碾压混凝土的断裂性能研究

碾压混凝土作为一种新型材料在水利工程和路基工程中得到了广泛的应用,其断裂性能对结构安全性有很大的影响。基于此,文章对混凝土断裂力学的发展过程进行了简要的介绍,对碾压混凝土Ⅰ型的断裂准则和断裂性能研究现状进行了分析,并对碾压混凝土Ⅱ型断裂性能和层面断裂韧度研究现状进行了分析。

地聚合物复合材料断裂性能研究进展

混凝土的断裂性能直接影响着结构的安全性和耐久性。研究裂缝在混凝土中的扩展规律,是分析混凝土断裂性能的基础。具有非均质和非线性特性的混凝土是一种多相材料,在其内部存在大量初始裂缝,因此混凝土的断裂机理十分复杂,影响因素颇多。目前,普通混凝土断裂性能的分析方法比较成熟,针对混凝土的非线性特性已经建立了两类模型:便于数值分析的缝面软化模型和便于解析计算的等效弹性裂缝模型。此外,地聚合物是一种低碳环保的建筑材料,具有优异的机械性能、耐久性能和耐高温性能。因此,对于地聚合物复合材料(geopolymer composite, GPC)的断裂性能研究是推广其工程应用的必要前提。地聚合物与普通混凝土具有相似的脆性,研究者们基于普通混凝土断裂力学的分析方法,开展了GPC断裂性能的研究。本综述梳理了混凝土断裂力学发展历程,概括了GPC性能的主要影响因素,总结了原材料组成、碱激发剂和纤维对GPC断裂性能的影响,并对GPC断裂性能的未来研究方向进行了展望。

采用DIC技术的超高性能混凝土的断裂性能研究

为研究超高性能混凝土(UHPC)的Ⅱ型断裂性能,对不同初始缝高比(a/W)的UHPC双缺口立方体(DNC)试件进行了抗压试验。基于数字图像相关(DIC)技术分析了UHPC的DNC试件的失效特征和裂缝扩展过程,得到了UHPC的Ⅱ型断裂参数,并评估了不同a/W下UHPC的断裂性能。试验表明:试件的破坏模式为沿缺口尖端发生局部偏剪切破坏,其主裂缝包括斜裂缝和左、右垂直裂缝,试件的荷载-位移曲线呈现出双峰值现象,两个峰值荷载分别对应斜裂缝和垂直裂缝充分扩展的时刻;斜裂缝和垂直裂缝的张开位移(COD)和滑移位移(CSD)与韧带高度近似呈线性关系;随着a/W的增大,起裂荷载减小,断裂韧度和断裂能先增大后减小,斜裂缝的长度和起始角减小,斜裂缝缺口尖端处的COD减小,CSD基本不变。

乳化沥青冷再生混合料断裂性能试验研究

乳化沥青冷再生沥青路面的开裂问题是制约其大规模推广使用的主要原因之一。为了研究冷再生沥青混合料断裂性能的评价指标及抗裂性能提升措施,以普通乳化沥青、外掺玄武岩纤维和SBR改性乳化沥青3种冷再生混合料为研究对象,开展了有预制裂缝中梁的四点弯曲强度试验及其断裂过程的声发射测试;以应变能释放速率、应力强度因子和声发射测试中所采集的能量及振铃计数‒撞击数等参数为评价指标,对比分析了3种不同乳化沥青冷再生混合料的断裂性能。试验结果表明:使用SBR改性乳化沥青和外掺玄武岩纤维均对乳化沥青冷再生混合料的抗断裂性能有较为显著的提升,且相比于使用SBR改性乳化沥青,外掺玄武岩纤维更为有效。振铃计数和撞击数参数可以较好地描述材料的断裂特征,声发射试验结果与断裂力学参数计算结果满足较好的线性相关性。声发射信号参数能够很好地描述乳化沥青冷再生混合料在四点弯曲试验中的断裂特征。

珊瑚骨料种类和混杂纤维对珊瑚混凝土强度与断裂性能的影响

海水珊瑚骨料混凝土(SCAC)由珊瑚礁砂石、海水等海洋地域性原材料与胶凝材料混合制备而成,在海洋国家的国防和基础设施建设中展现出缩短工期、降低成本、减少能源消耗的优势。但SCAC性脆易裂,珊瑚骨料的制约作用随着混凝土强度等级的提高而更加显著。本文探究了两种不同类型的珊瑚骨料对SCAC性能的影响,并将柔性的聚乙烯醇(PVA)纤维和刚性的钢纤维混杂,以期提升SCAC的强度、韧性与断裂性能。结果表明,含低强珊瑚骨料的SCAC抗压强度比含高强珊瑚骨料的SCAC抗压强度降低了30.8%(从55.6降至38.5 MPa),掺入纤维可以在一定程度上缓解骨料自身缺陷对SCAC强度的影响。此外,提出了一种新的本构模型来描述SCAC的应力-变形关系,模型预测结果与试验数据吻合较好。相比于不掺纤维的对照组,掺入0.1%、0.2%和0.3%PVA纤维的SCAC的断裂能分别提高了10%、49%和88%。在纤维用量相同时,混杂纤维组的断裂能比单掺纤维组高46%。

基于SMCS模型的高强螺栓及节点火灾全过程断裂性能模拟

高强螺栓广泛应用于钢结构节点连接,火灾高温会影响其基本材性和断裂行为,从而影响螺栓节点抗火性能甚至整体结构抗倒塌性能。基于10.9级高强螺栓火灾全过程(升温段、降温段、火灾后)单轴拉伸试验结果,结合有限元模拟,对不同温度历程和应力三轴度对应的螺栓SMCS断裂模型进行校准,并与螺栓材性试验和T-stub节点试验结果对比验证;对T-stub节点火灾全过程断裂行为进行参数分析,研究损伤准则和温度历程对节点失效模式和变形特征的影响。结果表明:校准的SMCS模型能够有效、准确地预测螺栓和节点在火灾全过程和高应力三轴度(0.3~1.2)下的受拉断裂行为,适用预测误差在12%以内;拉伸温度和峰值温度是影响高强螺栓抗断能力的主要因素,螺栓抗断能力随温度升高而提高;不同温度历程下T-stub节点可能发生翼缘板屈服断裂、翼缘板和螺栓同时屈服断裂、螺栓屈服断裂三种失效模式,且节点的变形能力(延性系数)与失效模式有关,确定钢板母材和螺栓的断裂模型是准确预测节点失效模式的关键。

非晶合金纤维和钢纤维单/混掺增强混凝土开裂及断裂性能研究

为探索纤维混凝土抗裂性能,本文研究了不同类型纤维(平直型钢纤维、平直型非晶合金纤维、钢纤维+非晶合金纤维)和不同纤维体积掺量(1.0%,1.5%和2.0%)混凝土的早期开裂性能和硬化后的断裂性能。首先通过平板法试验并借助数字图像对混凝土的早期裂缝特征进行量化分析,评估了纤维混凝土的早期开裂性能;再通过带切口棱柱体试件的三点弯曲试验,基于双K断裂参数,分析并评估了混凝土硬化后的断裂性能。结果表明,钢纤维单掺和混掺纤维混凝土的早期抗裂性能最好;纤维掺量由1.0%增加至2.0%时,钢纤维、合金纤维和混掺纤维混凝土失稳韧度分别增加了58.9%、44.3%和55.5%,且掺量为2.0%的混掺混凝土断裂能是普通混凝土的11.8倍。钢纤维和非晶合金纤维可在混凝土硬化过程的不同时期发挥协同作用,两种纤维混掺不仅能阻止混凝土早期的塑性开裂,还可有效控制硬化后受拉裂缝的形成和发展,达到分阶段抗裂的目的。综合考虑混凝土的早期开裂性能、硬化后受拉性能以及断裂性能,体积掺量相同情况下混掺纤维混凝土整体性能更优。

基于数字图像相关法的钢纤维混凝土断裂性能研究

为了分析钢纤维混凝土的断裂机理并评估其抗裂性能,开展三点弯曲断裂试验,对比分析不同纤维长度与不同纤维掺量的钢纤维混凝土的断裂性能。采用数字图形相关法观测试验过程中试件加载点位移、裂缝口张开位移以及韧带区域不同位置的裂缝张开位移,并计算钢纤维混凝土的断裂能、起裂断裂韧度与失稳断裂韧度。结果表明:随着钢纤维长度增加,断裂能呈现出近似线性增长的趋势;随钢纤维体积掺量增加,断裂能呈现先增长后降低的趋势,并且在纤维体积掺量为1.0%时,断裂能达到最大值。掺入钢纤维后,混凝土起裂断裂韧度小幅度提高,混凝土失稳断裂韧度显著提高,并且失稳断裂韧度随着纤维长度与纤维体积掺量的增加逐渐提高。

玄武岩纤维混凝土缺口梁断裂性能及有限元分析

为了能够研究玄武岩纤维(BF)掺量对玄武岩纤维增强混凝土(BFRC)缺口梁断裂性能的影响,采用三点弯曲试验和多尺度数值模拟来进行分析研究,对一系列不同尺寸和不同体积掺量玄武岩纤维的缺口梁进行三点弯曲试验,以便能够测得梁体缺口处位移与荷载(F-COMD)的曲线。由F-CMOD曲线计算出断裂能和双K断裂参数,以研究纤维体积分数和梁体尺寸对BFRC开裂性能的影响。通过研究发现,通过增加BF的用量,能够有效提高混凝土的极限荷载和断裂能,尺寸效应对混凝土断裂能基本没有影响。根据两参数断裂理论,启裂韧度具有尺寸效应,并随试件尺寸的增加而增大,而尺寸效应对失稳韧度无显著影响。随着BF掺量的增加,启裂韧度线性增加,失稳韧度随纤维用量的变化而无规律地变化,但高于普通混凝土。此外,开发了基于Mori-Tanaka的均质化算法和基于连续介质渐进损伤理论的多尺度有限元模拟,以评估和预测不同尺寸和纤维体积掺量的BFRC的断裂行为,并且计算结果与试验结果吻合良好。

水工混凝土断裂性能及影响规律研究

为探究水工混凝土受循环荷载下的断裂性能,通过三点弯曲梁断裂试验,深入探究混凝土试件受循环荷载下断裂演化过程,采用VIC-2D软件对混凝土试件应变发展进行分析。结果表明,受低等级荷载循环作用时,循环次数增加则试件裂纹长度、裂纹开口位移提升,高等级荷载循环作用下虽也有提升但幅度较小。循环次数增加过程中混凝土断裂可大致分为3个阶段,不同阶段的发展趋势有所不同。

大坝混凝土断裂性能及影响因素分析

利用三点弯曲梁试验,分析水灰比及粗骨料粒径对大坝混凝土断裂性能的影响。结果表明,大坝混凝土的荷载-挠度曲线分为快速增加段、快速下降段以及缓慢下降段;大坝混凝土采用的水灰比和骨料粒径分别为0.4和30mm,脆性最低。研究成果可为大坝混凝土级配优化设计提供参考。

不同标号沥青对大粒径水工沥青混凝土断裂性能的影响

沥青混凝土作为一种重要的防渗材料,在水利工程中获得广泛认可。为探讨不同标号沥青对大粒径水工沥青混凝土断裂性能的影响,以70#、 90#和110#的沥青作为研究对象,进行预裂缝小梁弯曲试验。本文基于断裂力学理论分析了不同标号沥青对大粒径水工沥青混凝土临界应力强度因子、能量释放率和J积分断裂韧度的影响。结果表明:沥青标号对大粒径水工沥青混凝土的断裂性能影响显著。随着沥青标号的升高,水工沥青混凝土抗弯强度和临界应力强度因子越小,水工沥青混凝土试件在断裂时所需的断裂功也相应减小。J积分断裂韧度随沥青标号的升高而逐渐减小,表明沥青混凝土的抗断裂性能随着沥青标号的升高而变差。

钢-剑麻混杂纤维再生混凝土断裂性能研究

为改善再生混凝土(RAC)的断裂性能,通过三点弯曲断裂试验,研究了钢纤维、剑麻纤维及钢-剑麻混杂纤维对RAC试件断裂性能的影响。同时,采用数字图像相关(DIC)技术测得RAC试件的裂缝扩展全过程。结果表明:未掺纤维的RAC试件断裂性能较差,而掺入纤维后的RAC试件断裂性能明显提升;单掺钢纤维时,试件的起裂韧度与纤维掺量无关;单掺剑麻纤维时,最佳体积掺量为0.15%,其试件的起裂荷载较未掺纤维RAC试件提高了67%。单掺纤维和混掺纤维均可提高失稳韧度和断裂能,但混掺纤维效果更佳。当体积掺量为1.0%的钢纤维和体积掺量为0.30%的剑麻纤维混杂时,其起裂韧度、失稳韧度和断裂能较未掺纤维的RAC试件分别提高了83.92%、575.86%和1244.05%。

海水海砂火山渣混凝土断裂性能试验研究

海洋岛礁工程建设面临着取材困难、运输与材料成本昂贵等问题。为此,开发了新型海水海砂火山渣混凝土(SSAC),以推动海工建设的发展。通过混凝土三点弯曲梁断裂试验,探讨了不同缝高比(0.2、0.3、0.4)和组料类型对SSAC断裂力学性能的影响,获取了双K断裂韧度、断裂能与软化曲线等断裂参数的变化规律。结果表明,受粗骨料的影响,采用火山渣的混凝土的荷载-裂缝口张开位移曲线(P-CMOD)与普通混凝土相似,但其下降段更为陡峭。SSAC断裂韧度小于普通混凝土,且均不受缝高比影响。受海水海砂的影响,SSAC的断裂韧度和断裂能较淡水河砂火山渣试件分别提高14.30%和6.77%。基于试验数据,推导得出考虑组料影响的双K断裂韧度与软化关系计算公式,计算结果与试验结果吻合良好。

沥青断裂性能理论模型的建立与试验验证

为了评价沥青的断裂性能,根据弹性力学理论的相关知识建立沥青断裂性能的几何模型,将其分解为两个新构型的叠加,运用复变函数解法推导出沥青临界开裂状态的理论关系式,对其进行修正,得到含有中心穿透裂纹和不含宏观裂纹的沥青断裂性能的理论模型。以SK-70#基质沥青为原材料,分别进行单向拉伸试验、弯曲蠕变试验、表面能测试和断裂性能试验,量化模型参数,将试验数据进行拟合,根据拟合结果讨论沥青表面能与断裂性能的相关性,验证模型的合理性。研究结果表明:推导出的沥青断裂性能理论模型合理可靠,可引入板宽系数对模型进行修正;对于带中心穿透裂纹的沥青,其表面能可定性表征断裂性能,且表面能越大,断裂性能越好;对于无宏观裂纹的沥青,劲度模量和表面能共同决定其断裂性能。

定向钢纤维混凝土的制备方法以及断裂性能研究进展

对定向钢纤维混凝土(ASFRC)制备方法、纤维分布特性、断裂性能进行了系统阐述。分析总结了制备ASFRC常用方法各自的特点与适用性,概括总结了钢纤维分布特性参数的确定方法,详细论述了不同因素对钢纤维分布产生的影响。参照ASFRC断裂性能的试验方法与技术标准,分析总结了常见的弯曲断裂试验及断裂指标。同时,在钢纤维混凝土断裂性能已有的研究基础上,归纳总结了ASFRC断裂性能的影响因素与断裂模拟现状。最后基于现有成果对ASFRC的可能研究方向进行了展望。

单块石粒径对自密实混凝土断裂性能的影响研究

块石是堆石混凝土的重要组成成分,其粒径对自密实混凝土的断裂破坏具有显著影响。为研究块石粒径对自密实混凝土断裂性能的影响,对预埋不同粒径(20、25、30和35 mm)单块石的自密实混凝土进行了断裂韧性试验,并结合声发射(Acoustic Emission,AE)和数字图像相关技术(Digital Image Correlation,DIC)对试件断裂破坏过程进行动态监测,对比分析了块石粒径对自密实混凝土断裂性能的影响。研究结果表明:随块石粒径的增大,自密实混凝土起裂韧度呈现出先增大后减小的趋势,失稳韧度呈现出逐渐增大的趋势,与无块石试件相比,当块石粒径为30 mm时,起裂韧度、失稳韧度分别增大了10.8%、12.5%,块石阻裂效果明显;随块石粒径的增大,试件破坏产生的AE信号逐渐增多,峰值荷载处产生的AE振铃计数分别为无块石试件的39%、47%、63%、68%,峰后累计AE振铃计数分别为无块石试件的130%、140%、148%、164%;DIC结果显示,随块石粒径的增大,DIC测试区内最大水平位移逐渐增大,当块石粒径为35 mm时,最大水平位移为无块石试件的4倍;断裂过程区(Fracture Process Zone,FPZ)最大水平应变随块石粒径增大而逐渐增大。研究结果揭示了堆石混凝土中块石粒径对自密实混凝土裂缝扩展的影响机理,证明了堆石对自密实混凝土中裂缝发展的抑制作用。

纤维再生微粉水泥基复合材料断裂性能分析

基于三点弯曲试验,研究水胶比、再生微粉取代率、纤维种类对纤维再生微粉水泥基复合材料(FRPCC)断裂性能的影响.根据双K断裂参数分析各因素对FRPCC的增韧效果,并结合微观形貌分析各因素对FRPCC韧性的改善机制.结果表明:水胶比增大使纤维再生微粉水泥基复合材料失稳韧度先升高后降低;断裂韧度随着再生微粉取代率提升呈现先增后减的趋势;单掺玄武岩纤维(BF)会使FRPCC脆性增加,聚乙烯醇纤维(PVA纤维)占比增大能够明显提升FRPCC的断裂韧度;当水胶比为0.28、再生微粉取代率为45%、复掺0.2%玄武岩纤维和1.7%PVA纤维时,微观结构紧密,断裂韧度最优.

火灾全过程下10.9级高强螺栓断裂性能试验研究

火灾下钢梁悬链线效应产生的附加作用力易造成梁柱节点断裂破坏,掌握高强螺栓的高温力学性能和断裂性能是研究钢节点高温断裂破坏机理的基础。考虑应力三轴度和温升历程的影响,设计10.9级高强螺栓平滑圆棒和缺口圆棒试件,分别进行火灾升温段、升温-降温段和火灾后螺栓拉伸断裂试验,获得高强螺栓火灾全过程下工程和真实应力-塑性应变曲线;研究高强螺栓在复杂应力和高温共同作用下的断裂性能,并通过电镜扫描试件断口,研究其微观断裂机理。研究表明:火灾全过程下高强螺栓呈现韧性断裂特征;温度高于400℃时,EC3结果偏不安全,弹性模量折减系数偏大约0.15,屈服强度偏大0.3~0.4;不同温度工况下,应力三轴度越大,高温屈服强度和极限强度越大,断裂应变越小,但超过600℃时应力三轴度影响被削弱;断裂应变随温度升高而增大,降温段螺栓材性与峰值温度有关,直接采用升温段材性代替会造成不安全结果,弹性模量差异可达常温值的15%,屈服强度相差达20%;升温段材性直接代替火灾后材性则会造成材料浪费,强度折减系数差异达0.36。

碳化硅晶须对水泥基材料抗拉及断裂性能的影响

碳化硅晶须具有高强度、高弹性模量等优良特性。以减水剂作为分散剂制备碳化硅晶须,用来改性水泥基复合材料。通过“8”字模抗拉试验、圆环抗裂试验,以及基于数字图像相关法的预制裂缝三点弯曲试验来测试断裂性能,通过压汞试验研究孔结构,并通过SEM观测碳化硅晶须改性水泥基复合材料微观结构。结果表明,碳化硅晶须能使材料在裂缝扩展时产生裂纹偏转。碳化硅晶须的桥接效应和拔出机制可以有效控制裂纹扩展,增强水泥基材料的抗裂性能和抗拉强度;碳化硅晶须的掺入会使水泥砂浆的总孔隙率略有增加,但对水泥基材料抗拉强度和断裂性能无不利影响。