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基于随机骨料模型的混凝土细观结构与力学特征关联性分析

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基于随机骨料模型的混凝土细观结构与力学特征关联性分析

作者：袁周祥河北工程大学

学位级别：硕士

在水利工程建设中,混凝土的应用领域发展越来越广,其力学性能随着工程复杂背景的要求,也得到了极大的改善,混凝土作为一种多相复合材料,破坏过程中其内部裂纹的产生、发展与延伸一直是宏观研究所无法解决的难点与重点,尤其涉及到混凝土... 详细信息

在水利工程建设中,混凝土的应用领域发展越来越广,其力学性能随着工程复杂背景的要求,也得到了极大的改善,混凝土作为一种多相复合材料,破坏过程中其内部裂纹的产生、发展与延伸一直是宏观研究所无法解决的难点与重点,尤其涉及到混凝土的薄弱环节,骨料与砂浆之间的界面过渡区部分,常规试验手段并不能直接对其力学性质进行测定,也无法探究其对混凝土力学行为的影响,涉及到细观结构对混凝土力学特征的影响问题,室内试验无法对其做出合理的答复。本文为探究混凝土细观结构与力学特征的关联性,以颗粒离散元法为研究方法,通过室内试验和数值模拟相结合的手段,建立了随机骨料下混凝土的数值模型,并对混凝土及其组成成分的力学性能进行研究,分析细观结构与混凝土力学特征的关联性,为今后进行混凝土试验时,考虑细观结构对混凝土力学特征的影响提供一定的参考。本文主要研究内容和成果如下:(1)通过室内试验得到了混凝土各个组成成分:骨料、水泥砂浆和混凝土的力学性质和裂纹演化规律,计算得到界面过渡区的抗压强度,分析混凝土材料的力学特征,为后续数值模型的建立提供了宏观参数依据。(2)对颗粒离散元法下PFC软件中的接触模型进行了介绍,并通过统计学的试验方法,对比分析平行粘结模型(PB)与平直节理模型(FJ)表征混凝土材料性质时的差异性与稳定性,结果显示PB模型以其计算宏观力学结果和破坏模式的稳定性,选为后续研究混凝土的细观本构模型。(3)建立合适的二维骨料模型是研究混凝土数值模型的基本前提,本文提出了一种以圆形骨料模型为骨料基,以圆上随机点分布为基架的随机凸多边形骨料模型的算法,应用软件PFC建立了混凝土骨料模型,验证了算法的可行性,大大方便了对混凝土材料数值模型的建立及计算。(4)基于上述研究,采用试错法对水泥砂浆以及界面过渡区的细观参数进行标定,以混凝土力学参数以及应力应变曲线为宏观响应,探究了界面过渡区的存在对混凝土力学特征的影响,反演出了界面过渡区的宏观力学参数,与前人得到的拟合曲线计算出的数值大小接近,研究发现混凝土裂纹的萌芽往往围绕在界面过渡区以及水泥砂浆缺陷处,界面过渡区的存在以及水泥砂浆部分孔隙影响着混凝土的力学特征。(5)以上述研究的细观参数为基础,探究了不同随机骨料模型对混凝土力学特征的影响,结果显示,当骨料形状表现较好(饱满)时,混凝土力学性能会得到提高,单轴峰值强度增幅达到8%,弹性模量增加了6%,应力-应变曲线表现的更为平顺。考虑到室内试验中骨料形状影响的是界面过渡区,骨料形状越饱满界面过渡区粘结强度越高,此时细观结构界面过渡区粘结强度的变化才是造成混凝土力学性能变化的根本原因,骨料形状位置与界面过渡区共同影响着混凝土的破坏形态与应力应变曲线。

关键词：混凝土细观结构随机骨料模型离散元颗粒流模拟界面过渡区力学特征

冻融循环及碳化作用下混凝土细观结构试验研究

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四川建材 2019年第12期45卷 15-17页

作者：张鑫崔烨扬州大学建筑科学与工程学院

本试验为了研究冻融和碳化共同作用对混凝土细观结构的影响,采用了RapidAir 457型硬化混凝土气孔结构分析仪对混凝土试样进行检测,具体包括评估混凝土抗冻性的内部含气量及气泡间距;为了连续观测混凝土结构中具有代表性的孔隙,选用精度... 详细信息

本试验为了研究冻融和碳化共同作用对混凝土细观结构的影响,采用了RapidAir 457型硬化混凝土气孔结构分析仪对混凝土试样进行检测,具体包括评估混凝土抗冻性的内部含气量及气泡间距;为了连续观测混凝土结构中具有代表性的孔隙,选用精度较高的金相显微镜。试验结果表明,混凝土结构内部气孔结构越小,混凝土抵抗冻融的能力越强。随着冻融次数的不断增加,混凝土内部会逐渐形成较大的贯通裂缝,细观结构试验结果与宏观试验所观察到的结果相符,本试验具有说服性。

关键词：混凝土细观结构冻融循环与碳化作用含气量气泡间距抗冻性

基于混凝土细观结构的钢筋混凝土结构耐久性分析

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防灾减灾工程学报 2010年第S1期30卷 286-290页

作者：王立成李淑红大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

根据观测水平的不同,混凝土的数值分析尺度通常分为宏观、细观和微观三个层次。由于混凝土各相组成材料孔隙结构的差异性,特别是荷载作用下裂缝和微裂缝的出现,进一步增加了混凝土材料的非均匀性,因此采用基于宏观均质假定的分析方法将... 详细信息

根据观测水平的不同,混凝土的数值分析尺度通常分为宏观、细观和微观三个层次。由于混凝土各相组成材料孔隙结构的差异性,特别是荷载作用下裂缝和微裂缝的出现,进一步增加了混凝土材料的非均匀性,因此采用基于宏观均质假定的分析方法将无法模拟材料的内部结构。在细观层次上,混凝土看作由硬化水泥浆体、骨料及其界面黏结带组成的三相复合材料。基于混凝土的细观结构,本文提出了适用于物质扩散的细观格构网络模型。该模型运用Voronoi技术划分网格的随机性特点,在网络模型中随机产生裂缝的位置及方向,采用不同类型单元来描述混凝土各相组成材料的扩散性能。通过对开裂混凝土内氯离子扩散过程的数值分析表明,基于混凝土细观结构的数值分析方法是开展钢筋混凝土结构耐久性分析的有效手段。

关键词：混凝土细观结构氯离子扩散裂缝耐久性分析

基于混凝土细观结构的钢筋混凝土结构耐久性分析

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基于混凝土细观结构的钢筋混凝土结构耐久性分析

作者：王立成李淑红大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室

根据观测水平的不同,混凝土的数值分析尺度通常分为宏观、细观和微观三个层次。由于混凝土各相组成材料孔隙结构的差异性,特别是荷载作用下裂缝和微裂缝的出现,进一步增加了混凝土材料的非均匀性,因此采用基于宏观均质假定的分析方法将无法模拟材料的内部结构。在细观层次上,混凝土看作由硬化水泥浆体、骨料及其界面黏结带组成的三相复合材料。基于混凝土的细现结构,本文提出了适用于物质扩散的细观格构网络模型。该模型运用Voronoi技术划分网格的随机性特点,在网络模型中随机产生裂缝的位置及方向,采用不同类型单元来描述混凝土各相组成材料的扩散性能。通过对开裂混凝土内氯离子扩散过程的数值分析表明,基于混凝土细现结构的数值分析方法是开展钢筋混凝土结构耐久性分析的有效手段。

关键词：混凝土细观结构氯离子扩散裂缝耐久性分析

来源： cnki会议评论

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冻融循环下混凝土中氯离子传输机制细观模拟

硅酸盐通报 2024年第6期43卷 2102-2110页

作者：梁秋群陈宣东胡祥桂林理工大学物理电子信息工程学院桂林541004 广西建筑新能源与节能重点实验室桂林541004 桂林理工大学土木工程学院桂林541004 广西工业废渣建材资源利用工程技术研究中心桂林541004 广西北部湾绿色海工材料工程研究中心桂林541004

基于经典应力水平-疲劳寿命方程,本文提出了以冻融循环次数为自变量的氯离子扩散系数数学表达式,并在此基础上建立了冻融循环下氯离子在混凝土中传输的三维细观数值模型,研究了冻融循环、混凝土细观结构特征、结合效应等因素对氯离子传... 详细信息

基于经典应力水平-疲劳寿命方程,本文提出了以冻融循环次数为自变量的氯离子扩散系数数学表达式,并在此基础上建立了冻融循环下氯离子在混凝土中传输的三维细观数值模型,研究了冻融循环、混凝土细观结构特征、结合效应等因素对氯离子传输行为的影响。研究结果表明,冻融循环可以促进氯离子的扩散,当冻融循环的次数接近极限冻融循环次数时,这种促进作用十分显著。更重要的是,通过模拟混凝土细观结构中氯离子的扩散轨迹,揭示了界面过渡区促进氯离子扩散的机理。最后,通过对氯离子长期扩散性能模拟发现,在靠近侵蚀面区域出现了结合氯离子饱和区域,混凝土失去了对自由氯离子的固化能力,促进了氯离子扩散。

关键词：氯离子扩散冻融循环氯盐侵蚀混凝土细观结构界面过渡区

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基于数值流形元法的混凝土力学特性数值试验

中国水利水电科学研究院学报 2011年第2期9卷 88-95页

作者：赵妍张国新林易澍武晓川中国水利水电科学研究院材料结构研究所北京100038 河海大学水利水电工程学院江苏南京210029 北方国际合作股份有限公司北京100053

从混凝土细观结构出发,假定混凝土由砂浆、骨料界面组成的多相复合材料,以试验为基础赋予各相材料的参数模拟加载过程中从细观到宏观的力学响应。考虑各相组分的非均匀性,借助蒙特卡罗方法和Fuller级配公式,产生随机骨料模型。扩展后的... 详细信息

从混凝土细观结构出发,假定混凝土由砂浆、骨料界面组成的多相复合材料,以试验为基础赋予各相材料的参数模拟加载过程中从细观到宏观的力学响应。考虑各相组分的非均匀性,借助蒙特卡罗方法和Fuller级配公式,产生随机骨料模型。扩展后的二阶流形元法,可以模拟混凝土受力、变形和破坏的全过程,可以追踪多裂隙的扩展,裂缝闭合后的压剪。开裂面可利用应力结果自动搜索,而不必人为预设。利用改进的流形元进行混凝土力学特性数值试验的模拟研究,再现了混凝土单轴受压、受拉试验在不同加载阶段微裂缝产生、扩展直至破坏的过程,及其宏观应力-应变曲线的变化情况。数值模拟结果与试验统计结果相符。

关键词：混凝土细观结构力学特性随机骨料模型二阶流形元