高温后玄武岩纤维增强混凝土的动态力学特性

为研究温度、加载速率、纤维掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)动态压缩强度和冲击韧度的影响,利用?100 mm分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对经历不同温度作用后的BFRC进行冲击加载实验。结果表明:高温后BFRC的动压强度及冲击韧度在同一温度下随平均应变率的上升近似线性增大;温度的升高总体上导致BFRC在同一加载速率下的动压强度及冲击韧度减小、应变率敏感性减弱;同一工况下,BFRC的动压强度和冲击韧度较素混凝土普遍提高,且当纤维体积掺量为0.2%时强韧化效果相对最佳。由此可见,高温后BFRC的冲击压缩特性受温度、加载速率、纤维掺量的综合作用影响,掺入玄武岩纤维可以有效降低高温后BFRC的损伤劣化程度。     

爆炸聚能作用下混凝土试件劈裂的高速3D DIC实验

为探寻非钻孔条件下露天爆破大块二次破碎形态的控制方法, 应用线性聚能射流对圆柱混凝土模型试件进行侵彻实验, 使用High-speed 3D DIC(高速三维数字图像相关方法)方法分析试件劈裂发展过程的全场三维形变特征。研究结果表明, 数据分析区内劈裂裂纹扩展速度在4个区间内呈阶梯式变化趋势, 峰值速度为235.52 m/s, 平均速度为140.89 m/s;线性聚能射流侵彻对劈裂裂纹扩展有明显导向作用, 应力集中作用使得劈裂裂纹围绕线性射流侵彻对称轴扩展, 扩展方向变化幅度较小;在劈裂裂纹扩展速度突变的3个时刻, 劈裂裂纹路径产生了3处明显拐点, 在拐点处伴随有支裂纹的产生, 支裂纹的扩展距离均未超过5 cm;主应变集中带形状及分布位置决定了裂纹扩展路径及趋势, 拉应变集中先于裂纹出现, 试件呈现准静态劈裂形态, 劈裂面平整度较高。     

混凝土拉伸断裂的细观数值分析

根据混凝土试件拉伸和三点弯曲的物理模型,用梁-颗粒模型BPM 2D(B eam-Particle M ode l)模拟了混凝土拉伸和三点弯曲试件微裂纹的萌生、扩展直至试件宏观破坏的全过程。在梁-颗粒模型中用三种类型梁单元形成混凝土细观数值模型,每种类型梁单元的力学性质均按韦伯(W e ibu ll)分布随机赋值以模拟混凝土细观结构的非均匀性。数值模拟结果给出了混凝土拉伸应力-应变曲线和三点弯曲载荷-位移曲线,以及混凝土试件破坏过程最大应力分布图和裂纹扩展图。数值模拟结果显示混凝土破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到宏观裂纹产生导致混凝土失稳断裂的过程。通过对数值模拟结果的分析,揭示出混凝土在拉伸条件下裂纹尖端的拉应力集中是裂纹扩展的动力,混凝土组成材料力学性质的非均匀性是造成裂纹扩展路径曲折的重要原因。     

钢纤维混凝土力学性能优化与裂纹扩展特性试验研究

为探究复掺钢纤维下混凝土力学性能和裂纹扩展特性,利用云南会泽某深部矿山现场所取的砂、石、水泥等材料制成不同钢纤维掺量的混凝土试样,通过四点弯曲、劈裂拉伸和单轴压缩等试验获取试样抗折、抗拉和抗压强度,并借助数字图像相关技术(DIC)分析试样破坏和表面应变演化特征,优选出钢纤维混凝土配方应用于矿山竖井衬砌支护。同时对观测图像进行形态学处理,求算裂纹长度与裂纹扩展速度。试验结果表明：相较于对照组,添加钢纤维后混凝土试样的抗拉强度提升了46%～83%、抗折强度提升了24%～39%。钢纤维混凝土配方中,三掺钢纤维配方(40kg/m³长纤维,5kg/m³中长纤维,10kg/m³短纤维)对混凝土抗拉、抗折强度提升效果最佳,对残余强度和韧性指数的提升幅度最大。随着钢纤维尺寸种类的增加,试样位移-荷载峰后曲线斜率逐渐降低,同时混凝土试样内部固结后形成金属网结构的孔隙度降低,混凝土试样表面剥落量和裂纹衍生数量不断减少,到达峰值荷载时试样最大主应变降低。随着钢纤维种类增加,混凝土表面裂纹扩展平均速度减缓,相对起裂应力(起裂应力与峰值应力比值)...     

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.      

巴西圆盘泥岩试件裂纹扩展及应变演化实验研究

为了研究准静态加载条件下岩石试件巴西劈裂裂纹扩展规律,采用MTS试验机进行准静态加载,同时用高速摄像机记录裂纹扩展过程。采用白光数字散斑处理软件对摄像机记录的照片进行处理,得到试件裂纹扩展过程中应变场的演化情况。通过实验和分析可以看出,由于端部效应及加载方式的原因,因此裂纹起裂点在底部加载部位;泥岩试件表面裂纹的平均扩展速度为252m/s;岩石的非均质性即内部微缺陷、微裂纹使得泥岩试样的开裂并不是沿着中心直径方向,而是偏离一定的角度,初始偏离角度约为17°。裂纹扩展过程可以划分为三个阶段:泥岩试件宏观变形阶段(宏观无裂纹)、宏观裂纹稳定扩展阶段、宏观裂纹动态张裂阶段。同时,在裂纹扩展过程中,表面第一主应变场、水平位移场等变化明显,在开裂部位第一主应变最大。通过对圆盘泥岩试件裂纹扩展实验研究,可为研究岩石破裂及其演化规律提供依据。     

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.     

玄武岩纤维高延性水泥基复合材料的动态力学性能

利用玄武岩纤维和水泥基材料，通过一定配比融合制成了在静态拉伸试验中呈现多缝开裂、应变硬化、极限拉伸应变0.5%以上的玄武岩纤维高延性水泥基复合材料(basalt fiber engineered cementitious composites, BF-ECCs)。用分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥基复合材料进行动态压缩和动态劈裂试验。结果表明:(1)在压、拉两种应力状态下,玄武岩纤维对水泥基复合材料的静态强度、动态强度均有增强，且高应变率下玄武岩纤维对抗压强度动态增幅较小，对劈裂强度动态增幅较大；(2) BF-ECC的抗压强度和劈裂强度均随应变率升高而显著提高，两者均可以采用动态增强因子(dynamic increase factor, DIF)反映动态强度的增幅，但劈裂强度的应变率敏感性强于抗压强度；(3)依据试验得到的普通水泥混凝土速率敏感性的CEB-FIP方程(2010)不适用于BF-ECCs。     

UHPFRC圆盘动态劈裂试验及基于μXCT图像的破坏机理研究

采用分离式霍普金森压杆对钢纤维体积分数为0～3%的超高性能纤维增强混凝土（ultra high performance fibre reinforced concrete, UHPFRC）圆盘试件进行应变率为1.72～7.42 s-1的动态劈裂试验,使用高速摄像机结合数字图像相关（digital image correlation, DIC）法获得试件表面裂缝扩展全过程图像和应变演化过程,并对冲击前后试件进行微观X射线计算断层扫描（micro X-ray computed tomography,μXCT）,获得分辨率为56.7μm的三维内部图像,并进行统计和破坏机理分析。结果表明：(1)相比无纤维试件,掺入1%～3%的钢纤维,静、动劈裂强度分别提高84%～131%和47%～87%,动劈裂强度增强因子（即动静强度比值）为1.07～1.72;(2) DIC应变图像分析表明,无纤维试件裂缝集中、破坏快、能耗低;含纤维试件裂缝弥散程度大、能耗高、延性好,且随着纤维含量的提高而提升;(3)μXCT图像分析表明,试件中钢纤维体积分数为1.04%～2.47%,与设计基本一致,孔洞体积分数为0.98%...     

基于3D⁃DIC技术的约束岩石裂缝扩展研究

采用 RMT-301B岩石与混凝土力学实验系统对施加预应力值为峰值强度 20 %、40 %、60 %的泥质白云 岩进行单轴压缩实验,并借助三维数字图像相关技术(3D-DIC)测试系统观测受约束岩石试样的变形和破坏形 态,研究泥质白云岩在约束条件下的位移场和 Tresca应变场的演化过程．结果表明：(1) 岩石的破坏过程是由 内向外扩展,当应力积累超出岩石承受范围后,岩石出现裂纹,随后裂纹尖端继续扩展,应力也发生了重分 布,岩石内部多组裂纹开始联合扩展、贯穿,直到试件发生完全破坏．(2) 含约束岩石在单轴压缩下一共有轴 向劈裂破坏、沿片理破坏、Y形破坏、共轭剪切破坏四种破坏形态,且以轴向劈裂破坏为主     

高温后聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究

采用液压伺服试验系统,对120块不同聚丙烯纤维掺量的混凝土立方体试件进行高温后力学性能试验研究.分析了不同纤维掺量,不同目标温度对混凝土峰值应变、弹性模量、抗压强度等力学性能的影响,此外还探讨了高温后聚丙烯纤维混凝土的表观形态.试验结果表明,高温作用后混凝土试件物理结构发生了很大的变化.随着温度的升高聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土一样,弹性模量与抗压强度都呈下降趋势,并且在300oC以后显著降低,而峰值应变上升.在相同温度下,随着纤维掺量的增加混凝土试件的抗压强度与弹性模量下降,峰值应变升高.通过对试验数据的统计分析,建立了不同掺量下聚丙烯纤维混凝土的相对抗压强度随温度变化的关系式,为聚丙烯纤维混凝土在各种实际工程中的应用提供了一定的参考价值.     

循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土受压性能试验研究

为研究循环荷载作用下聚丙烯纤维再生混凝土(PFRAC)的力学性能，以粗骨料取代率、纤维掺量、加载速率为变化参数，设计了78个圆柱体试件进行单轴循环受压试验。通过试验观察PFRAC的破坏形态，获取了应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、刚度退化等重要指标，研究了不同变化参数对其力学性能指标的影响规律，得到了循环荷载作用下聚丙烯纤维对再生混凝土的阻裂机理。结果表明：循环荷载作用下PFRAC主要发生斜向劈裂破坏；随着聚丙烯纤维掺量的增加，试件表面主裂缝宽度减小；循环荷载下PFRAC试件受压应力-应变曲线包络线与单调受压应力-应变曲线相似；聚丙烯纤维的加入可显著改善PFRAC循环荷载下的力学性能，随着纤维掺量的增加，峰值应力、弹性刚度比先增大后减小；纤维掺量为0.9%时的纤维改性效果最优，峰值应力和峰值刚度比分别提高了4.4%和7.4%。     

纤维混杂效应对混凝土弯曲韧性的改善

本文采用在C30混凝土中以不同的方式掺入玄武岩纤维与聚丙烯纤维,通过对8种单掺纤维混凝土试件和16种混杂纤维混凝土试件的弯曲性能进行试验研究,分析玄武岩纤维、聚丙烯纤维及其混杂纤维对混凝土弯曲力学特征的影响。试验结果表明,玄武岩纤维、聚丙烯纤维及玄武岩-聚丙烯混杂纤维的掺入对基体混凝土弯曲破坏时承受的最大荷载、破坏点挠度值和韧性指数均有很大的改善,其中,混杂纤维优于单掺纤维。混杂纤维对基体混凝土韧性指数提高最大达到18.1%。本文提出"纤维混杂效应函数"概念,并利用Matlab数据拟合出玄武岩-聚丙烯混杂纤维改善基体混凝土弯曲韧性的混杂效应函数。通过对混杂效应函数求极值,得到玄武岩-聚丙烯混杂纤维对基体混凝土弯曲韧性改善的最佳的体积掺加率,该值与试验数据基本一致。     

基于三维数字图像相关的低周疲劳试验研究

为研究三点弯曲试件在低周疲劳载荷作用下,裂纹萌生、扩展与循环周期间的关系以及裂纹区域位移与应变场的变化规律,由万能试验机及数字循环加载控制系统对三点弯曲试件施加循环周期载荷。两组CCD和试验机同步采集记录系列交变载荷作用下试件裂纹周边区域的数字散斑图像及载荷,应用三维数字图像相关(Digital image correlation,DIC)技术计算裂纹尖端区域的位移及应变场。通过对裂尖区域位移、主应变等的分析,获得裂纹扩展长度与扩展率等的变化规律。     

混掺精细钢纤维/PVA水泥基复合材料单轴抗压试验及本构模型研究

通过进行10组30个精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基棱柱体的单轴抗压试验,测得其应力-应变曲线和抗压强度,分析了单掺与混掺情况下纤维掺量对材料抗压性能的影响.试验结果表明:混掺精细钢纤维对提高材料抗压性能有利,包含0.4%精细钢纤维的混掺试件轴心抗压强度较单掺对比组提高了7.5%,峰值应变提高了58%.基于试验数据,建立了适用于精细钢纤维-PVA纤维混杂水泥基材料的轴心受压应力-应变本构模型,模型结果与试验曲线吻合良好.     

3D打印结构加强混凝土短柱抗压力学性能研究

以韧性树脂为材料,采用光固化3D打印技术,制作由若干纵筋和环向箍筋组成的3D打印结构网架,用于加强混凝土材料。混凝土试件为直径100mm,高200mm的圆柱,由M2.5水泥砂浆为基体,配筋率体积比为2.17%。另制作相同尺寸的无加筋素混凝土试件作对比试验。单轴压缩试验结果表明,与素混凝土试件相比,3D打印结构加强混凝土试件的抗压强度提高了53.28%,峰值应变提高了70.22%,极限应变提高了164.66%,峰前吸收能量值提高了134.21%。3D打印结构加强混凝土试件破坏后强度下降比素混凝土试件更缓慢,在破坏形态上,加强后的试件裂纹更窄。本文论证了3D打印结构加强混凝土在工程中应用的可行性。     

玄武岩纤维混凝土的耐碱腐蚀性及力学性能试验研究

玄武岩纤维是一种性能优良的无机材料,可有效改善混凝土的耐腐蚀性能。为研究碱性环境下玄武岩纤维对混凝土耐腐蚀性能的影响规律,本文将10种配合比的100mm×100mm×100mm混凝土试块置于20%NaOH溶液中,每30d记录裂缝发展并测定吸水率变化;每90d进行材料性能试验,测定混凝土抗压强度,同时测定混凝土内部Na离子分布情况,研究其迁移规律。研究结果表明:添加玄武岩纤维能有效抑制混凝土裂缝的产生和发展,有效阻止Na离子的迁移,但是随侵蚀时间增长其阻抗作用呈下降趋势;与普通混凝土相比,添加适量的玄武岩纤维对混凝土性能有较好的提升,但少量或者过量均会产生不利影响;当纤维体积掺量为0.1%时,最为有利。另外,通过研究发现,添加粉煤灰对降低BFRC的吸水率及减缓Na离子迁移并不理想,同时会降低其承载力。本文从宏观现象、微观离子分布及整体力学性能等方面对玄武岩纤维混凝土耐碱腐蚀性能进行了研究,并在试验的基础上提出了碱侵蚀强度衰减模型,为玄武岩纤维混凝土工程应用提供一定的技术支持。     

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．     

Al2O3陶瓷动静态压缩下碎片形貌与破坏机理分析

为探究Al₂O₃陶瓷的宏观力学响应与破坏机理，分别利用材料试验机和分离式霍普金森压杆对其进行准静态和动态压缩实验，同时通过原位光学成像观测试样的破坏过程，并利用同步辐射CT和扫描电镜（SEM）对回收碎片的尺寸和形状以及微观破坏模式进行表征分析。宏观强度数据表明，Al₂O₃陶瓷的抗压强度符合Weibull分布，且与加载应变率呈现指数增长关系。原位光学成像和SEM回收分析共同揭示了动静态加载下裂纹成核与扩展模式存在明显差异。准静态加载时材料微观上更易发生沿晶断裂，宏观表现为劈裂裂纹较少，且倾向于沿加载方向传播并贯穿整个试样；而动态加载时穿晶断裂占主导地位，劈裂裂纹明显增加并发生相互作用，因此在传播过程中容易分叉而形成大量次生裂纹，提高了试样内裂纹密度。这与碎片的CT表征结果一致，即碎片平均球形度和伸长、扁平指数等均随应变率对数线性增加。破坏模式的改变最终导致高应变率下陶瓷材料应变率敏感性显著增强。     

基于主应变场的混凝土全表面开裂特征实时测量与分析

测量裂纹的扩展过程对于揭示混凝土结构的破坏机理和评价其力学性能十分重要. 本文提出了一种基于混凝土表面变形场的裂纹定位和宽度测量方法, 首先基于多相机数字图像相关方法得到混凝土试件表面的高分辨变形场, 发现开裂引起的位移梯度使裂纹附近的虚主应变场明显区别于未开裂处, 且主应变场在裂纹法线方向近似高斯分布. 借鉴在激光条纹中心线定位中广泛采用的Steger算法思想, 提出了基于主应变场的裂纹定位方法, 并将裂纹两侧位于法线上的面内位移向量做差沿裂纹法线方向上的投影为Ⅰ型裂纹宽度, 沿裂纹切线方向上的投影为Ⅱ型裂纹宽度, 最终得到了裂纹每一点的位置和宽度. 利用高精度平移台设计了模拟裂纹扩展的实验, 以验证Ⅰ型裂纹宽度的测量精度. 实验结果表明: 裂纹宽度的测量误差在0.010 ~ 0.017像素之间, 与理论预测相符; 测量误差的标准差在0.006 ~ 0.008像素之间, 测量结果比较稳定. 在同等分辨率下, 本文方法的测量精度优于基于图像的裂纹测量方法. 本文提出的方法可以全自动、实时地测量裂纹扩展, 为混凝土实验提供了一种可靠、精确的全场裂纹测量手段.