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随机球形骨料再生混凝土氯离子扩散研究

长江科学院院报 2023年第11期40卷 184-188,194页

作者：姚泽良令狐恬晶祁亚伦党发宁闻硕崔婷婷西安理工大学土木建筑工程学院西安710048 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048

基于Monte-Carlo原理及Fuller级配理论,依据PYTHON算法及COMSOL软件建立由天然骨料、老界面区、老砂浆、新界面区及新砂浆组成的再生混凝土三维球形细观模型,模拟计算了不同骨料体积分数、老砂浆扩散系数及老砂浆厚度的再生混凝土内氯... 详细信息

基于Monte-Carlo原理及Fuller级配理论,依据PYTHON算法及COMSOL软件建立由天然骨料、老界面区、老砂浆、新界面区及新砂浆组成的再生混凝土三维球形细观模型,模拟计算了不同骨料体积分数、老砂浆扩散系数及老砂浆厚度的再生混凝土内氯离子扩散过程,对比研究了再生混凝土抗氯离子侵蚀影响规律。研究表明:以随机理论建立的再生混凝土三维球形随机骨料模型接近真实再生混凝土细观结构,满足一般工程需要;基于该模型的氯离子细观数值模拟结果同试验结果吻合;再生骨料体积分数从10%增至30%、50%时,再生混凝土表观扩散系数分别增加了6.56%和19.43%;老砂浆扩散系数增加4倍,表观氯离子扩散系数增加19.28%;老砂浆厚度增加2倍,表观氯离子扩散系数增加8.1%,增加老砂浆的厚度和扩散系数会弱化再生混凝土抗氯离子侵蚀的能力。

关键词：再生混凝土随机球形骨料氯离子扩散细观性能数值模拟

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基于ABAQUS的再生混凝土塑性损伤性能

长江科学院院报 2022年第9期39卷 131-136,143页

作者：姚泽良崔婷婷党发宁闻硕令狐恬晶祁亚伦西安理工大学土木建筑工程学院西安710048 西安理工大学西北干旱地区生态水利国家重点实验室西安710048

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝... 详细信息

为了探究再生混凝土塑性损伤性能,结合Sidoroff能量等价原理,研究了CDP模型的塑性损伤因子、非弹性应变、开裂应变等关键参数,构建了基于随机多边形骨料、老砂浆、新砂浆、骨料-老砂浆界面、老-新砂浆界面、骨料-新砂浆界面的再生混凝土细观结构模型,研究了轴向压位移和拉位移作用下再生混凝土的损伤开展过程、各向应力水平、破坏形态、损伤值等关键力学性能,并将结果与试验结果进行了对比分析。研究表明:基于能量等价原理的损伤因子适用于ABAQUS建模,该方法简洁、收敛性好。再生混凝土受压损伤破坏云图呈“V”形,受拉损伤破坏云图呈“一”形,其受拉损伤和受压损伤均已达到0.956,模拟计算结果与试验结果吻合较好,表明基于随机多边形骨料的再生混凝土细观模型真实,计算方法合理。

关键词：再生混凝土塑性损伤六相材料多边形随机骨料细观性能

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含砖再生混凝土细观损伤机理数值模拟研究

水电能源科学 2023年第3期41卷 149-153页

作者：姚泽良祁亚伦令狐恬晶党发宁崔婷婷闻硕西安理工大学土木建筑工程学院陕西西安710048 西北干旱地区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

为研究再生砖混凝土力学性能和损伤破坏机理,将再生骨料形态视为随机凹凸多边形,将再生砖混凝土视为废砖骨料、废弃混凝土骨料、新旧砂浆、废砖—新砂浆、骨料—旧砂浆、新-旧砂浆等七相非均质复合材料,基于PYTHON的ABAQUS开发程序建立... 详细信息

为研究再生砖混凝土力学性能和损伤破坏机理,将再生骨料形态视为随机凹凸多边形,将再生砖混凝土视为废砖骨料、废弃混凝土骨料、新旧砂浆、废砖—新砂浆、骨料—旧砂浆、新-旧砂浆等七相非均质复合材料,基于PYTHON的ABAQUS开发程序建立了不同骨料投放率、不同砖量的再生混凝土数值模型,对粗骨料投放率为45%的含砖再生混凝土进行了细观力学性能计算分析,并研究了含砖再生混凝土在荷载作用下的损伤破坏模式。结果表明,该算法建模高效,能够建立不同骨料投放率、不同砖量的含砖再生混凝土细观模型,能满足一定工程需求;再生砖混凝土的峰值应力和弹性模量随砖量的增加而逐渐降低,而峰值应变随砖量的增加而增大;不同砖量的混凝土损伤破坏形态基本一致。

关键词：再生混凝土砖破坏模式细观性能力学指标

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不同骨料形状的再生混凝土细观力学性能研究

不同骨料形状的再生混凝土细观力学性能研究

作者：崔婷婷西安理工大学

学位级别：硕士

再生混凝土的合理利用既可以降低废弃混凝土的占比,又能减少自然资源的消耗。传统的宏观试验耗时耗力,且在外荷载作用下,难以看出再生混凝土内部各相材料之间的相互影响及其细观破坏特征。因此,本文采用PYTHON语言结合随机理论构建由新... 详细信息

再生混凝土的合理利用既可以降低废弃混凝土的占比,又能减少自然资源的消耗。传统的宏观试验耗时耗力,且在外荷载作用下,难以看出再生混凝土内部各相材料之间的相互影响及其细观破坏特征。因此,本文采用PYTHON语言结合随机理论构建由新砂浆、老砂浆、三个界面区、再生骨料组成的不同形状的六相再生混凝土细观数值模型,研究六相材料的力学特性及其之间的相互影响对整体力学性能的影响,具体研究工作如下:(1)结合蒙特卡罗随机理论,富勒级配理论、瓦拉文公式,运用PYTHON语言系统地编写了三种不同形状(圆形、椭圆形、凹凸多边形)骨料的生成和投放过程的算法。构建了由老砂浆、新砂浆、OITZ1(骨料-老砂浆界面)、OITZ2(老-新砂浆界面)、NITZ(骨料-新砂浆界面)、随机骨料六相材料组成的不同形状的再生混凝土二维细观计算模型。通过粗骨料投放含量(40%-60%)、再生骨料取代率(20%-70%)、随机数(4次)三个参数验证了随机骨料算法的正确性和合理性。(2)将数值模型导入ABAQUS软件,调取PYTHON脚本,选择CDP模型,结合Sidoroff能量等价原理计算了满足CDP模型的拉压应力σ、拉压损伤因子d、非弹性应变εcin和开裂应变εtck等参数。考虑随机数的影响构建9组模型,分别对圆形、椭圆形、凹凸多边形随机骨料再生混凝土模型施加单轴压缩(拉伸)位移荷载(18组模拟工况)进行了对比计算分析,各计算模型的计算云图损伤形态呈“V”形(“一”形),整个模型的破坏形态符合试验的发展规律,验证了模型的合理性和正确性。不同骨料形态的模型抗压(拉)强度大小顺序为:凹凸多边形骨料模型>椭圆形骨料模型>圆形骨料模型,随机凹凸多边形骨料模型更满足真实骨料模型,适合进一步研究其细观力学性能。(3)设计了不同新砂浆抗拉强度、不同老砂浆抗拉强度、不同老砂浆厚度的随机凹凸多边形骨料再生混凝土细观数值模型,分析了各组分单元应变场的演化、整个模型的应力应变场的演化曲线关系,结果表明:新砂浆抗拉强度的提高对模型试样的力学性能有较大的影响,随着新砂浆抗拉强度的提高或新老砂浆抗拉强度大致趋于一致时,再生混凝土模型试样的峰值强度有相对较大的提高。(4)对随机凹凸多边形骨料再生混凝土模型算法进行了二次优化,通过变参数构建了再生骨料取代率是30%,50%,70%,100%的四种随机凹凸多边形骨料模型,在单轴压缩和拉伸位移荷载作用下,模拟了不同取代率下的随机凹凸多边形骨料再生混凝土模型的损伤破坏开展过程,分析了各个模型的峰值应力和峰值应变的变化,得到了 5 0%取代率以内的随机凹凸多边形骨料模型的力学性能相对较优。

关键词：再生混凝土随机多边形骨料六相材料程序研发细观性能影响分析

轻骨料碳纤维混凝土宏观力学性能及细观结构的试验研究

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轻骨料碳纤维混凝土宏观力学性能及细观结构的试验研究

作者：何建南华大学

学位级别：硕士

碳纤维混凝土的研究从20世纪70年代就已经开始,并取得了大量的研究成果。但迄今为止对轻骨料碳纤维混凝土研究较少,特别是对应用复合材料理论研究轻骨料碳纤维混凝土增强、阻裂机理等前沿课题的研究更鲜见报道。本文设计的轻骨料碳纤维... 详细信息

碳纤维混凝土的研究从20世纪70年代就已经开始,并取得了大量的研究成果。但迄今为止对轻骨料碳纤维混凝土研究较少,特别是对应用复合材料理论研究轻骨料碳纤维混凝土增强、阻裂机理等前沿课题的研究更鲜见报道。本文设计的轻骨料碳纤维混凝土系采用大颗粒人造膨胀页岩陶粒做粗骨料,普通砂作细骨料、水泥作胶结料,同时掺入随即乱向分布的短碳纤维做增强剂所配制的一种新型多项材料复合的混凝土。希望从细观力学角度探讨轻骨料碳纤维混凝土细观结构特征对其宏观性能特别是对强度的影响。本文配置立方体试件和圆柱体试件分别对轻骨料碳纤维混凝土中纤维掺量,试件抗压强度、抗拉强度和应力应变曲线进行了讨论,总结出影响轻骨料碳纤维混凝土宏观性能的因素;采用压汞法测定了28d的轻骨料碳纤维混凝土的孔隙率,讨论了孔隙率和强度的关系;对试块进行了电子显微扫描,分析了骨料-水泥基界面区和纤维-水泥基界面区裂纹、气孔、裂缝扩展的情况,定性分析了轻骨料碳纤维混凝土宏观力学性能和细观结构的关系;最后探讨了轻骨料碳纤维混凝土的增强、阻裂机理,建立了碳纤维在拉拔条件下的细观力学模型,该模型可用于对轻骨料碳纤维混凝土的桥联应力分析或单向拉伸曲线预测。通过本文的研究可以得出如下结论:1)碳纤维加入明显改善轻骨料混凝土的抗拉强度。随着碳纤维的掺量的增加,抗拉强度明显增加。2)单轴压缩的应力-应变曲线可以分为三个阶段,这三个阶段与混凝土内部裂缝的扩展紧密相关;龄期增大,曲线中直线上升段和下降段的斜率(绝对值)增大,脆性增加。水灰比减小,相同龄期时混凝土的强度增大,最大应力对应的应变增大,脆性增加。3)同一标号的轻骨料碳纤维混凝土,随着龄期增大,轻骨料碳纤维混凝土的孔隙率逐渐减小,平均孔径也减小,抗压强度增大;同一龄期不同混凝土,水灰比减小,孔隙率减小;抗压强度增大。经过回归分析,得到孔隙率和强度的关系: f c= 178.58(1 ? p)16.3294)轻骨料碳纤维混凝土标号增加,微裂缝宽度减小, ITZ的粘接强度增大。当孔隙率大于10%以上时,出现孔洞坍塌现象。随着碳纤维掺量的增加,纤维周围气泡增加。

关键词：轻骨料碳纤维混凝土力学性能细观结构细观性能

基于三重界面层的再生废砖混凝土细观力学性能研究

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基于三重界面层的再生废砖混凝土细观力学性能研究

作者：祁亚伦西安理工大学

学位级别：硕士

我国建筑固体垃圾数量众多,但其利用率却很低。大量的建筑垃圾严重危害了环境,影响了市容,造成了建筑垃圾围城的窘境。国家“双碳”战略背景下亟需提高建筑固废利用率,致力发展建筑固废资源化利用。再生混凝土技术的应用能有效缓解日益... 详细信息

我国建筑固体垃圾数量众多,但其利用率却很低。大量的建筑垃圾严重危害了环境,影响了市容,造成了建筑垃圾围城的窘境。国家“双碳”战略背景下亟需提高建筑固废利用率,致力发展建筑固废资源化利用。再生混凝土技术的应用能有效缓解日益突出的环境问题,可以一举多得,但因本身存有缺陷弱化了再生混凝土的各项性能,限制了再生混凝土技术的推广。目前,大多数学者采用传统的物理试验研究再生混凝土的各项性能,这些研究多局限于宏观层面上,往往难以获悉其内部复杂结构的变化对再生混凝土宏观性能的影响和实现再生混凝土性能的准确掌握。为了突破物理试验的技术瓶颈,本文基于蒙特卡罗原理和PYTHON语言研发程序,在有限元软件CAE环境下运行,并构建具有三重界面的七相再生废砖混凝土细观结构有限元模型。以废砖的掺量、各相组分材料的强度、界面区厚度和老砂浆厚度为变量进行轴向荷载计算分析,采用控制变量法研究了再生废砖混凝土力学性能的关键影响因素,主要研究内容如下:(1)基于PYTHON和ABAQUS建立了由废砖、碎石骨料、新砂浆、老砂浆、碎石-老砂浆界面(ITZ1)、新-老砂浆界面(ITZ2)、砖-新砂浆界面(ITZ3)构成的随机凹凸型骨料再生废砖混凝土细观数值模型,通过运行PYTHON脚本在CAE中自动生成了粗骨料总体积分数为35%、40%、45%、50%、55%和60%的细观数值模型,并选取粗骨料体积分数为45%的模型,建立了砖量为0、30%、50%、70%和100%的细观计算模型,表明该建模方法便捷、效率高,研发的脚本具有实用性及合理性。(2)网格密度一定程度上会影响计算结果,网格密度不同所得的应力-应变曲线走向会存在差异,网格尺寸划分越大,误差值就越大,降低计算精度。试件的破坏路径受网格尺寸的影响极小,网格尺寸不会影响试件的破坏模式和最后呈现的破坏形态。随着砖量的增加再生废砖混凝土的峰值应变变大,弹性模量变小,其宏观强度也随之发生改变,加入砖块会弱化再生混凝土的力学性能,砖量30%为最佳掺量。(3)在单轴拉伸(压缩)位移作用下,不同砖量的再生混凝土应力云图会存在差异,各应力最大值集中位置存在差异。各损伤云图也有不同之处,砖量不同,再生混凝土损伤破坏模式不同,全再生混凝土界面层先破坏,其损伤带会绕过骨料且分布较均匀。再生废砖混凝土砖先破坏,其损伤带可贯穿废砖,但会绕过碎石骨料,损伤带主要集中在砖骨料处,最后的破坏形态基本一致。(4)再生废砖混凝土的强度受各相材料的强度、界面区厚度和老砂浆厚度的影响,增加各组分材料的强度,再生废砖混凝土的强度都得到了不同程度的改善。提高新砂浆的抗压强度,其宏观抗压强度增长最显著。增强砖骨料的抗拉强度,再生废砖混凝土的抗拉强度提升最明显。增大老砂浆和界面区的厚度会弱化混凝土的强度,其宏观强度受老砂浆厚度的影响较大,受界面区厚度的影响较小。

关键词：废砖再生混凝土控制变量法细观性能模拟计算破坏形态变化规律

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基于细观模拟的橡胶混凝土压缩力学特性研究

基于细观模拟的橡胶混凝土压缩力学特性研究

作者：闻硕西安理工大学

学位级别：硕士

橡胶混凝土是绿色混凝土的一种,可以提升混凝土耐久性。橡胶混凝土中的橡胶主要来源于废旧橡胶轮胎,橡胶颗粒的掺入可在一定程度上解决混凝土的固有脆性问题,并提高混凝土的韧性和抗冲击性能。本文基于细观分析方法,通过计算机编程语言... 详细信息

橡胶混凝土是绿色混凝土的一种,可以提升混凝土耐久性。橡胶混凝土中的橡胶主要来源于废旧橡胶轮胎,橡胶颗粒的掺入可在一定程度上解决混凝土的固有脆性问题,并提高混凝土的韧性和抗冲击性能。本文基于细观分析方法,通过计算机编程语言完成橡胶混凝土的生成算法,建立了多相材料组成的橡胶混凝土二维细观结构,针对橡胶混凝土强度的主要影响因素,对橡胶混凝土进行了数值研究,分析了橡胶、砂浆以及橡胶-砂浆界面区等细观各相组分对混凝土宏观力学性能的影响,具体的研究分析工作如下:(1)基于最大密度曲线理论和蒙特卡罗法基本原理,提出并使用Python语言编写混合骨料生成和随机投放算法,建立以天然石子骨料、硬化水泥砂浆、橡胶颗粒、橡胶-砂浆界面过渡区等四相材料组成的更加接近真实结构的橡胶混凝土二维细观结构,无需再借助CAD等其他软件可直接将算法脚本直接嵌入ABAQUS中,生成符合数值计算要求的不同骨料形状在投放区域内均匀随机分布的数值混凝土“试件”。(2)对随机生成的6种骨料分布的橡胶混凝土二维随机骨料模型进行了单轴压缩数值试验。结果表明:尽管由于随机骨料在模型内的分布不同,使得计算所得结果存在差异,但其相对误差较小,均在10%以内,说明了算法的稳定可靠。通过模拟结果与相关试验对比,有效验证了该算法构建的模型的合理性。(3)分别对5%、10%以及15%橡胶取代率的数值混凝土“试件”进行单轴压缩损伤数值试验,研究分析橡胶混凝土在不同橡胶含量下的应力-应变表现。结果表明:橡胶混凝土的单轴受压应力-应变全曲线与普通混凝土相似,与普通混凝土相比,橡胶混凝土的单轴抗压强度约降低了18%～30%,峰值应变约提升了20%～70%,下降/升高幅度随橡胶含量的增加而增大,进而使得其曲线形态较为“矮胖”。通过对比细观模拟和宏观试验结果发现,橡胶混凝土单轴压缩破坏模式与普通混凝土相似,其损伤带均是从强度最为薄弱的界面区开始发展,向骨料周围的硬化砂浆区按与试件高度边缘约45°角方向逐渐汇合、贯通形成破坏试件整体性的宏观大裂缝,但橡胶混凝土的峰值应变和极限应变均大于普通混凝土,其应力-应变全曲线相对平缓,无明显的脆性破坏特征,呈现一种“渐进式”的延性破坏特征。(4)分别对1～3 mm和3～6 mm橡胶颗粒组“试件”在5%、10%以及15%橡胶取代率进行变参数分析。结构表明,橡胶取代率和砂浆强度对橡胶混凝土强度影响十分显著,橡胶颗粒粒径和界面过渡区强度对橡胶混凝土强度影响稍弱。当砂浆强度减小10%时,小粒径组的试件整体抗压强度下降2.48%～8.88%,大粒径组则下降了4.11%～13.52%;当界面区强度减小10%时,小粒径组的试件整体抗压强度下降6.23%～10.85%,大粒径组则下降了3.75%～10.47%。小粒径橡胶组试件的力学性能强化效果要明显好于大粒径橡胶组试件。当砂浆强度增加20%时,小粒径组的试件整体抗压强度提升了7.44%～14.04%,而大粒径组仅提升了3.02%～8.10%;当界面强度增加20%时,小粒径组的试件整体抗压强度提升了8.15%～11.89%,而大粒径组仅提升了3.23%～8.41%。

关键词：橡胶混凝土细观模型算法数值模拟细观性能

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沥青混凝土疲劳损伤细观特征分析及数值模拟

河南建材 2023年第9期 13-15页

作者：陈迎姿胡小松刘正雄陈钧然广东金融学院 510521 深圳市市政工程总公司 518000

对沥青路面的研究往往考虑其宏观性能而忽视了其细观性能的分析,其不能反映沥青混凝土其细观内部结构的应力集中及早期损伤。文章从细观尺度出发,以沥青混凝土的疲劳损伤机理及疲劳损伤演化过程分析沥青混凝土在疲劳损伤过程中其结构细... 详细信息

对沥青路面的研究往往考虑其宏观性能而忽视了其细观性能的分析,其不能反映沥青混凝土其细观内部结构的应力集中及早期损伤。文章从细观尺度出发,以沥青混凝土的疲劳损伤机理及疲劳损伤演化过程分析沥青混凝土在疲劳损伤过程中其结构细观特征及数值模拟,通过沥青混凝土疲劳损伤细观特征分析及数值模拟结果来指导沥青路面养护维修。

关键词：沥青混凝土疲劳损伤细观性能数值模拟养护维修