查看更多>>摘要：耐久性问题是混凝土的核心问题,其中混凝土结构的开裂是导致其耐久性变差的重要影响因素之一.裂缝的存在会改变有害离子(氯离子、硫酸根离子等)的侵入方式,而由开裂导致混凝土渗透作用的增大可达几个量级.相比于有害离子的输运机理,裂缝的性质对离子传输起到至关重要的作用.在不同荷载工况下混凝土内部裂缝形态差异较大,有害离子在混凝土中的输运性能还受荷载类型(受拉、受压、受剪和受弯等)、加载水平和加载速度等的影响.其中,裂缝的宽度、深度、长度、曲折度和连通度等均是影响混凝土开裂后有害离子侵入的决定性因素.要深入研究裂缝对混凝土耐久性的影响,关键是如何准确地表征裂纹在混凝土中的三维分布情况.因此,从材料细观角度出发,考虑混凝土损伤的非线性特性,来研究混凝土内部微裂纹与裂缝的萌生、扩展直至破坏的全过程,从而构建完整的裂纹边缘轮廓来表征裂缝的空间存在形态,准确描述混凝土的非线性损伤特征,完善混凝土损伤的本构模型,进而建立统一裂缝发展评价体系,对混凝土的开裂行为进行综合评价,并预测其耐久性,这对最终形成混凝土结构全寿命设计体系具有十分重要的工程意义.混凝土类材料的破坏过程受其内部初始缺陷的影响.同时,由于混凝土材料本身的非均匀性,使其破坏过程变得更为复杂.因此,如何来研究混凝土复杂的破坏过程,到目前为止一直是尚未克服的难题.为实现混凝土裂缝信息的提取及量化分析,研究微裂缝的产生和扩展过程,本文借助于X-ray μCT测试系统研究了不同加载方式(单轴压缩、三点抗折和四点弯曲)下混凝土单元的损伤发展过程,实现了裂缝信息提取及量化分析,并对不同尺寸立方体及不同最大骨料粒径的混凝土单元单轴压缩下的损伤发展进行了研究,并基于Weibull分布提出了改 进后的混凝土单元单轴压缩损伤模型.论文主要完成了以下工作:(1)基于X-ray μCT测试系统建立一种用于原位监测和评估损伤发展的实验技术,并证明其在单轴压缩、三点抗折和四点弯曲加载下表征混凝土损伤过程的可行性和有效性.对于单轴压缩测试,通过改进制样模具,获得了单轴压缩加载下混凝土单元损伤发展的形态信息,分析了微观结构与混凝土单元材料性能间的对应关系;对于三点抗折和四点弯曲测试,在抗压加载配件的基础上设计了适用于三点抗折和四点弯曲测试的加载配件,实现了混凝土单元原位三点抗折和四点弯曲试验加载及同步扫描追踪其微观结构变化,研究了混凝土单元的微观力学与材料特性之间的关系,并通过图像直接量测对不同切面上裂缝的开口位移和高度变化进行了分析.这些结果有助于在未来的研究中进一步理解混凝土单元的损伤进程和改进相应的基于微观力学的损伤模型.(2)通过对拍摄参数的优化,实现了X-ray μCT测试过程的优化处理.通过选取合适清晰度评价函数,建立了适用的图像质量评价方法,分别对X-ray μCT测试过程中的拍摄参数(电压、电流、曝光时间和拍摄张数)对图像质量的影响进行了归一化评价分析,得到了适合于本文试验的综合最优拍摄参数.(3)提出了裂缝形态信息提取及其量化分析的方法.通过边缘检测、边缘增强、灰度替换、基于圆度的孔隙和裂缝的区分,建立了X-ray μCT扫描后混凝土破坏前后切片图中裂缝信息的提取及量化分析方法,实现了裂缝的单独分离、量化分析及裂缝形态在空间的真实表征.(4)基于CT拍摄图像质量优化和裂缝信息提取方法的研究,获得单轴压缩条件下混凝土单元裂缝发展的形态信息,分析了微观结构与混凝土单元材料性能间的对应关系;基于损伤过程的定量分析,对通过裂缝面积和体积所建立的损伤因子进行研究,发现基于面积的损伤因子能更好地反映各向异性材料损伤发展的随机性和非线性.同时研究了不同尺寸和不同最大骨料粒径对混凝土单元性能的影响规律,发现单轴压缩条件下CT原位加载扫描测试中不同尺寸和不同最大骨料粒径的混凝土立方体单元的短期载荷下降幅度约为30%,因持荷扫描引起的强化效应造成的荷载增加幅度约为20%;最大骨料粒径对单轴抗压强度、应力松弛和损伤因子增量等具有一定程度的影响,其中对于损伤发展的影响最为显著.(5)对单轴压缩加载全过程中各阶段应力、应变与相应的损伤因子及切片图像间的联系进行了分析,并就不同CT加载测试工况下的损伤发展规律进行了分析,发现考虑初始损伤下,利用本文所用拟合公式可较好地实现损伤随应变变化关系的拟合,进而为预测不同位置损伤的发展提供依据.此外,通过对细观层面上损伤变化的准确描述,基于Weibull分布提出了改进后的混凝土单元损伤发展模型,在该模型中考虑了基于空隙切片面积变化的损伤因子及应变的变化,可较好地实现损伤发展过程的表征.
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