混凝土环式约束收缩开裂试验的研究及其改进

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如何防止混凝土结构物开裂,提高混凝土结构物自身的抗裂性能是现代水泥混凝土技术工程中的一项重大课题。想要提高混凝土结构物的抗裂性能,就必须对影响混凝土抗裂性能的各种因素进行研究。因此,良好的试验和研究方法是提高混凝土结构物抗裂性能的前提。在众多研究混凝土抗裂性能的方法中,环式约束收缩开裂试验方法是应用比较广泛的一种。但是,此种方法也存在试件开裂位置发散性的问题。为了解决上述问题,本文提出了一种改进的环式约束收缩开裂试验方法。为了加深人们对环式约束收缩开裂试验的理解和论证改进型环式约束收缩开裂试验的可行性,并为改进型环式约束收缩开裂试验设计提供依据,本文开展了如下工作并等到了如下结论:(1)本文首先对有关混凝土干燥收缩、相对湿度扩散的文献进行了充分的研究,根据环式约束收缩开裂试验的实际情况,确定了本文中的湿度场控制方程、应力场中的物理方程、几何方程、平衡方程以相对湿度扩散系数、混凝土表面水分交换系数、混凝土力学性能的弹性模量等相关系数。(2)根据混凝土环式约束收缩开裂试验的实际情况,在ANSYS单元库中,选择了用于有限元分析的单元类型。又根据迦辽金法和虚功原理推倒出了湿度场有限元公式和应力场有限元公式,建立了数值模拟分析所要用到的数值模型。(3)利用ANSYS有限元软件数值模拟分析了环式约束收缩开裂试验中混凝土试件的相对湿度分布和第一主应力分布情况。研究结果表明:在环式约束收缩开裂试验中,混凝土试件中的相对湿度最小值和第一主应力最大值都位于混凝土试件的外边缘。随着径向距离的减小,混凝土试件中的相对湿度值逐渐增大,而第一主应力值逐渐减小,到达混凝土试件内边缘时,混凝土相对湿度达到最大值,第一主应力达到最小值。随着时间的延长,在相同位置处的相对湿度值逐渐的减小,第一主应力逐渐的增大。在距混凝土试件外边缘相同距离处,混凝土试件的第一主应力相等。这说明,在应用环式约束收缩开裂试验测试混凝土抗裂性能时,试件的开裂位置是无法确定的,严重影响开裂时间和抗裂宽度等参数的测量,对试验的准确性造成了影响。(4)利用ANSYS有限元软件数值模拟分析了混凝土强度等级、钢环弹性模量、钢环尺寸对环式约束收缩开裂试验中的混凝土试件的相对湿度分布和第一主应力分布的影响。研究结果表明:在环式约束收缩开裂试验中,随着混凝土强度等级的提高,混凝土相对湿度扩散作用减弱,混凝土试件中的第一主应力最大值增大;随着钢环弹性模量的提高和尺寸的增大,混凝土试件中的第一主应力增大。因此,在环式约束收缩开裂试验中,尽量提高钢环的弹性模量和尺寸对测试混凝土的抗裂性能有利。(5)利用ANSYS有限元软件数值模拟分析了改进型环式约束收缩开裂试验中混凝土试件的相对湿度分布和第一主应力分布。数值分析结果表明:混凝土试件同一横截面上的相对湿度最小值和第一主应力最大值都位于混凝土试件的外边缘。沿着混凝土试件的外边缘,从混凝土试件最小横截面到最大横截面,在距外边缘相同距离的点上,混凝土试件的相对湿度逐渐增大,第一主应力逐渐减小。在整个混凝土试件上,混凝土试件相对湿度最小值和第一主应力最大值都位于最小横截面的外边缘。而且,随着偏心距的增大,上述相对湿度和第一主应力分布规律会越来越明显。因此,在利用改进型环式约束开裂试验时,混凝土试件一定会首先在横截面最小处开裂。这说明,通过让混凝土圆环试件所围成的圆心和钢圆环所围成的圆心产生一定的偏心距来在混凝土试件中制造一个薄弱位置,从而引导混凝土试件产生裂缝的位置,解决环式约束收缩开裂试验的缺点是可行的,而且,随着偏心距的增大,对混凝土试件开裂位置的引导作用会越要越强烈。(6)利用ANSYS有限元软件数值模拟分析了混凝土强度等级、钢环弹性模量、钢环尺寸对改进型环式约束收缩开裂试验中混凝土试件最小横截面上的第一主应力分布的影响。研究结果表明:在偏心距一定的情况下,随着混凝土强度的提高,混凝土的相对湿度扩散作用减弱,第一主应力最大值在最小横截面上增大;随着钢环弹性模量的提高和尺寸的扩大,混凝土试件最小横截面上第一主应力值增大,这说明,钢环提高弹性模量和增大尺寸对改进型环式约束收缩开裂试验测试混凝土抗裂性能有利。
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