地下結(jié)構(gòu)混凝土電化學沉積修復界面性能及其細觀模型

當前體現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)非對稱性特點的電化學沉積修復試驗研究不多，關于地下結(jié)構(gòu)混凝土電化學沉積修復界面性能分析試驗的研究更少；在理論模型方面，對于考慮非對稱修復界面特征的地下結(jié)構(gòu)混凝土性能預測模型研究幾乎空白。針對地下結(jié)構(gòu)混凝土電化學沉積修復試驗和理論模型存在的問題，本項目從地下結(jié)構(gòu)混凝土非對稱電化學沉積修復試驗、地下結(jié)構(gòu)混凝土非對稱電化學沉積修復界面特征分析試驗和考慮非對稱修復界面特征的地下結(jié)構(gòu)混凝土性能預測細觀模型等三個方面展開研究。 首先設計并制備了管片底部和頂部結(jié)構(gòu)非對稱電沉積法試驗裝置，從28天的修復效果來看，電沉積法具備修復地下結(jié)構(gòu)不同部位裂縫的可行性。其次，運用X射線衍射法，掃描電子顯微鏡等工具分析電化學沉積法修復混凝土的界面性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，對Mg(NO3)2電解修復液而言，濃度較小時，產(chǎn)生的Mg(OH)2晶體顆粒小，厚度薄，排列松散；濃度較大時，表現(xiàn)為整體度較高的花瓣狀結(jié)晶，顆粒聚集成群，排列緊密。對ZnSO4電解修復液而言，濃度較小時，沉積物晶體大都為片狀的紡錘體狀態(tài)，體積??；濃度較大時，則呈現(xiàn)為板狀結(jié)構(gòu)，厚度很厚，整體度很高。最后，建立了地下結(jié)構(gòu)飽和與非飽和混凝土電化學沉積修復的性能預測細觀模型，定量分析了電化學沉積產(chǎn)物和修復界面對修復效果的影響規(guī)律，為加快電化學沉積修復法在地下結(jié)構(gòu)工程中的應用提供指導。培養(yǎng)碩士研究生1名，發(fā)表相關論文10余篇（其中SCI 檢索7篇），申請發(fā)明專利3項，參加國際會議1次，國內(nèi)學術(shù)會議2次。同時，作為《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性電化學修復技術(shù)規(guī)程》標準中電化學沉積修復主要起草人之一，將研究成果反應到標準中。 2100433B

地下結(jié)構(gòu)由于受巖土體和地下水等復雜地下環(huán)境的作用，保持其良好的健康服役狀態(tài)非常困難，極有必要開發(fā)適合于地下水環(huán)境下的既有地下結(jié)構(gòu)混凝土修復手段，達到延年益壽的目的。電化學沉積法是水環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)修復的重要手段。其最早是用于修復海工混凝土結(jié)構(gòu)。近來眾多學者針對陸上結(jié)構(gòu)混凝土電化學沉積修復已開展了電化學沉積產(chǎn)物性能、修復試件制備、修復效果評估及其影響因素等方面的研究。但對于體現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)非對稱性特征的混凝土電化學沉積修復試驗研究不多見，對于地下結(jié)構(gòu)混凝土非對稱電化學沉積修復界面性能及其細觀模型的研究更是罕見。為此，本項目將開展以下三方面的研究：1）地下結(jié)構(gòu)混凝土非對稱電化學沉積修復試驗；2）地下結(jié)構(gòu)混凝土非對稱電化學沉積修復界面特征分析試驗；3）考慮非對稱修復界面特征的地下結(jié)構(gòu)混凝土性能預測細觀模型。該創(chuàng)新性的研究將加速電化學沉積法在地下結(jié)構(gòu)修復中的應用。

本項研究基于混凝土細觀顆粒元仿真模型，考慮骨料、砂漿、交界面三相的強度非均勻性，考察混凝土材料的動力損傷斷裂破壞全過程，并分析應變能-動能-摩阻耗能的全程變化?；诩氂^顆粒元建立落錘-結(jié)構(gòu)全系統(tǒng)仿真模型，對沖擊試驗進行全過程模擬，研究了系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)化過程，并提出顆粒元能量模式與傳統(tǒng)斷裂能的轉(zhuǎn)換關系?；陬w粒元-有限差耦合方法，建立無粘結(jié)預應力混凝土梁沖擊試驗仿真模型，其中混凝土顆粒單元和鋼筋桿單元在錨固點交互作用，對混凝土損傷斷裂和鋼筋屈服的動力破壞過程進行模擬，并與試驗結(jié)果進行了比較研究。細觀數(shù)值仿真成果與混凝土動力試驗進行全面對比，從而進一步解釋率相關效應的機理，并驗證與改進細觀模型。 在試驗驗證方面，建立穩(wěn)定可靠的混凝土落錘沖擊試驗測試系統(tǒng)，通過改變重錘質(zhì)量、下落高度和錘頭材料完成了不同加載速率的沖擊試驗，對試驗中混凝土梁的承載力、動態(tài)位移、應變、斷裂過程、動量-沖量平衡關系、慣性力和斷裂能等動力特性進行了測量和分析。設計了無粘結(jié)預應力混凝土梁沖擊試驗，對鋼筋屈服-混凝土斷裂的非線性相互作用過程進行系統(tǒng)分析，證明預應力鋼筋限制了混凝土的變形和裂紋擴展，鋼筋的屈服程度決定了混凝土的裂紋擴展程度和多次沖擊的剩余承載力。 2100433B

混凝土在地震動與高速沖擊荷載作用下其強度本構(gòu)關系與破壞性能顯示出明顯的與加載速率密切相關的特征。隨加載速率的提高，其強度表現(xiàn)出顯著增長的率效應，這一現(xiàn)象對高壩等大型結(jié)構(gòu)的動力安全穩(wěn)定性評價具有重大影響。本項研究目標是探索混凝土動力率相關效應和不同荷載環(huán)境及初載歷史的影響機理。 基于混凝土細觀顆粒元仿真模型，考慮骨料、砂漿、交界面三相的強度非均勻性，考慮初始靜力加載等初載條件，以不同加載速率施加荷載，考察混凝土材料的動力損傷斷裂破壞全過程，并分析應變能-動能-摩阻耗能的全程變化，從而揭示混凝土動力率相關效應的內(nèi)在機理。 在試驗驗證方面，在霍普金森桿沖擊劈拉試驗基礎上，采用中-高速率的重力落錘試驗裝置，進行混凝土動力彎曲試驗，研究其動力本構(gòu)關系與應變率的關系，觀察不同速率的損傷斷裂過程與破壞形態(tài)。據(jù)此與細觀數(shù)值仿真成果進行全面對比，從而進一步解釋率相關效應的機理，并驗證與改進細觀模型。

第1章緒論

1.1研究背景及意義

1.2混凝土動力性能研究

1.2.1混凝土動力試驗方法

1.2.2混凝土強度率相關規(guī)律

1.2.3動力破壞機理研究

1.2.4水工混凝土動力性能研究

1.3混凝土細觀數(shù)值模型方法

1.3.1有限元模型

1.3.2格構(gòu)模型

1.3.3離散元模型

1.4論文主要內(nèi)容與創(chuàng)新點

1.4.1論文主要內(nèi)容

1.4.2論文創(chuàng)新點

第2章混凝土細觀顆粒元模型驗證與軸拉、劈拉、彎拉強度試驗仿真

2.1概述

2.2混凝土細觀顆粒元模型

2.2.1顆粒元平行黏結(jié)模型

2.2.2顆粒元能量理論

2.2.3混凝土細觀結(jié)構(gòu)預處理及參數(shù)反演

2.3混凝土細觀顆粒元模型驗證與軸拉、劈拉、彎拉強度對比

2.3.1混凝土靜動力強度試驗及細觀模型

2.3.2靜力抗拉強度對比與分析

2.3.3動力抗拉強度對比與分析

2.4本章小結(jié)第3章混凝土動力沖擊性能試驗研究

3.1概述

3.2試驗設計

3.2.1試驗設備及試件

3.2.2預備試驗

3.3試驗數(shù)據(jù)分析

3.3.1加速度信號處理

3.3.2慣性力分析

3.4試驗結(jié)果

3.4.1鋁錘頭不同落錘高度試驗結(jié)果

3.4.2鋁錘頭不同落錘質(zhì)量試驗結(jié)果

3.4.3橡膠錘頭不同落錘高度試驗結(jié)果

3.5試驗分析及討論

3.5.1動量沖量平衡關系

3.5.2率相關效應

3.5.3系統(tǒng)能量平衡與混凝土梁能量組成

3.6本章小結(jié)

第4章落錘結(jié)構(gòu)全系統(tǒng)細觀模型仿真與分析

4.1概述

4.2細觀顆粒元全系統(tǒng)模型仿真分析

4.3數(shù)值模型結(jié)果和對比

4.3.1力時程結(jié)果對比

4.3.2豎向位移結(jié)果對比

4.3.3混凝土應變結(jié)果對比

4.3.4高應變率試驗模擬

4.4分析及討論

4.4.1率相關效應

4.4.2破壞現(xiàn)象

4.4.3系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換過程

4.4.4顆粒元能量轉(zhuǎn)化及對比

4.5本章小結(jié)第5章無黏結(jié)預應力混凝土動力沖擊性能試驗研究

5.1概述

5.2試件及試驗裝置

5.2.1無黏結(jié)預應力混凝土試件

5.2.2試驗裝置及測量

5.3不同配筋率混凝土梁有效預應力影響研究

5.3.1鋼筋動應變

5.3.2混凝土梁開裂過程

5.3.3混凝土梁動力承載力變化及豎向變形

5.3.4能量分析

5.4不同配筋率混凝土梁率相關研究

5.4.1鋼筋動應變

5.4.2承載力率相關分析

5.5不同配筋率混凝土梁多次沖擊影響研究

5.5.1鋼筋動應變

5.5.2承載力及豎向位移變化

5.5.3混凝土裂紋寬度變化

5.6本章小結(jié)

第6章顆粒元有限差耦合模型及預應力混凝土沖擊試驗仿真

6.1概述

6.2顆粒元有限差耦合模型

6.2.1有限差分法

6.2.2顆粒元有限差耦合算法

6.2.3顆粒元有限差全系統(tǒng)模型

6.3數(shù)值模型結(jié)果和對比分析

6.3.1數(shù)值結(jié)果對比

6.3.2能量過程分析與對比

6.4本章小結(jié)

第7章混凝土梁初始靜載影響的細觀動力仿真與研究

7.1概述

7.2初始靜載影響的試驗研究

7.3基于細觀顆粒元的初始靜載影響分析

7.3.1動力強度增長段

7.3.2動力強度下降段

7.4本章小結(jié)

第8章結(jié)論及展望

8.1主要研究成果和結(jié)論

8.2研究展望

參考文獻在學期間發(fā)表的學術(shù)論文與研究項目致謝2100433B