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设计定量几何结构试件预测混凝土结构断裂特性

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工程力学 2022年

作者：管俊峰马越何双华姚贤华李列列陈珊珊贾胜华北水利水电大学土木与交通学院

本文采用描述试件尺寸、裂缝长度、前后边界、加载型式等耦合影响的几何结构参数ae，替代传统尺寸效应理论所用的单一试件尺寸W，阐释了混凝土强度与断裂特性尺寸效应的细观物理机制。不拘泥于实验室条件下试件尺寸、裂缝长度、加载型... 详细信息

本文采用描述试件尺寸、裂缝长度、前后边界、加载型式等耦合影响的几何结构参数ae，替代传统尺寸效应理论所用的单一试件尺寸W，阐释了混凝土强度与断裂特性尺寸效应的细观物理机制。不拘泥于实验室条件下试件尺寸、裂缝长度、加载型式等条件的选取限制，发展建立了由任意两组ae比值等于3的设计试件，来确定混凝土无尺寸效应的真实断裂与强度参数的模型与方法。基于所提方法，由ae比值等于3的设计试件，建立起混凝土不同断裂模式的转换曲线，其±15%即可涵盖实验室条件下的试件测试结果；将实际结构的等效面积代入所提解析公式，可预测大尺寸实际结构的峰值荷载。本文的研究内容搭建了实验室条件下与现场条件下确定混凝土真实材料性能的纽带；实现了由定量的不同几何结构的实验室试件，准确预测现场混凝土结构真实断裂性能的目的。

关键词：混凝土几何结构参数实验室条件实际结构断裂韧度拉伸强度

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强盐沼泽区干湿循环作用下桥梁桩基腐蚀损伤

交通运输工程学报 2023年第6期23卷 156-167页

作者：冯忠居陈慧芸王富春胡海波徐占慧姚贤华长安大学公路学院陕西西安710064 西华大学建筑与土木工程学院四川成都610039 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心浙江杭州310058 青海省公路科研勘测设计院青海西宁810008 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

为探明干湿循环与强盐沼泽腐蚀作用下桥梁桩基混凝土材料损伤机理,通过室内模拟试验,研究了不同材料质量比的混凝土浸入不同浓度复合盐溶液,经干湿循环后的质量损失率、相对动弹性模量和抗侵蚀系数;基于扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS... 详细信息

为探明干湿循环与强盐沼泽腐蚀作用下桥梁桩基混凝土材料损伤机理,通过室内模拟试验,研究了不同材料质量比的混凝土浸入不同浓度复合盐溶液,经干湿循环后的质量损失率、相对动弹性模量和抗侵蚀系数;基于扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和化学成分分析相结合的方法,研究了桩身混凝土抗腐蚀微观机理。研究结果表明:经干湿循环后混凝土质量增长是因为在材料内部生成了钙矾石、Friedel盐等膨胀性晶体,氯盐的存在能够抑制硫酸盐对于桩基混凝土的侵蚀作用;复合盐溶液浓度不同时,经过120次的干湿循环后,水泥、碎石、砂子、水、粉煤灰、减水剂、硅灰、膨胀剂质量比为327∶1103∶767∶170∶87∶7∶22∶44(质量比Ⅲ)的桩基混凝土试件的相对动弹性模量为92.7%,抗侵蚀系数最小为0.91,而在未添加硅灰和膨胀剂的质量比与仅添加硅灰的质量比下桩基混凝土试件的相对动弹性模量最大为89.7%,抗侵蚀系数最小为0.80,质量比Ⅲ的桩基混凝土试件的抗侵蚀性能较好,桩基混凝土试件受到膨胀力但内部未产生裂缝,说明添加硅灰和膨胀剂提升了桩基混凝土的抗侵蚀能力且可以确保桩基混凝土不产生裂缝。可见,实际工程中可综合考虑区域内腐蚀性离子类别等因素,在质量比Ⅲ的基础上进一步优化桩基混凝土的质量比。

关键词：桥梁工程强盐沼泽区桩基腐蚀损伤机理室内干湿循环试验抗侵蚀系数

水泥砂浆断裂韧度与强度的边界效应和尺寸效应

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建筑材料学报 2018年第4期21卷 556-560,575页

作者：管俊峰姚贤华白卫峰谢超鹏华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045

通过不同尺寸水泥砂浆试件的三点弯曲试验及强度试验,研究了水泥砂浆断裂韧度与强度等材料参数的边界效应和尺寸效应.结果表明:对于强度参数,随着试块尺寸的增加,强度指标逐渐降低;对于断裂参数,若不考虑虚拟裂缝扩展,试件高度H需达到0.... 详细信息

通过不同尺寸水泥砂浆试件的三点弯曲试验及强度试验,研究了水泥砂浆断裂韧度与强度等材料参数的边界效应和尺寸效应.结果表明:对于强度参数,随着试块尺寸的增加,强度指标逐渐降低;对于断裂参数,若不考虑虚拟裂缝扩展,试件高度H需达到0.47m才能满足线弹性断裂力学条件;若考虑峰值荷载时的虚拟裂缝扩展,则试件高度H为0.50m时,才接近但仍不能完全满足线弹性断裂力学条件.为了区别于现有尺寸效应模型关注的"绝对尺寸",提出了"相对尺寸"的概念,用来研究确定材料参数的尺寸效应.重点考虑砂浆颗粒尺寸对材料准脆性断裂的影响,给出了满足线弹性断裂力学条件、无尺寸效应的水泥砂浆断裂韧度及弯曲抗拉强度的确定方法.

关键词：砂浆边界效应尺寸效应断裂韧度强度相对尺寸

考虑高温劣化效应的混凝土统计损伤本构模型研究

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应用基础与工程科学学报 2020年第6期28卷 1397-1409页

作者：白卫峰韩浩田管俊峰姚贤华华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450046

基于统计损伤理论,本文建立了考虑高温劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型.假设混凝土受压方向损伤由侧向拉应变控制,且在细观层面存在断裂、屈服两种损伤模式.高温劣化效应改变了混凝土微结构组成成分和力学性能,改变了微裂纹... 详细信息

基于统计损伤理论,本文建立了考虑高温劣化效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型.假设混凝土受压方向损伤由侧向拉应变控制,且在细观层面存在断裂、屈服两种损伤模式.高温劣化效应改变了混凝土微结构组成成分和力学性能,改变了微裂纹萌生、扩展的形态和规律;上述影响可通过损伤模型中5个特征参数表征.通过理论预测和试验结果分析,探讨了混凝土高温劣化的物理化学机理、细观损伤演化机制以及宏观非线性力学行为之间的内在联系.结果表明:在高温环境下,温度的不同显著改变了混凝土微结构力学特性以及单轴压缩过程中细观损伤的累积演化规律,最终导致混凝土宏观力学性能呈现劣化的现象.以400℃为界,将高温环境划分为低中温区和高温区,混凝土劣化过程分别由不同的物理化学反应所主导,同时微结构力学特性和细观损伤的演化过程均表现出明显不同的规律性.

关键词：混凝土单轴压缩高温细观损伤机制本构模型应力-应变曲线

煤矸石粗骨料混凝土力学及耐久性能的研究进展

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工业建筑 2023年第1期53卷 212-222页

作者：杨彪姚贤华何双华管俊峰李列列李月华北水利水电大学土木与交通学院郑州450045 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室(西安理工大学) 西安710048

煤矸石是我国排放量最大的固体废渣之一,将煤矸石作为粗骨料应用在混凝土中,符合绿色环保节能减排的理念,并受到建筑行业和研究人员的广泛关注。通过对煤矸石粗骨料混凝土研究进展的总结,介绍了我国不同地区煤矸石的化学组成和物理性质... 详细信息

煤矸石是我国排放量最大的固体废渣之一,将煤矸石作为粗骨料应用在混凝土中,符合绿色环保节能减排的理念,并受到建筑行业和研究人员的广泛关注。通过对煤矸石粗骨料混凝土研究进展的总结,介绍了我国不同地区煤矸石的化学组成和物理性质,总结了煤矸石粗骨料掺量对混凝土的塌落度、力学性能、耐久性能、微观结构的影响,并通过现有煤矸石粗骨料混凝土研究成果的分析,对煤矸石粗骨料混凝土未来的研究方向作出展望。

关键词：煤矸石粗骨料混凝土力学性能耐久性能微观结构

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水泥稳定掘进煤矸石公路基层应用试验研究

公路 2023年第11期68卷 20-29页

作者：尉晓雪杨彪吴靖江姚贤华汪德才管俊峰中国建筑第七工程局有限公司郑州市450000 华北水利水电大学土木与交通学院郑州市450000

通过室内144个试件和现场300 m试验段13个试件的试验研究,进行了掘进煤矸石基本物理化学特性以及水泥稳定掘进煤矸石的力学性能、抗冻性能研究,并通过扫描电镜(SEM)分析了水泥稳定掘进煤矸石的微观结构变化规律。试验结果表明,室内试件... 详细信息

通过室内144个试件和现场300 m试验段13个试件的试验研究,进行了掘进煤矸石基本物理化学特性以及水泥稳定掘进煤矸石的力学性能、抗冻性能研究,并通过扫描电镜(SEM)分析了水泥稳定掘进煤矸石的微观结构变化规律。试验结果表明,室内试件7 d无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而增大,最小值为6.2 MPa(水泥掺量4%),满足高速公路和一级公路极重、特重交通基层要求;最大值为9.2 MPa(水泥掺量6%),比《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20—2015)中要求的强度最大值提高了31.4%。基于回归分析,建立了现场与室内无侧限抗压强度关系模型。室内冻融循环试验表明,水泥掺量5.5%的室内试件抗冻性能较好;微观结构表明,由于现场施工工艺(碾压、铺摊等)的影响,现场试件出现少量裂缝。

关键词：水泥稳定掘进煤矸石力学性能抗冻性能微观结构

混凝土搅拌站废水对不同等级混凝土碳化性能的影响

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混凝土 2023年第1期 124-130页

作者：徐昭文姚贤华管俊峰席君毅孟江锋柳利君华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450045 郑州三和水工机械有限公司河南郑州450000

使用含固量为12%的搅拌站废水等质量替代饮用水拌制C20、C40、C60混凝土。研究了废水的物理化学性质及微观结构。分析了不同废水替代率(0、25%、50%、75%、100%)下混凝土的抗碳化性能及作用机理。利用灰色关联熵探讨了影响混凝土碳化深... 详细信息

使用含固量为12%的搅拌站废水等质量替代饮用水拌制C20、C40、C60混凝土。研究了废水的物理化学性质及微观结构。分析了不同废水替代率(0、25%、50%、75%、100%)下混凝土的抗碳化性能及作用机理。利用灰色关联熵探讨了影响混凝土碳化深度的关键因素。研究结果表明,废水降低了混凝土的抗碳化能力。水胶比是影响混凝土碳化深度的最关键因素,废水是影响碳化深度的直接因素。废水粉末呈多孔颗粒状,主要由Ca(OH)_(2)、SiO_(2)、C-S-H组成。

关键词：混凝土搅拌站废水碳化深度灰色关联熵

基于灰色系统理论的高寒盐沼泽区混凝土耐久性评估

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交通运输工程学报 2018年第6期18卷 18-26页

作者：冯忠居陈思晓徐浩姚贤华长安大学公路学院陕西西安710064 福建省交通建设质量安全监督局福建福州350001 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450011

依托青海省德香高速工程,通过混凝土室内损伤试验,分析了冻融干湿循环和盐腐蚀耦合作用下混凝土动弹性模量的演化过程与特征;基于灰色系统理论,建立了不同工况下混凝土相对动弹性模量GM(1,1)预测模型,预测了2种损伤条件下3种配合比混凝... 详细信息

依托青海省德香高速工程,通过混凝土室内损伤试验,分析了冻融干湿循环和盐腐蚀耦合作用下混凝土动弹性模量的演化过程与特征;基于灰色系统理论,建立了不同工况下混凝土相对动弹性模量GM(1,1)预测模型,预测了2种损伤条件下3种配合比混凝土耐久年限;依据室内损伤试验与灰色系统理论GM(1,1)模型预测结果分析了混凝土的组分,研究了不同掺合料对混凝土耐久性的影响。研究结果表明:混凝土耐久性GM(1,1)预测模型的相对误差在6%以内,且后验差比值小于0.35,小概率误差大于0.95,预测精度较高;不同使用环境对混凝土耐久性影响差异较大,复合盐腐蚀-养护冻融循环的影响程度较复合盐腐蚀-浸泡冻融循环提高了42.8%～46.2%;掺加了粉煤灰、硅灰与膨胀剂的配合比Ⅲ的混凝土耐久性最好,耐久年限较基准配合比混凝土提高了50%以上,因此,为了保证混凝土耐久性,在类似地区工程实践中,可参考配合比Ⅲ进行现场混凝土配比设计;粉煤灰与矿渣同时使用将会生成钙矾石,相比基准配合比,不同配合比下混凝土耐久年限降低率均在50%以上,严重损伤混凝土耐久性。

关键词：岩土工程混凝土耐久性高寒盐沼泽区 GM(1,1)模型多因素耦合作用相对动弹性模量

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考虑围压效应的混凝土统计损伤模型

应用基础与工程科学学报 2021年第6期29卷 1500-1511页

作者：白卫峰王路静管俊峰姚贤华徐存东华北水利水电大学水利学院河南郑州450046 黄河水利科学研究院河南郑州450003 华北水利水电大学土木与交通学院河南郑州450046

为分析围压环境下混凝土宏观非线性本构行为和细观损伤机制,根据试验现象和统计损伤理论,本文建立了考虑围压效应的混凝土统计损伤本构模型.假设主压方向损伤由两侧向拉损伤控制,存在断裂和屈服两类细观损伤模式,通过假设两类损伤演化... 详细信息

为分析围压环境下混凝土宏观非线性本构行为和细观损伤机制,根据试验现象和统计损伤理论,本文建立了考虑围压效应的混凝土统计损伤本构模型.假设主压方向损伤由两侧向拉损伤控制,存在断裂和屈服两类细观损伤模式,通过假设两类损伤演化过程服从三角形概率分布引入材料细观非均质性,其分布形态可由4个特征参数表征.分析结果表明:等围压环境下围压的大小显著影响了混凝土细观损伤累积演化进程.随着围压的增大,两类细观损伤演化过程呈现出明显地规律性变化,可由模型中特征参数的演化规律表征;最终导致混凝土宏观非线性应力—应变行为呈现由"脆性"到"塑性"转变的特征.混凝土材料损伤演化过程不仅受其内部随机缺陷支配,同时受应力—应变状态影响;本模型为预测和分析围压环境下混凝土力学性能提供新的方法和工具.

关键词：混凝土围压单轴压缩细观损伤机制非线性本构行为局部破坏统计损伤理论