一种混凝土随机凸多边形骨料模型生成方法

混凝土的级配及骨料含量对其宏观力学特性有直接的影响,适当的随机骨料模型是进行混凝土细观力学数值模拟分析的前提和基础。本文首先讨论了瓦拉文公式的推导过程,分析了骨料分布和形态的随机特性,按照骨料切面几何图形面积等效的原则,将瓦拉文公式推广应用于确定二维混凝土试件截面凸多边骨料分布。研究了点与多边形及多边形与多边形的贯穿和侵入的几何关系,编制了凸多边形生成程序和细观有限元剖分程序。全级配混凝土梁三分点加载弯曲数值试验显示了所编程序的正确性。

基于凸多边形粗骨料模型的混凝土氯离子扩散细观数值模拟

细观数值模拟是研究海洋环境下钢筋混凝土结构中氯离子传输的重要方法之一。细观数值模型将混凝土视为由水泥砂浆、粗骨料及界面过渡区组成的三相复合材料,目前建立的氯离子传输细观数值模型大多将粗骨料简化为圆形、正多边形等规则的几何形状,与实际粗骨料形状存在较大差异;少数学者建立的不规则形状粗骨料模型,其生成和投放效率较低,不适于大规模数值模拟计算。文章提出了随机生成凸多边形粗骨料的插点排序算法,建立了基于随机凸多边形粗骨料模型的混凝土氯离子扩散细观数值模型,相比于目前延凸算法得到的凸多边形骨料模型,文章建立的细观数值模拟方法具备更高的计算效率。通过物理试验实测数据,对细观数值模型进行了验证。基于建立的细观数值模型,研究了粗骨料体积分数对氯离子扩散性能的影响规律。

硫酸盐对混凝土侵蚀过程的细观数值分析

硫酸盐侵蚀作为混凝土耐久性损伤的一个重要方面,日益受到人们的普遍关注。根据Fick第二定律和化学反应动力方程,建立了细观层面硫酸盐对混凝土侵蚀过程的数值分析方法。以混凝土随机凸多边形骨料模型为基础,利用Matlab程序对有限元软件进行二次开发,建立了基于扩散-化学反应的硫酸盐对混凝土侵蚀过程的细观数值分析方法,并与试验结果进行了对比。结果表明:硫酸盐侵蚀过程细观数值方法得到的模拟结果与试验结果吻合较好,可以有效模拟硫酸盐对混凝土的侵蚀过程;距混凝土表面一定深度范围内,SO_(4)^(2-)浓度随表面SO_(4)^(2-)浓度的提高而增加;砂浆中SO_(4)^(2-)扩散系数是影响混凝土内SO_(4)^(2-)最大侵蚀深度的主要因素;界面过渡区厚度对硫酸盐环境中混凝土损伤的影响较小。

基于细观层次的再生混凝土抗压强度数值分析

针对再生混凝土细观结构组成复杂、具有高度的非均匀性的特性,利用Monte-Carlo原理建立了包含新、旧砂浆,新、旧界面过渡区及天然骨料等五相随机凸多边形骨料模型,结合混凝土塑性损伤模型进行单轴压缩模拟。在验证了所建模型合理性的基础上,研究了再生混凝土单轴受压的破坏机理,分析了再生混凝土的破坏与应力分布的关系,并调整相关参数,讨论了新、旧界面过渡区和新、旧砂浆性能对再生混凝土抗压强度的影响。结果表明:大粒径骨料及其形状对再生混凝土的破坏起关键作用;拉应力与切应力集中是其破坏的主要原因;细观上累积损伤形成了再生混凝土的宏观破坏;分析得到提升RAC抗压强度的优先级依次为新砂浆、旧砂浆、新界面过渡区、旧界面过渡区。

再生混凝土抗氯离子渗透的五相细观数值模拟

考虑到再生混凝土微细观结构的非均质性,建立了包括新、旧界面过渡区,新砂浆、旧粘结砂浆和天然骨料的再生混凝土五相模型。基于Monte Carlo理论,借助MATLAB软件平台开发了更贴近实际的再生混凝土凸多边形粗骨料分析模型。模型计算结果与试验结果相近,证明五相凸骨料细观模型能较好地预测再生混凝土中氯离子的渗透行为,进而定量分析了再生骨料混凝土特性因子对氯离子渗透的影响。研究结果表明:当再生粗骨料体积分数由0增至50%时,氯离子扩散系数和扩散深度分别增加102.0%和23.9%;当界面过渡区厚度从25μm扩大至100μm时,氯离子扩散深度和扩散系数分别增加13%和37.0%;当再生粗骨料含量较大时,旧粘结砂浆的增加会显著降低再生混凝土抗氯离子渗透性能,旧砂浆粘结率从0.1增加到0.4,氯离子扩散系数增加18.2%;新、旧界面过渡区和旧粘结砂浆是影响再生混凝土抗氯离子渗透能力的根本原因。