从纳米水化硅酸钙到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型

混凝土具有多尺度结构特征,其力学性能受到不同水化产物组分及微观结构的影响。基于分子动力学方法、化学计量法和均质化方法,建立了从纳米尺度水化硅酸钙(C-S-H)到水泥净浆弹性性能多尺度递推模型,其计算结果与实验数据吻合较好。基于该模型的计算结果可得:C-S-H凝胶中44%的孔隙率致使其体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约66%、53%和55%。当水灰比从0.3变化至0.5时,水泥净浆的体积模量、剪切模量和杨氏模量分别降低了约39%、30%和32%;LD C-S-H和毛细孔的体积分数分别增大了13%和20%。水化产物中C-S-H的体积分数越大,或水泥熟料中硅酸三钙的质量分数越大,水泥净浆的弹性参数越大。该模型为水泥基材料微观调控提供了指导。

凝胶孔对水化硅酸钙(C-S-H)力学性能影响的分子动力学模拟

本研究首先利用分子动力学分析了不同尺寸凝胶孔对水化硅酸钙(C-S-H)弹性力学参数的影响,然后模拟了不同受力状态下的受力变形性能,比较并分析了应力应变关系的特征参数变化。结果表明:C-S-H的体积模量、剪切模量和杨氏模量均随凝胶孔尺寸的增大而减小。凝胶孔会降低CS-H拉伸、压缩和剪切时的力学性能和变形性能,但不同受力状态下的影响程度不同。凝胶孔对抗拉强度的影响程度最大,对抗压和抗剪强度的影响程度较小且基本相同;对拉伸变形性能的影响程度最大,对压缩变形性能的影响程度最小。

水化硅酸钙层间水吸附规律及其对分子结构的影响

水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化产物中的主要组成成分,而层间水对C-S-H的物理化学性能有重要影响。利用分子动力学模拟C-S-H对水分子的吸附,得到280~320 K区间多个温度的C-S-H对水分子的吸附等温线。结果表明,不同温度条件下,C-S-H对水分子的最大吸附量变化不明显,而对水分子的吸附能力随温度升高而降低;提出了温度为280~320 K时,C-S-H对水分子的的吸附式。不同层间水覆盖率的C-S-H晶胞的结构特征表明,随着层间含水量的增大,C-S-H结构分层更加明显。达到不同层间水覆盖率时,吸附水在层间的位置不同导致C-S-H体积增大率不同。吸附水使C-S-H体积增大,密度减小,但C-S-H中原有的原子结构更加紧密。

湿度对水化硅酸钙力学性能影响的分子动力学模拟

水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化产物中最重要的组成成分,是水泥基材料的主要胶凝相。C-S-H层间水对其纳米结构和力学性能会产生显著影响。利用分子动力学研究了不同湿度C-S-H在结构和力学性能方面的差异。通过原子径向分布函数和浓度分布、弹性常数以及应力应变关系分析了湿度对C-S-H结构和弹性性质以及拉伸、压缩、剪切力学性能和变形性能的影响。结果表明:湿度增加会导致C-S-H中Si、Ca原子近程范围内的O原子集聚增多,还会导致C-S-H层间距离增大,分层更加明显,同时会降低C-S-H的弹性性质;湿度的增加会降低C-S-H拉伸、压缩、剪切力学性能和变形性能;湿度对抗拉与抗剪强度影响较大,对抗压强度影响较小,对拉伸时的变形性能影响最大,对压缩时的变形性能影响最小。

不同含水率混凝土断裂过程声发射试验研究

为研究不同含水率混凝土断裂过程的差异性,将干燥试件浸泡不同时间,使其达到不同含水率,基于声发射技术,对三点弯曲梁的破坏过程进行监测。通过比较声发射信号撞击计数、能量计数和振铃计数等不同发射信号来研究不同含水率对混凝土断裂过程力学性能的影响规律,并结合撞击计数、振铃计数和能量计数捕捉起裂荷载,进一步分析水分对起裂韧度和失稳韧度的影响。试验结果表明:相比于P–CMOD曲线,声发射参数变化能更加直观地分析水分对混凝土断裂过程的影响。随着含水率的增加,起裂前,撞击计数累计值呈现增大趋势;起裂后,声发射参数值、峰值及累计值均呈现减小趋势。损伤演化起始门槛值随含水率的增大而降低,饱和试件较干燥试件最大下降64%;饱和试件断裂过程区宽度较干燥试件最大增大20.8%。

含孔洞和裂隙混合缺陷的干燥水泥砂浆导热系数相互作用直推预测模型

水泥砂浆在浇筑、养护和受荷载后易出现缺陷,会显著改变其热传导性能。将水泥砂浆中缺陷分为孔洞和裂隙两种基本类型,基于细观力学理论中的相互作用直推(IDD)估计法,建立了孔洞和裂隙单独存在或同时存在时干燥水泥砂浆等效导热系数预测模型;基于数值模拟结果反推法,提出裂隙随机分布影响函数,改进了IDD模型预测精度;与数值模拟结果进行对比验证其合理性。结果表明,推导出的预测模型充分体现了孔洞、裂隙不同含量及特征对水泥砂浆等效导热系数的影响,预测精度高;提出的裂隙随机分布影响函数具有较高精度和良好适用性;在缺陷率一定的情况下,孔洞对水泥砂浆等效导热系数的影响比裂隙更显著。该预测模型物理基础明确,形式简单,便于工程应用。