本文選題：混凝土 + 細(xì)觀損傷　； 參考：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文

【摘要】：混凝土由于其經(jīng)濟(jì)性和便于施工等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于橋梁、隧道及建筑工程中。混凝土橋梁產(chǎn)生開裂、裂縫寬度的擴(kuò)展直到超過限制、梁體撓度過大等狀況,都可認(rèn)為是混凝土變形失穩(wěn)的結(jié)果,均可從微觀角度來分析�；炷潦且活惡嗌皾{、骨料、摻雜相、孔隙及裂隙組成的多相復(fù)合材料,其組成決定了結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性和物理力學(xué)性質(zhì)不連續(xù)性。混凝土的破壞是其內(nèi)部微裂隙逐漸發(fā)展的最終結(jié)果,而研究混凝土內(nèi)部微缺陷或損傷演化規(guī)律,有益于全面了解和描述混凝土材料的力學(xué)特性、深入分析結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全可靠性。研究并定量表述混凝土承載條件下內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非線性變化,建立微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變形與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系,是混凝土非線性損傷、斷裂行為及本構(gòu)關(guān)系理論研究的重點(diǎn),這對(duì)于解決工程實(shí)際問題具有重要的意義。室內(nèi)宏細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究為揭示混凝土力學(xué)非線性特性本質(zhì),破壞前后力學(xué)特性的準(zhǔn)確描述提供理論、方法與工具,為理解混凝土非線性本質(zhì)、破壞與失穩(wěn)機(jī)理提供更深層次的認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)室尺度的研究中,通過各種試驗(yàn)儀器模擬不同應(yīng)力狀態(tài)對(duì)混凝土材料損傷演化規(guī)律進(jìn)行研究,借助測量儀器與方法對(duì)損傷及其引起的變形局部化進(jìn)行測量,對(duì)它們發(fā)展的幾何形態(tài)進(jìn)行定量描述。各國學(xué)者利用光彈性貼片法、激光散斑法,數(shù)字圖像相關(guān)法等技術(shù)對(duì)混凝土材料的損傷和變形局部化進(jìn)行觀測。這些方法只限于試件表面的研究,而對(duì)其內(nèi)部變形特征無法捕捉,混凝土材料的非均質(zhì)性決定了這些方法不能全面反映其局部化變形特征。聲發(fā)射(AE)是一種間接的動(dòng)態(tài)觀測方法,混凝土內(nèi)部裂紋在產(chǎn)生、擴(kuò)展、閉合、貫通等破壞過程中,會(huì)發(fā)出超聲波,應(yīng)用超聲波便成為研究混凝土內(nèi)部裂紋的有效工具,這種方法最大的缺陷是難以將細(xì)觀破壞定量化。計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT),是利用X射線的CT技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行掃描,獲得試件的投影圖像,通過數(shù)學(xué)重建得到斷面的以灰度值顯示的CT圖像,灰度值試件內(nèi)部物質(zhì)的物理密度函數(shù),因此根據(jù)CT圖像可以觀測到試件內(nèi)部損傷演化和裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通全過程,這類研究主要通過圖像分割方法提取裂紋或孔隙,而且對(duì)裂紋或孔隙的統(tǒng)計(jì)也只是對(duì)不同層位CT圖像或剖面圖像,不能全面反映裂隙在空間的分布狀態(tài);另外由于受到分辨率的限制,通過CT圖像只能獲取CT分辨率尺度的裂紋,并不能揭示CT分辨率尺度裂紋形成前局部化變形的產(chǎn)生與發(fā)展。利用CT掃描可以無損地獲取混凝土內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu),如何對(duì)其內(nèi)部的損傷及裂隙進(jìn)行三維表征,以及如何揭示宏觀裂紋形成前的變形局部產(chǎn)生與發(fā)展過程,是亟待解決的問題,有益于對(duì)混凝土細(xì)觀破壞機(jī)理的理解與認(rèn)識(shí)。本文將細(xì)觀力學(xué)、損傷力學(xué)、實(shí)驗(yàn)力學(xué)和數(shù)值計(jì)算理論相結(jié)合,以混凝土內(nèi)部損傷的表征方法和變形局部區(qū)域的識(shí)別為主要研究內(nèi)容,借助高精度的工業(yè)ct,利用體視學(xué)原理、數(shù)字圖像處理技術(shù)與數(shù)字體圖像相關(guān)法,從細(xì)觀角度研究單軸壓縮條件下混凝土內(nèi)部損傷演化和損傷累積引起的變形局部化產(chǎn)生及演化過程的定量表征及可視化方法。本文主要的研究工作與取得的成果如下:1.利用工業(yè)ct及自制的配套加載裝置實(shí)現(xiàn)了混凝土單軸原位掃描,獲得了試件內(nèi)部裂紋萌生、擴(kuò)展及貫通的全過程ct圖像。骨料與水泥漿界面是裂隙主要產(chǎn)生的區(qū)域,當(dāng)骨料長度方向與載荷方向夾角較大時(shí),骨料會(huì)被裂隙穿透產(chǎn)生破壞;原有大尺寸裂隙及孔隙在破壞前并沒有出現(xiàn)塌陷破碎,這些裂隙及孔隙往往成為裂隙擴(kuò)展的通道;2.不同應(yīng)力狀態(tài)下,不同層ct圖像灰度均值與均方差的差異反映了試件內(nèi)部的不均勻性。隨載荷增加,試件體積的變化引起了灰度值的變化,整體圖像的灰度均值經(jīng)歷了一個(gè)先增加后減小的過程,而灰度方差相應(yīng)先減小后增加,兩者隨試件變形均呈非線性變化。獲得了不同應(yīng)力狀態(tài)下,試件內(nèi)部裂隙百分?jǐn)?shù)分布圖,處于骨料與水泥漿界面體素內(nèi)部微裂隙變化明顯;圖像灰度值的統(tǒng)計(jì)可以分析小于ct分辨率尺度裂隙總體變化規(guī)律;3.通過圖像分割提取了不同加載階段試件內(nèi)部的裂隙三維數(shù)字圖像,統(tǒng)計(jì)了試件不同階段的孔隙率及裂隙三維計(jì)盒分形維數(shù),隨著載荷的變化,孔隙率和裂隙計(jì)盒分形維數(shù)變化趨勢(shì)具有一致性,而計(jì)盒分形維數(shù)綜合反映了裂隙的數(shù)量與幾何尺寸的變化;三維裂隙分析方法適于大于ct分辨率尺度裂隙的分析;4.引入基于體視學(xué)原理,構(gòu)造了裂隙面積張量sij、實(shí)體路徑張量λij和孔隙度張量nij,利用在不同荷載下的所得三個(gè)張量的第2不變量描述混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)在空間分布的非均勻性,由相對(duì)應(yīng)損傷變量:平均裂隙面積sv,平均實(shí)體路徑λ和平均孔隙率n0的變化來揭示混凝土試件內(nèi)部損傷的演化。在混凝土壓實(shí)階段,平均裂隙面積sv和平均孔隙率n0都有所減小,試件變得密實(shí),平均實(shí)體路徑尺寸λ增加,試件壓實(shí)到一定階段后,內(nèi)部產(chǎn)生新的微裂隙,sv和n0呈逐漸增長的趨勢(shì),平均實(shí)體路徑尺寸λ減小,裂隙與實(shí)體空間分布的非均勻性呈增長趨勢(shì),但由于內(nèi)部既有新的微裂隙產(chǎn)生,也會(huì)有原有裂隙發(fā)生閉合,導(dǎo)致?lián)p傷張量的第2不變量隨荷載增加出現(xiàn)波動(dòng);5.利用數(shù)字體散斑法(dvsp)結(jié)合ct圖像,得到了混凝土試件內(nèi)部變形過程中位移場與應(yīng)變場,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變的三維可視化;通過應(yīng)變分布圖,可以直觀揭示小于ct分辨率尺度微裂隙引起的應(yīng)變局部化區(qū)域產(chǎn)生與發(fā)展過程。由體積應(yīng)變-軸向應(yīng)力曲線分別定義了兩種尺度裂隙的起始點(diǎn),即小于ct分辨率尺度微裂隙和大于ct分辨率尺度裂隙的起始點(diǎn),它們所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力分別為54.7%和82.0%的峰值應(yīng)力;由應(yīng)變場數(shù)據(jù),定義了損傷應(yīng)變閾值,大于該閾值的區(qū)域定義為損傷區(qū)域,提出采用損傷區(qū)域位置的二次矩來定義損傷因子,反映損傷演化規(guī)律。6.基于混凝土試件高精度的CT圖像,分別提取了骨料、水泥漿、孔隙與界面,利用MIMICS軟件建立了混凝土試件細(xì)觀真實(shí)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型,導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件對(duì)單軸壓縮過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與CT實(shí)驗(yàn)與DVSP應(yīng)變分析結(jié)果進(jìn)行了比較,驗(yàn)證了建模方法的可行性,能夠揭示混凝土壓縮過程中變形破壞規(guī)律;7.利用CT圖像進(jìn)行分析時(shí)會(huì)受得CT系統(tǒng)分辨率的影響,不同分析方法所研究的尺度有其適用性。CT圖像灰度值的統(tǒng)計(jì)可以分析小于CT空間分辨率的裂隙,即體素內(nèi)微裂隙發(fā)育的總體規(guī)律;通過圖像分割分析裂隙與孔隙演化的方法更適于大于CT空間分辨率裂隙的分析,這兩種方法更適用于試件整體變形規(guī)律的描述;DVSP法可以分析CT分辨率尺度裂隙出現(xiàn)前,小于CT分辨率尺度的微裂隙或損傷引起的應(yīng)變局部化的產(chǎn)生與演化過程,而且能夠?qū)崿F(xiàn)精細(xì)化檢測。本文研究創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.利用CT獲取了加載條件下混凝土的體圖像,引入體視學(xué)原理,基于體圖像構(gòu)造了描述混凝土內(nèi)部損傷空間分布的構(gòu)造張量及損傷變量;2.將數(shù)字體散斑法與工業(yè)CT相結(jié)合,獲得了單軸壓縮條件下混凝土內(nèi)部三維應(yīng)變場,基于應(yīng)變值定義了損傷因子,反映試件內(nèi)部損傷演化;3.基于混凝土試件的體圖像,建立了能夠描述混凝土多相細(xì)觀結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型,并進(jìn)行了單軸加載數(shù)值模擬,結(jié)果能夠揭示混凝土壓縮過程中變形規(guī)律。本文研究為直觀定量描述混凝土細(xì)觀損傷及局部化變形演化過程提供了新方法和新途徑。
[Abstract]:Concrete is a kind of multiphase composite material composed of cement mortar , aggregate , doped phase , porosity and fracture . In this paper , the distribution state of cracks in the space can not be fully reflected ; moreover , due to the limitation of resolution , the generation and development of local deformation caused by the crack initiation , expansion and penetration in the concrete are obtained through CT images . In this paper , three - dimensional numerical model of deformation of concrete specimen is established by using the method of volumetric strain - axial stress . 3 . Based on the body image of concrete specimen , a numerical model which can describe the multi - phase meso - structure of concrete is established , and the numerical simulation of uniaxial loading is carried out . The results show that the deformation law in concrete compression process can be revealed . This paper presents a new method and a new way for the visual quantitative description of concrete mesoscopic damage and localized deformation evolution .
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU528

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2000116