钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响

通过实验研究了活性粉末混凝土的基本力学性能(抗压强度、劈拉强度和抗折强度),分析了钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响,拟合得到了抗折强度与劈拉强度之间的关系表达式。在实验分析的基础上,建立了不同钢纤维体积含量活性粉末混凝土受压应力-应变全曲线的数学表达式。研究结果表明：钢纤维体积含量在1.0%～3.5% 之间时,活性粉末混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度均随着钢纤维掺量的增加而增大;当钢纤维体积含量超过3.5% 后,活性粉末混凝土抗压强度下降,劈拉强度略有提高,而抗折强度仍有明显的提高。     

基于细观尺度的混凝土单轴力学性能仿真计算分析

基于细观力学建立了混凝土的2D随机骨料模型,应用塑性损伤本构模型,模拟了混凝土在单轴拉伸和压缩载荷下的力学性能和裂纹的萌生扩展。通过变参数分析,研究了粗骨料形状和面积分数、界面性能以及孔隙率等混凝土多相特征对应力-应变关系的影响。数值研究表明:粗骨料形状对混凝土拉压强度影响很小;粗骨料面积分数、界面性能和孔隙率是控制混凝土宏观响应的重要参数。研究发现:随粗骨料面积分数增加,混凝土拉压强度均表现出先减小后增大的变化趋势;而界面性能对混凝土的强度有重要影响,混凝土拉压强度随界面性能的增大而单调增加;孔隙率愈高,混凝土的拉压强度损失愈显著。     

次轻页岩集料混凝土基本力学性能试验研究

为了研究次轻页岩集料混凝土的基本力学性能,以取代率为变化参数,用碎石、河砂分别取代全轻混凝土中的陶粒、陶砂,配制形成石轻混凝土、砂轻混凝土。对其立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等基本力学性能指标开展了试验研究,获取了次轻页岩集料混凝土的受力破坏形态,分析了取代率对次轻页岩集料混凝土力学性能指标的影响规律。建立了次轻页岩集料混凝土弹性模量、轴心抗压强度与立方体抗压强度换算关系、拉压比与泊松比关系等计算模型。研究结果表明:随着碎石、河砂取代率的增加,次轻页岩集料混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度及抗折强度逐渐增大,弹性模量逐渐增大;石轻混凝土的泊松比呈先减小后增大的变化规律;砂轻混凝土的泊松比则逐渐减小。通过引入取代率影响参数,所建立的计算模型简单实用,计算精度良好。     

纤维再生混凝土劈裂抗拉力学性能试验研究

为研究纤维再生混凝土(FRAC)的抗拉性能,以纤维类型和再生骨料取代率为变化参数,对4种纤维再生混凝土进行劈裂抗拉试验。试验观察了试件的破坏形态,获取了FRAC的荷载-位移曲线及抗拉强度等数据,并深入分析了变化参数对FRAC劈裂抗拉力学性能及耗能能力的影响规律。结果表明：与碳纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维相比,钢纤维的增韧效果更明显,且掺入钢纤维可有效提高再生混凝土的劈拉强度与耗能能力;掺入0.3%的碳纤维后,再生混凝土的抗拉强度和拉压比分别平均提高了95.9%和71.8%;掺入聚乙烯醇纤维和聚丙烯纤维对再生混凝土改性效果不显著;随着取代率增加,纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度及耗能能力均逐渐降低,拉压比先增大后减小。基于试验数据,文中还提出了FRAC劈拉强度的计算关系式。     

两种再生粗骨料混凝土单轴受压性能研究

为研究影响再生混凝土力学性能的因素,将建筑结构中使用最为广泛的C30与C40两种强度等级的废混凝土破碎成再生粗骨料RCA(recycled coarse aggregate),根据实测RCA吸水率调整了配合比。以RCA来源和RCA取代率为变量,设计了9组再生混凝土试件,进行立方体抗压强度及棱柱体单轴受压试验。基于试验数据,得到了两种不同来源RCA的再生混凝土弹性模量、峰值应变等重要力学性能参数,绘制了再生混凝土应力-应变曲线。结果表明,随着RCA取代率的增加,两种不同来源RCA再生混凝土弹性模量和立方体抗压强度均表现为下降,RCA强度对再生混凝土各项力学性能均有影响。     

有机/酸复合溶液化学作用下低煤阶煤体破坏微观机制研究

为了探讨有机/酸复合溶液化学作用对煤体物理力学特性的影响,采用扫描电镜、粉晶X射线衍射、压汞实验和力学性能测试等手段,对经有机/酸复合溶液浸泡前后的煤样表观形貌、矿物质含量变化、内部孔隙结构及单轴抗压强度进行表征。分析煤的微观结构随时间变化规律,得出有机/酸复合溶液破坏煤体的微观机制,并通过单轴压缩实验验证煤样微观破坏机理。结果表明:经有机/酸复合溶液浸泡48h后,煤样表面的孔隙尺寸大于10μm,大部分表面被溶蚀成小于1μm的小碎屑颗粒;方解石、白云石和黄铁矿的溶解率为54.54%、36.36%、34.29%,伊利石、高岭石、蒙脱石的含量增加了51.74%、60%、40%,石英几乎不反应;煤样孔径分布曲线随时间增加,逐渐由单峰分布变成双峰分布,煤样微孔体积减少了69.01%,大孔体积增加了72.85%;煤样弹性模量为377.2MPa,峰值强度为4.02MPa,达到峰值强度时,应变值为21.61%。煤样与有机/酸复合溶液之间的化学作用可从微细观上改变煤样的矿物组成与结构,使其产生孔洞、孔隙等,增加其孔隙率,影响其渗透率,进而改变其峰值强度和弹性模量等宏观力学性质。     

轻粗骨料含量对混凝土抗压性能尺寸效应影响的细观数值模拟

为了研究轻粗骨料含量对轻骨料混凝土立方体抗压破坏行为与尺寸效应的影响,本文根据瓦拉文公式确定轻粗骨料数量,借助混凝土细观数值建模方法分别建立了边长为100 mm、150 mm、300 mm、450 mm的二维轻骨料混凝土细观数值模型．采用塑性损伤本构模型,通过细观数值模拟研究了不同试件尺寸及不同轻粗骨料含量的轻骨料混凝土在单轴受压下的破坏形态及宏观应力-应变关系曲线．结果表明,在相同试件尺寸下,轻粗骨料含量对轻骨料混凝土单轴抗压强度有一定影响,受压破坏时轻粗骨料颗粒破坏．比较轻粗骨料含量相同的轻骨料混凝土立方体抗压性能发现,轻骨料混凝土尺寸效应明显,单轴抗压强度随试件尺寸增大而减小,且粗骨料含量影响轻骨料混凝土的尺寸效应．此外,细观数值模拟结果表明Ba?ant尺寸效应律适用于轻骨料混凝土的抗压性能．     

活性粉末混凝土力学性能及冻融性能研究

活性粉末混凝土具有优异的力学性能和耐久性,本文按照正交设计方法设计了9组不同配合比的活性粉末混凝土,通过试验研究了其基本力学性能及抗冻融性能,分析了水胶比、硅灰水泥比和钢纤维含量等因素对活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能的影响规律。研究表明,水胶比是影响活性粉末混凝土力学性能及抗冻融性能最主要的因素,钢纤维含量对活性粉末混凝土抗折和劈裂强度影响较为显著,对其抗压强度和抗冻融性能的影响不明显。本文根据试件破坏的现象对钢纤维作用的机理做了初步的探讨。     

大尺寸Hopkinson压杆及其应用

本文介绍了国内最大尺寸的SHPB装置;讨论了在大尺寸SHPB装置上测量混凝土类材料动态力学性能将会出现的几个问题;采取了在入射杆的打击端加设波形整形器,在试件与杆件之间加设万向头及在试件上直接测量应变等新的实验技术及采用新的数据处理方法,提高了试验结果的精确度和可信度;简要介绍了利用ф100 SHPB装置对四种体积含量(0,2%,4%和6%)钢纤维高强混凝土进行三种应变率(10~20/s,35~45/s和75~85/s)的冲击压缩实验。实验结果表明,钢纤维高强混凝土具有较强的应变率效应,其破坏应力、峰值应变随应变率增加而显著增加,弹性模量也随应变率增加而增加。另外,钢纤维含量对混凝土具有增韧效应,随着钢纤维含量的增加,其韧性增大,脆性降低。     

准脆性材料抗压强度能量平衡尺寸效应模型

针对现有尺寸效应模型难以体现准脆性材料完整的抗压强度尺寸效应变化规律及其内在机理, 本文通过分析准脆性材料单轴压缩破坏过程中能量输入、储存、整体和局部能量耗散, 建立体现整体和局部损伤的力学模型及描述上述能量演化过程的双线性名义和真实应力应变曲线, 在此基础上确定了名义应力最大时输入能量、储存弹性能、整体和局部能量耗散的表达式, 最后基于能量平衡原理建立抗压强度尺寸效应模型. 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能完整体现名义抗压强度尺寸效应, 即随试样尺寸增大, 名义抗压强度在试样尺寸小于等于局部损伤区尺寸时为真实强度, 然后逐渐减小, 最终当试样尺寸趋于无穷大时趋于弹性极限强度; 抗压强度能量平衡尺寸效应模型也能同时体现高径比和试样直径对名义强度的影响, 其包含的参数具有明确的物理意义, 可以反映真实强度、弹性极限强度、名义损伤模量非线性、局部损伤区大小和方向对准脆性材料名义抗压强度尺寸效应的影响; 通过把抗压强度能量平衡尺寸效应模型和现有尺寸效应模型应用于预测各种材料尺寸效应试验和数值模拟数据, 结果表明: 抗压强度能量平衡尺寸效应模型能很好描述试验和数值模拟尺寸效应的非线性变化规律及内在机理, 和现有尺寸效应模型相比, 其总体平均误差最小, 且小于5%.      

粗骨料粒径对混凝土动态压缩行为的影响研究

粗骨料作为混凝土材料组成最主要的部分,对混凝土力学性能和破坏模式有着很重要的影响。为了研究粗骨料平均粒径对混凝土动态力学性能的影响规律,针对不同平均粗骨料平均粒径（6、12、24 mm）的混凝土和砂浆材料进行了一系列SHPB试验,得到了不同应变率下各试件的应力-应变曲线,并对每种材料的动态增长因子（dynamic increase factor,DIF）与应变率的对数进行了线性拟合。结果表明:砂浆和混凝土材料的抗压强度具有明显的应变率效应,其动态抗压强度随着应变率的增加而逐渐增大,应力-应变曲线呈现相似的变化趋势;在相同的动态应变率条件下,平均粗骨料粒径为12 mm的混凝土的动态抗压强度最大,这与准静态条件下砂浆抗压强度最大截然不同;不同粗骨料粒径混凝土材料的应变率强化系数均大于砂浆材料,且随着粗骨料无量纲尺寸的增大,混凝土材料的应变率强化因子呈现先增大后减小的趋势。     

震后建筑再生混凝土及其钢管短柱受压性能研究

为了研究震后建筑废弃物再生混凝土及其钢管柱的基本物理和力学性能,以设计强度为C30的废弃混凝土为再生粗骨料,分析了5种再生骨料取代率(0%、25%、50%、75%、100%)对再生混凝土材料的抗压强度和劈裂强度的影响,以及对钢管再生混凝土的失效模式、承载力、变形、应变关系的影响;给出了钢管再生混凝土柱力学性能随取代率变化的关键值,建立了再生混凝土的应力-应变关系。结果表明:随着再生骨料取代率的增加,再生混凝土的受压性能和抗拉强度逐渐降低,钢管试件的承载力水平逐渐降低,但其破坏失效模式和变形曲线与普通钢管混凝土无显著差别。根据钢管和再生混凝土的应力-应变关系计算了钢管再生混凝土柱的极限承载力,所得计算结果与试验结果符合较好,其误差约为10%,符合工程计算要求。     

混凝土复合材料的静态试验研究

随着钻地武器的发展，现有防护工程材料受到严峻挑战，其发展的状况是我国打赢现代高技术战争的十分重要的决定因素，设计出一种新型防护工程材料——钢丝网混凝土，并与几种防护工程的常用复合树料进行静态抗弯、抗压、抗劈拉强度对比。试验证明，钢丝网混凝土的静态力学性能最优，是一种具有良好应用前景的防护复合材料。     

沙漠砂混凝土力学性能及应力-应变本构关系试验研究

为了研究沙漠砂替代率对沙漠砂混凝土力学性能的影响,试验设计了132个试块,其中66个标准立方体试件和66个标准棱柱体试件;通过立方体抗压强度试验、劈裂拉伸强度试验、轴心抗压强度试验、弹性模量试验,研究了沙漠砂替代率从0%～100%变化时沙漠砂混凝土的基本力学性能,并提出了沙漠砂混凝土应力-应变本构方程和损伤本构方程。研究结果表明:随沙漠砂替代率的增加,沙漠砂混凝土立方体抗压强度、劈裂拉伸强度、轴心抗压强度均呈现先减小后增加再降低的趋势;弹性模量、能量耗散能力、延性性能呈现先增加后减小的趋势;其应力-应变全过程曲线的形状与普通混凝土相似,都经历了弹性、弹塑性、屈服破坏的3阶段;应力-应变本构方程和损伤本构方程的计算结果均与试验结果吻合较好。     

材料破坏过程可视化实验教学方法研究

基于数字图像相关技术,提出材料破坏过程可视化的实验教学方法,并以混凝土材料为例,介绍该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果。通过监测混凝土劈拉与压缩破坏过程,分析了该材料破坏模式,揭示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理。应用数字图像相关方法获得试件表面应变场分布,验证了材料破坏机理,并提出适用的破坏强度理论。     

THE VISUAL EXPERIMENTAL TEACHING METHOD FOR MATERIAL FAILURE1)

基于数字图像相关技术,提出材料破坏过程可视化的实验教学方法,并以混凝土材料为例,介绍该方法在劈拉与单轴压缩实验中的应用及其效果。通过监测混凝土劈拉与压缩破坏过程,分析了该材料破坏模式,揭示了混凝土材料劈拉与压缩破坏机理。应用数字图像相关方法获得试件表面应变场分布,验证了材料破坏机理,并提出适用的破坏强度理论。     

液氮作用下煤样结构损伤规律研究

为研究液氮浸泡对低渗煤体结构损伤增透的影响,对不同尺寸煤样进行周期性液氮浸泡实验。通过CT扫描观测煤样浸泡前后内部孔隙、裂隙变化情况,采用高倍照相机观测煤样表面形貌,利用超声测速仪测定煤样波速变化,分析液氮浸泡周期对不同尺寸煤样内部结构损伤规律的影响,提出了液氮作用下煤样损伤模型,解释了液氮作用下煤样损伤机理。结果表明:同尺寸煤样,其内部孔隙率、表面裂隙尺寸及波速衰减率随液氮作用周期数的增加而增大,煤样损伤加剧;同周期浸泡条件下,随着煤样尺寸的增大,液氮作用后的煤样孔隙率逐渐降低;液氮作用周期为1T时,煤样孔隙率增加相对显著,损伤效果明显,1T后煤样孔隙率增加幅度逐渐减小;液氮的超低温作用使煤岩基质收缩,煤岩内部产生新微孔隙,多次作用后,微孔隙发育、扩展和贯通使煤岩出现宏观裂纹并发生破坏。     

全沙漠砂纤维水泥基复合材料单轴受压尺寸效应试验研究

为探究新疆地区全沙漠砂制备水泥基复合材料ECC(engineered cementitious composite)的可行性,并研究全沙漠砂ECC的单轴受压尺寸效应,在对沙漠砂、石英砂和河砂三种骨料制备的ECC宏观力学性能及微观结构分析比较的基础上,重点对5组不同尺寸的沙漠砂ECC试件进行了单轴压缩性能试验。结果表明：在相同的材料配比下,完全使用沙漠砂制备的ECC,其抗压、抗拉以及抗折强度均与其余两种砂制备的ECC相近,沙漠砂ECC中纤维表面较少的附着物和较为完整的形貌对其发挥桥联作用有益;全沙漠砂ECC单轴受压性能具有尺寸效应;提出的高厚比与抗压强度的关系表达式、不同高厚比的应力-应变全曲线模型均与试验结果吻合较好。     

多孔材料孔隙尺寸对渗透系数影响的数值模拟

采用有限元方法数值模拟了多孔材料的孔隙尺寸与等效渗透系数之间的非线性关系.有限元模型中的固体骨架和孔隙根据孔隙率的大小随机生成,模型中的材料参数和单元属性用ANSYS中的APDL参数化语言赋值.根据有限元随机模拟断面的流量分布和稳态渗流问题的达西定律,计算在不同孔隙尺寸的等效渗透系数,研究等效渗透系数与孔隙尺寸之间的关系.计算结果表明,在孔隙率不变的情况下,等效渗透系数与孔隙尺寸的平方成正比,该结论与经验公式相一致.而孔隙尺寸不变的条件下,随着孔隙率的增加等效渗透系数近似呈线性增加.     

有压水环境中的混凝土动态抗压性能试验研究

对有压水环境中的混凝土进行了不同应变速率下的动态压缩试验研究,获得了水压为0~10MPa时的混凝土含水量特征以及不同应变速率下的应力应变曲线。试验结果表明:应变速率不高于10~(-3)/s时,混凝土的应力应变曲线与干燥混凝土的相似,受力状态如同单轴加载;在应变速率为10~(-2)/s时,其应力应变曲线的后半支随水压力增加而提高,与三轴受力状态类似,水压力对混凝土形成了围压效应。混凝土的强度及其动态增强因子随应变速率呈非线性增加趋势,水压力越高则增长速度越快。强度压力增强因子随水压力的变化趋势在不同应变速率下存在差异。在慢速加载时,强度压力增强因子变化幅度为10%,而快速加载时,其随水压力提高而增加,且显著高于慢速加载时的情况。在深入研究混凝土强度动态增强因子和压力增强因子的基础上,构建了有压水环境中混凝土的经验本构模型。该模型考虑了水压力和应变速率共同作用对混凝土强度的影响,与试验数据吻合较好。结合混凝土的含水量特征,进一步分析了不同应变速率下孔隙水对其力学性能影响的作用机理,分析表明含水量不同导致了粘滞应力和超孔隙水压力的差异,从而引起混凝土强度的非线性增长。