CT技术在混凝土细观损伤检测中的应用

应用X射线CT技术无损检测混凝土内部结构和裂纹演化过程,是对混凝土细观裂纹演化规律的分析和研究.详细总结了目前CT技术在混凝土破损过程中的实时动态观测、CT图像分析、裂纹演化规律、损伤演化与损伤变量分析、混凝土三维图像重建等方面的应用进展.结论表明:CT技术是研究混凝土细观损伤演化过程的有效观测手段,并指出混凝土CT试验目前存在的问题是如何获得各种试验条件下精确的CT图像及其成果的应用研究.     

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看, 混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料. 单轴准静态加载条件下, 应力应变曲线表现出明显的准脆性特征. 其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程, 研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程. 声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息. 本文基于声发射技术, 结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析, 反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向, 揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制. 结果表明: 裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生, 之后聚集形成局部损伤区域, 并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向); 裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量, 初始裂纹成核时体积参数较小, 峰值载荷时, 裂纹运动体积最大达到$5.93\times10^{-4}$ mm$^{3}$; 混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹; 拉伸裂纹最多, 占裂纹总数约为60%, 剪切裂纹最少, 约占裂纹总数的10%; 拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.      

基于声发射矩张量分析混凝土破坏的裂纹运动

从细观上看,混凝土是一种由骨料、水泥浆基体、裂纹等组成的非均匀复合材料.单轴准静态加载条件下,应力应变曲线表现出明显的准脆性特征.其变形破坏过程实质上是内部微裂纹产生、扩展和汇合的过程,研究细观尺度的裂纹扩展演化将有助于深入了解混凝土的变形和破坏过程.声发射作为一种物理检测方法可以获取材料内部细观损伤演化的物理信息.本文基于声发射技术,结合改进的时差定位算法和矩张量理论对声发射信号进行分析,反演了混凝土巴西劈裂破坏中裂纹位置、裂纹类型以及裂纹面运动方向,揭示了混凝土宏观拉伸破坏的细观裂纹扩展机制.结果表明:裂纹运动过程清晰地显示了混凝土内裂纹源首先在试件与载荷接触面附近产生,之后聚集形成局部损伤区域,并沿轴线向中心扩展(加载平面)以及裂纹从试件中间向表面扩展的动态过程(厚度方向);裂纹运动体积可以作为裂纹形成、扩展过程中弹性能释放的度量,初始裂纹成核时体积参数较小,峰值载荷时,裂纹运动体积最大达到5.93×10-4 mm3;混凝土宏观尺度的拉伸破坏在细观尺度上存在有拉伸裂纹、混合裂纹以及剪切裂纹;拉伸裂纹最多,占裂纹总数约为60%,剪切裂纹最少,约占裂纹总数的10%;拉伸裂纹运动主导了试件的宏观劈裂破坏.     

混凝土单轴压缩下细观损伤特性的CT研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文利用CT技术对混凝土的细观损伤过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件实时静力压缩CT图像,提取出图像上各点的CT数并根据分区理论定义了一个基于CT数的统计损伤变量.通过对图像和CT数以及损伤变量的分析表明混凝土试件在静力压缩条件下经历了压密阶段、扩容阶段,损伤急剧增大到破坏的细观损伤演化全过程,以此反映了混凝土细观损伤演化的特性.进而通过细观损伤对混凝土材料裂纹的扩展、贯通以及最后失稳破坏的破坏实质进行了有益的探索.     

基于细观力学的混凝土数值模型研究

详细分析了界面单元模型、接触面单元模型、CT图像三维重建模型三种细观混凝土数值模型的优缺点,并将数值计算结果与物理试验结果进行了对比.结果表明:混凝土接触面模型克服了界面单元模型中的界面层太厚、计算单元多、计算速度慢的弊端,且解决了原模型裂纹空洞区大的问题;而CT图像三维重建模型与实际物理模型能够一一对应,可以弥补传统随机混凝土骨料模型的不足.不仅可以使混凝土数值模型更接近于实际物理模型,而且可以较好地反映出了混凝土材料内部的力学特性.CT三维重建模型可为最终能够深入研究混凝土材料的细观破损机理开辟新的途径.     

金属材料中低加载速率下的动态韧脆转变及断裂韧性测量

金属材料在冲击下的韧脆转变现象和动态断裂韧性的测量是金属材料冲击力学性能研究的重要组成部分.针对金属材料在冲击下的韧脆转变现象认识不足和韧性材料在较低加载率下动态$J$-$R$阻力曲线难以测量的现状,提出了采用高速材料试验机, 设计专用试验夹具,测量15MnTi钢和11MnNiMo钢在不同加载速率下的韧脆转变过程,以及裂尖约束对其动态韧脆转变速率变化的影响.在高速材料试验机上采用上夹具辊刹车,通过调节压缩杆长度改变试验中裂纹扩展量的试验方法,测量了15MnTi钢三点弯曲试样件在较低加载率下的动态断裂韧性.试验发现15MnTi钢CT试验件加载速率低于0.025 m/s时呈现出韧性断裂的特点,加载速率在0.1,$\sim$,0.5 m/s时为韧脆结合型断裂,加载速率高于0.5 m/s后进入脆性断裂区; 11MnNiMo钢CT试验件加载速率大于1.5 m/s后,分层断裂过程中出现先脆断后韧段的现象;发现15MnTi钢和11MnNiMo的动态韧脆转变速率受裂尖约束的影响非常明显,面内约束和面外约束的升高都会导致材料动态脆断速率出现明显降低;还发现三点弯曲试验中, 15MnTi钢在8788 MPa$\cdot$mm/s加载率内断裂韧性随加载率的提升呈现出缓慢下降的趋势.      

低速冲击下混凝土少筋梁断裂性能

动态加载下,混凝土中钢筋的阻裂性能一直是冲击动力学研究领域的难点之一。利用落锤试验机对含缺口的混凝土少筋梁进行三点弯曲试验,分析了不同加载速率下梁的冲击力、跨中挠度、混凝土起裂应变率和钢筋应变。实验结果表明:在一定加载速率范围内（0.885～1.252 m/s）,混凝土预制裂缝尖端的裂纹起裂应变率、冲击力最大值、跨中挠度峰值与加载速率呈线性增长关系,当加载速率增至1.771 m/s时,增长趋势减弱;冲击力卸载时,钢筋部分弹性变形恢复导致裂纹产生闭合,裂纹嘴张开位移逐渐减小至恒定值,对裂纹嘴张开位移峰值前的部分曲线进行拟合后得到裂纹嘴张开位移率,结果表明裂纹嘴张开位移率随加载速率的提高而线性增大。     

三轴压缩岩石细观损伤扩展特性CT实时检测

利用作者最新研制的与CT（computerized tomography)机配套的专用加载设备,完成了三轴压缩荷载作用下岩石破坏全过程的细观损伤扩展规律的实时CT检测试验。得到了在不同荷载作用下岩石中微孔洞被压密、微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏、卸载等各个阶段清晰的CT图像。对得到的CT数、CT图像等数据进行了分析,引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,定义了一个基于CT数的损伤变量,基于岩石细观损伤演化CT试验的结果,给出了岩石应力损伤门槛值,将岩石应力应变全过程曲线分为5段,得到了岩石损伤扩展的初步规律。     

单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的CT试验研究

混凝土是一种非均质的材料,在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面组成的三相复合材料.本文在对混凝土进行单轴压缩试验的基础上,根据CT扫描图像反映的细观破损过程,分析了基于CT数平均值变化规律的特点;将混凝土材料的损伤过程进行了分段,提出了损伤变量的提取方法.随后结合试验得到的宏观应力应变曲线,经过拟合得到...     

轻质泡沫混凝土的劈裂破坏力学行为分析

利用平台巴西圆盘加载方式和钢质压条加载方式,对两种厚度为25mm和50mm、不同密度的轻质泡沫混凝土(400～1000kg/m3)进行巴西圆盘劈裂试验,研究密度和厚度对泡沫混凝土裂纹宽度、劈裂强度、断裂韧度、断裂能的影响规律。结果表明,在橡胶垫平台巴西圆盘和钢质压条加载方式下,其劈裂断裂特征大致分为四个阶段:线性弹性段、非线性弹性段、起裂阶段、失稳阶段。同样加载率下最大裂纹宽度随着泡沫混凝土密度增加逐渐减小,劈裂拉伸强度、断裂韧度、断裂能呈幂函数形式增加。借鉴Reinhardt非线性软化曲线,对不同密度泡沫混凝土的应力软化关系进行曲线拟合,建立基于拉伸强度、断裂韧度等控制参数的应力-裂纹宽度关系三段式模型。基于试验结果,对理想多孔材料细观力学预测模型进行修正,获得泡沫混凝土孔隙率与拉伸强度的半经验公式。     

应用新型动光弹系统研究某设备受冲击载荷作用

结构受到冲击时,其应力分布与在静荷载作用下完全不同.本丈应用新型动光弹实验系统研究了某设备在冲击载荷作用下其内部动态应力分布情况.该系统由部分传统的动光弹实验装置、高速摄影系统和数字光弹图像处理系统组成,并且采用激光光源、落锤冲击载荷加载装置.加工制作了该设备模型的光弹性模型,应用到冲击载荷作用下的实验研究中,得到了该...     

混凝土动态破坏过程超声波测试研究

混凝土在荷载作用下会产生损伤或破坏,用超声波的方法可测量损伤或破坏的程度。但在荷载作用下混凝土的破坏是一个动态过程,由于测试面发生变形,使常规超声波测试无法完成。本文研制了一个混凝土材料破坏过程超声波测试辅助装置,结合原有的非金属材料超声波检测仪,使测试混凝土材料动态破坏过程成为可能。同时通过辅助装置还可消除试件在破坏过程中由于变形带来的测试误差,可方便、快捷、准确地测试混凝土在荷载作用下的动态破坏过程。采用常规混凝土和冻融混凝土为试件,在材料万能试验机上进行了破坏实验,得到了不同荷载作用下超声波的波速。实验结果表明,混凝土的超声波波速随混凝土的破坏程度不断增大而减小,由此表示可采用超声波测试的方法确定混凝土的动态破坏过程。     

高强混凝土动态压缩试验分析

准确测量混凝土动态压缩性能及其应变率强化效应一直是冲击动力学研究领域的重点和难点之一。针对混凝土大口径SHPB实验，分析探讨了其中几个主要问题:应力均匀性问题、恒应变率问题和端面接触问题。研究表明:对于此次试验中混凝土试件而言，应力均匀性假设限制试验最大应变率小于166 s?1；杆和试件端面接触不平和接触不良使得测算出的杨氏模量和屈服强度明显小于实际值；在此基础上，给出了五步测试法和预应力法；利用复合整形技术实现了近似恒应变率加载。利用以上所发展和改进的技术得到了C110混凝土动静态应力应变曲线，结果显示，在试验范围内混凝土杨氏模量并没有应变率效应，其单轴压缩屈服强度与应变率对数呈线性正比关系，其唯象应变率强化因子为0.10。理论分析表明，大口径SHPB试验所得混凝土应变率效应是一种唯象效应，对于混凝土类压力敏感屈服材料而言，应该根据其屈服面方程对其进行校正，从而得到其本构方程中材料的应变率强化因子，分别利用Tresca屈服准则和K&C本构中屈服面方程对其进行校正，得到C110材料的真实应变率强化因子分别为0.015和0.038。     

冲击拉伸实验装置的研制及其试验研究

材料动力学试验技术远比准静态力学中的复杂,为了模拟各种速率的冲击加载过程,试验装置设计就成为关键问题之一.特别是针对材料动态拉伸性能的测试,目前的冲击拉伸装置还没有统一标准,因此本文基于一维弹性应力波原理设计了一套双气室间接杆-杆型冲击拉伸试验装置.该装置采用了双气室对称布置的方式,通过气体转换器实现气路的转换,克服了现有气动式冲击拉伸设备结构复杂、密封要求严格的缺点.本文利用该装置对2A12T4铝合金试件的冲击拉伸性能进行了测试,并数值分析了应力波在杆系和试件中的传播效应.通过试验测试和数值分析论证了该冲击拉伸装置实验的可靠性和设计的合理性.     

钢筋混凝土结构破坏过程的近场动力学模拟

采用近场动力学(Peridynamics,PD)方法对钢筋混凝土结构破坏过程进行模拟,在"键"型近场动力学模型的基础上,考虑物质点对间的转动以突破泊松比的限制,采用能够描述混凝土材料的拉压异性和断裂特征的损伤模型,引入动态松弛、分级加载、平衡收敛准则和冲击接触等算法,建立了能准确描述钢筋混凝土结构破坏的近场动力学模型。模拟了钢筋混凝土梁在不同荷载作用下破坏的全过程,裂纹扩展路径以及最终破坏形式均与试验结果吻合,为解决工程结构破坏问题提供了一种有效的方法。     

平面应变下紧凑拉伸试样的动态断裂韧性的实验研究

材料的动态断裂韧性是衡量材料在动载荷作用下抵杭裂纹扩展能力的重要指标,以往的材料动态断裂韧性测试多采用三点弯曲试样,而针对紧凑拉伸试样的动态断裂韧性研究很少.本文将紧凑拉伸试样(即CT试样)简化成等效弹簧质量模型,得到了CT试样动态应力强度因子的近似表达式.对Hopkinson压杆装置进行了改进,利用改进后的实验装置进...     

静动组合载荷下混凝土率效应机理及强度准则

混凝土结构在受到动载荷作用之前,通常已承受着初始静载荷的作用.大量关于混凝土应变率效应的研究均没有考虑初始静载荷对动强度的影响,会导致过高地估计混凝土的动强度,使混凝土结构设计偏于危险.本文通过分析混凝土材料在静动组合载荷下的率效应机理,给出了初始静载荷的定义.在此基础上,推导了混凝土材料参数与初始静载荷和应变率的表达式,提出了建立静动组合强度准则的一般方法.通过材料参数反映初始静载荷与应变率的联合影响,给出了由初始有效静载荷、动态黏聚强度和摩擦强度共同组成的混凝土动态强度,将广义非线性强度准则发展为静动组合多轴强度准则.建立的强度面在相同初始静载荷下随应变率的增大向外扩张,在相同应变率下随初始静载荷的增大向里收缩,即混凝土的强度在相同初始静载荷下随应变率的增大而增大,在相同应变率下随初始静载荷的增大而减小.此外,当初始静载荷和应变率不变时,加载路径对混凝土材料的应变率效应无影响,但会影响混凝土材料的静水压力效应,即当初始静载荷和应变率固定不变时,静动组合强度面的位置和大小即可确定,不同加载路径下强度的不同是由于静水压力效应导致的.最后利用多组混凝土材料静动组合强度试验对建立的静动组合强度准则进行了验证.     

混凝土压缩性对SHPB试验中惯性效应的影响

惯性效应是造成大尺寸的SHPB试验中混凝土试件应力不均匀和多轴性的主要原因。本文分析了SHPB试验中的惯性效应规律,给出了可考虑混凝土压缩性的改进Gorham惯性效应公式。进一步结合SHPB系统混凝土试验的加载过程,利用改进公式对试验进行了计算分析,与试验比较结果表明：建议的惯性效应改进公式对实际混凝土SHPB试验的考虑更为合理和全面。     

Process zone and acoustic-emission measurements in concrete

It is necessary to study the microlevel failure mechanisms of a material in order to improve its quality and to develop a rational constitutive model to describe the material. Nonlinearity and strain-softening behavior of concrete has to be incorporated into any model which can be implemented into efficient design. Acoustic-emission (AE) techniques are useful for obtaining information pertaining to internal cracking and investigating the applicability of a particular material model.The process of localization of cracks and movement of the fracture process zone was studied using acoustic-emission techniques. The rate of acoustic-emission events and sources of acoustic-emission activity were studied for plain-mortar and model-concrete specimens loaded in direct tension.The study shows that acoustic-emission events localize to a region near the notch before peak load is attained. The region of activity progresses through the specimen during further loading and subsequent strain softening. Acoustic-emission events were used to locate the fracture-process zone (FPZ), and to check this location against the location of the effective crack tip as evaluated by a modified linear-elastic fracturemechanics model for concrete as well as by microscopical observations.Paper was presented at the 1986 SEM Spring Conference on Experimental Mechanics held in New Orleans, LA on June 8–13.