的级配。分析了国内外大量矿山的尾砂材料分形级配与强度试验数据,用神经网络建立了尾砂胶结强度与水泥含量、浓度、孔隙分形维数及分形维数相关率的知识库模型。考虑神经网络在训练大规模样品时易陷入局部极小,用梯度下降法与混沌优化方法相结合,使神经网络实现快速训练的同时,避免陷入局部极小。研究结果表明:尾砂孔隙分形维数减小,尾砂胶结强度增高;分维形数相关率越好,尾砂胶结强度越高。孔隙分形维数和分形维数相关率反映了尾砂粒度分布的整体信息,可用来判断尾砂级配的合理性。应用知识库模型可以根据尾砂的级配特性,预测不同水泥含量、不同浓度下的尾砂胶结充填体强度,指导矿山充填设计。     

混凝土孔隙分形特征的研究

用分形理论对混凝土孔隙的特征进行了分析评价,尤其是对混凝土断面的扫描电镜照片,用分形几何的方法测试分析,得到了断面孔隙形貌的分形维数,可以直接用于描述混凝土孔隙的复杂程度。此外,采用压尔测孔方法测试了基准混凝土的孔分布曲线和掺加超细粉煤灰的混凝土的孔分布曲线,并用分形理论分析了其特征,得到了相应在的分形维数,评价了混凝土孔体积的分形特征,这些方法对描述水泥基多孔复合材料的孔隙特征十分有效。     

硅灰对混凝土抗冻性能及其孔结构的影响

研究了硅灰对干湿-冻融条件下混凝土的抗压强度和质量损失的影响,利用压汞分析了试验混凝土的孔隙率及孔径分布特征,并计算了混凝土的孔径分形维数。研究表明:随着硅灰掺量的增加,经干湿-冻融循环后混凝土的抗压强度损失率和质量损失率减小,硅灰掺量增加有利于降低混凝土孔隙率、降低平均孔径,大于100 nm的孔数量减少,硅灰的加入使混凝土的孔分形维数增大。     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明:决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质(水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向)的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。