有压水环境中不同孔隙结构特征的混凝土动态力学性能研究

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用于建设大坝以及跨海大桥的混凝土,常年处于高水压力的环境中。在水中,处于不同高度的混凝土受到的水压力不同,进而导致混凝土含水量的不同,在动态荷载作用下,含水量对混凝土的动态力学性能的影响较大,作为一种多孔介质材料,混凝土内部的孔隙结构特征又会严重影响混凝土的含水量。因此,要研究在水压力环境中的混凝土动态性能,就必须考虑混凝土内部的孔隙结构特征。因此说,在有压水环境中,考虑内部孔隙结构特征与含水量状况,对混凝土的动态力学性能展开研究,成为了确立本文研究内容与研究目标的指导思想。论文旨在将混凝土内部孔隙结构特征作为关键因素,探寻在不同有压水环境中的混凝土动态特性。为此,通过掺加不同含量的粉煤灰(0%、20%、40%)获得不同孔隙结构特征的混凝土试样(后文中以F00、F20、F40分别代表三种不同孔隙结构特征的混凝土),再在不同水压力(干燥、1 MPa、3 MPa、5 MPa)与不同应变速率(10-5/s、10-4/s、10-3/s、10-2/s)下进行单轴压缩试验。在进行单轴压缩试验前,对试件进行有压水环境中的水饱和预处理;并利用含水量特征值计算理论,建立含水量特征值与混凝土含水量的相关性;在此基础上,建立含水量特征值与混凝土动态特性之间的关联性;进而,探究混凝土动态力学性能与孔隙结构、含水量之间的相关性;最后,对混凝土的损伤和破坏机理进行分析。本文具体内容和主要结论如下所述。(1)在混凝土孔隙结构特征方面:通过总结分析部分学者对掺粉煤灰混凝土的孔隙结构特征的研究,探究粉煤灰对混凝土力学性能的影响。研究表明,粉煤灰的加入会填充混凝土内部的孔隙,使其更加密实;随着粉煤灰的增加,混凝土的体积孔隙率呈现先减小后增大的趋势,在粉煤灰掺量为10%时,混凝土的体积孔隙率达到最低。(2)在含水量研究方面:对比分析了几种混凝土含水量测定的方法,定义了含水量特征值,以代表混凝土内部含水量的多少,得到不同孔隙结构特征下的含水量特征值,建立了混凝土含水量特征值、水压力、孔隙结构特征三者间的关系式。研究表明,同一水压力下,F00混凝土的含水量特征值最大,F40混凝土次之,F20混凝土最小。影响不同孔隙结构特征混凝土含水量的主要因素是粗毛细孔和细孔的孔隙率,而与毛细孔的孔隙率关系不大。(3)在混凝土峰值应力研究方面:在一定水围压下,对混凝土进行饱和处理,再进行不同加载速率下的单轴压缩试验,得到混凝土峰值应力、动态增强因子与应变速率之间的关系。建立混凝土单位体积含水量、混凝土峰值应力增加值与应变速率之间的关系,研究表明,在动态荷载作用下,含水量存在一个阈值,当小于这个阈值时,随着含水量的增加,混凝土的峰值应力降低;不同孔隙结构特征的混凝土速率效应相近;F20混凝土峰值应力增加值与含水量特征值的比值与应变速率呈现二次函数关系,F40和F00混凝土的则呈现线性关系;水对混凝土强度的作用效果体现出两面性,一方面水对混凝土强度起到削弱作用,另一方面,在动态荷载作用下,水对混凝土强度起到增强作用,两种作用叠加,宏观上体现出对混凝土强度的影响;随着加载速率的增加,水对混凝土强度的削弱作用也增强。(4)在应力应变本构模型构建方面:为了探究不同孔隙结构特征混凝土的损伤特性,选取Weibull-Lognormal模型对混凝土的应力-应变曲线进行拟合,并得到不同应变速率下的损伤发展曲线,研究表明,Weibull-Lognormal对本文工况下的应力-应变曲线拟合效果较好;加载速率和水围压的升高会延缓混凝土的损伤发展;F20混凝土对围压效应最敏感。
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