骨料类型对再生混凝土力学特性的影响研究

为了研究骨料类型对再生混凝土力学性能的影响,以再生粗骨料种类和取代率为变化参数,设计了198个再生混凝土试块,分别进行了立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量、泊松比等力学性能试验,获取了试件受力破坏全过程的应力-应变曲线以及峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊松比等特征参数。基于试验数据,从位移延性、能量耗散、损伤过程、本构关系等方面分析了骨料类型对其破坏机理和力学性能的影响。试验结果表明:再生卵石混凝土的延性系数与耗能系数均值都比再生碎石混凝土大5%,前者的力学性能指标略好,变形性能更优,损伤过程也更为缓慢,而骨料类型对再生混凝土的能量耗散能力无明显影响。最后提出了不同骨料类型再生混凝土应力-应变本构方程,研究结果可供再生混凝土的进一步科学研究和工程应用提供参考。     

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．     

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。     

陶瓷再生粗骨料混凝土力学性能研究

采用硅烷偶联剂KH-550溶液浸泡陶瓷再生粗骨料,改变其表面性能,从而增强陶瓷骨料-水泥石界面的粘结性能。使用处理后的陶瓷骨料制备陶瓷再生混凝土,并对其进行了立方体抗压强度试验和弹性模量测试。结果表明:随着陶瓷粗骨料掺量的增加,再生混凝土的强度降低;当掺量为60%时,再生混凝土的弹性模量较原碎石混凝土提高了3.2%;当掺量为100%时,再生混凝土抗压强度仍然满足要求。     

GFRP管型钢再生混凝土组合柱轴压性能及承载力计算

通过对11根玻璃纤维(GFRP)管型钢再生混凝土组合柱的静力加载试验以研究其轴压性能,主要考虑再生粗骨料取代率、配钢率和长细比、再生混凝土强度等级等设计参数,重点分析试件破坏过程及形态、荷载-位移曲线、荷载-应变曲线和承载力等。结果表明:各试件试验过程及破坏形态相似,型钢先发生屈服,随后内部再生混凝土被压碎,最后外部GFRP管纤维撕裂破坏;试件轴压承载力随着取代率和长细比的增大而逐渐减小,其最大降幅分别为10.8%和9.5%;提高配钢率和再生混凝土强度对组合柱的轴压承载力是有利的,其最大增幅分别为14.1%和6.1%。在GFRP管的约束作用下,内部型钢再生混凝土处于三向受压状态,组合柱的承载力得到了显著提高。在此基础上,采用叠加原理并考虑再生粗骨料取代率及长细比的不利影响,提出GFRP管型钢再生混凝土组合柱的轴压承载力计算公式,计算值与试验吻合较好。     

再生骨料透水混凝土抗压性能及透水性能试验研究

通过掺30%再生骨料和未掺再生骨料两种透水混凝土的抗压性能及透水性能对比试验,研究了水灰比、骨料粒径、砂率等因素对其抗压性能和透水性能的影响,确定了按体积法配制的合理性和最佳配合比。试验结果表明,采用5~10mm的骨料粒径、水灰比为0.3和目标孔隙率为15%时,掺30%再生骨料和未掺再生骨料两种透水混凝土抗压强度分别达到18.0MPa和19.2MPa,且透水系数均大于5mm/s。基于上述试验结果,分析了掺30%再生骨料和未掺再生骨料两种透水混凝土孔隙率与透水系数及抗压强度之间的关系,表明它们之间存在着相关性良好的函数关系,即可以通过调整孔隙率的大小来平衡抗压强度与透水系数,使之均满足实际工程要求。     

基于修正压力场理论的再生混凝土梁抗剪承载力计算方法研究

基于修正压力场理论分析有腹筋再生混凝土梁的剪切破坏机理,建立了更接近有腹筋再生混凝土梁实际受力的抗剪模型,并通过考虑再生骨料有效粒径和受箍筋作用下的裂缝宽度与构件裂缝处应力的联系,分析了再生骨料咬合力对梁斜截面抗剪性能的影响,提出了再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法。此外,本文将理论结果与课题组自制的6根再生混凝土梁的抗剪承载力试验结果进行了对比,理论值与试验值吻合较好,验证了本文方法的有效性,从而为设计人员提供了一种预测再生混凝土梁极限抗剪承载力的计算方法。     

再生碎石混凝土力学性能试验研究

针对再生粗骨料为碎石的再生混凝土,设计了99个试件,分别进行立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、抗折强度、弹性模量和泊松比等力学性能的试验。本文研究了再生混凝土的强度指标、变形性能、损伤过程、能量耗散等特征,分析了骨料取代率对其各性能指标的影响;基于试验数据,得出各强度性能指标的换算关系;分别采用分段式本构关系模型和损伤本构关系模型对再生混凝土的应力-应变本构关系进行研究,并提出相应的本构方程。研究结果表明:与天然骨料混凝土相比,再生混凝土的各项强度指标均略为增大,但变形性能和耗能性能降低,应力-应变全曲线下降段更为陡峭;随着取代率的增大,弹性模量呈先减小后增大的变化趋势,泊松比无明显变化,与天然混凝土接近;其损伤发展过程加快,应变在ε=(3~5)×10-3时最为迅速。分段式本构方程和损伤本构方程的计算结果与试验值均能较好地吻合。     

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。     

混凝土冲击破坏动态力学及能量特性分析

动强度和能量耗散规律是研究混凝土动力特性的主要内容。为探究混凝土在冲击荷载作用下的动态力学、变形以及能量演化特征,利用直径为100 mm的霍普金森杆装置对骨料率为0、32%、37%和42%的混凝土试样,分别进行了冲击速度为5、6、7 m/s的冲击压缩试验。探讨了冲击速度和骨料率对试样变形、动强度以及分形维数的影响,建立了动强度关于冲击速度和骨料率的表达式,并对试样吸收能和裂纹表面能之间的关系进行了对比分析。结果表明:混凝土试样破坏时出现了变形滞后现象,破坏形式主要以劈裂拉伸破坏为主;动强度随冲击速度、骨料率的增大而增大,用所建动强度公式可以较好地预估混凝土动强度;混凝土破坏碎块分形维数、吸收能和裂纹表面能均随冲击速度的增大而增大,随骨料率的增大而减小,且吸收能始终高于裂纹表面能,当骨料率为37%时,吸收能转化率最高,约91%转化为裂纹表面能。     

取代率对钢管再生混凝土短柱轴压性能退化的影响分析

为了揭示再生粗骨料含量对钢管再生混凝土短柱轴压性能退化的影响,以再生粗骨料取代率级差10%作为主要变化参数,分别进行了22组圆钢管试件(以直径90mm和110mm为次要变化参数)和11组方钢管试件的轴心受压试验,从组合轴压刚度退化、损伤以及耗能的角度分析了再生粗骨料取代率对其性能衰减的影响程度。研究结果表明:钢管再生混凝土短柱在非弹性阶段的退化特性大致表现为负指数函数的形式;再生粗骨料取代率较高时的轴压损伤累积比取代率较小的试件快;对于含钢率低、套箍系数小的圆钢管试件,其全过程耗能因子降低较快且变得较小;再生粗骨料取代率超过50%后,钢管再生混凝土的轴压终值耗能因子均随取代率的增加而降低。     

矩形中空夹层再生混凝土钢管短柱轴压试验研究

以截面形式、截面长宽比和混凝土类型为参数共设计了8根矩形中空夹层钢管混凝土试件,对其进行轴压实验并对其破坏形态、荷载-纵向应变关系曲线及外钢管横向应变发展规律进行分析。其中截面形式包括矩形套矩形和矩形套圆形两种,截面长宽比分别为1.25和1.5,混凝土类型包括普通混凝土和再生混凝土(再生粗骨料取代率为50%)两类。结果表明:对于截面形式相同的试件,长宽比较大者极限承载力更小,且其长边横向应变发展更快;对于长宽比相同的试件,矩形套矩形截面的试件长边横向应变发展比矩形套圆形截面的更快;混凝土类型对试件的极限承载力和破坏形态影响不大。最后运用有限元软件ABAQUS对8根短柱的轴压全过程进行模拟,并将有限元计算得到荷载-纵向应变曲线与实验实测曲线进行对比,两者吻合较好且互相验证。     

方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能非线性分析

在方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴心受压试验研究的基础上,选择合理的再生混凝土和钢材本构模型,结合现有结构非线性分析理论,采用Abaqus有限元软件建立该组合短柱的有限元模型,并对该短柱轴压性能进行全过程非线性分析。主要研究其破坏形态、应力分布及荷载-应变关系曲线,分析再生骨料取代率、方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度对该短柱轴压性能的影响规律,并将其与试验结果进行对比,同时对短柱进行有限元参数分析。结果表明,有限元计算结果与试验结果吻合较好,该有限元模型能较好地模拟方钢管型钢再生混凝土组合短柱轴压性能;组合柱轴向承载力随再生骨料取代率的增加而有所降低,而随方钢管宽厚比、型钢配钢率和再生混凝土强度的增加而增加。总体上看,该组合短柱承载力高,变形能力较好,研究结论可为方钢管型钢再生混凝土组合柱的工程应用提供一定参考。     

圆钢管型钢再生混凝土短柱偏压力学性能退化研究

为研究圆钢管型钢再生混凝土短柱在偏压荷载作用下的性能退化,进行了10个短柱试件偏心受压试验。主要分析了再生粗骨料取代率、圆钢管径厚比、型钢配钢率和偏心距等参数对试件的荷载-挠度曲线、变形能力、刚度退化及耗能能力的影响。结果表明:该短柱具有较高的承载力和抗弯刚度;与普通混凝土相比,取代率的增加对短柱的承载力和变形是不利的,试件的挠度变形随着取代率的增加而增大,再生粗骨料取代率为100%的试件偏压承载力降低了8.98%,试件刚度退化速率随着取代率的增加而加快,耗能能力逐渐降低;试件的挠度变形随着圆钢管径厚比的增大或型钢配钢率的减小而增大;试件刚度退化速率随圆钢管壁厚、型钢配钢率的增加逐渐变慢,耗能能力增强;另外,偏心距对试件偏压性能影响较为显著,随着偏心距的增大,试件刚度退化和承载力降低更加明显。     

拉伸载荷下混凝土体分形内聚模型

在综合考虑混凝土试件微断裂面分形分布及断面分形演化基础上,提出了体分形内聚模型,用于描述混凝土试件在准静态拉伸载荷作用下的破坏行为。数值计算结果与现有实验数据吻合较好。此外,采用该模型分析了混凝土骨料级配对材料软化性质的影响。结果表明,在拉伸载荷作用下,混凝土骨料级配越均匀,材料的软化特征越明显。     

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.      

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.