地下結(jié)構(gòu)混凝土電化學(xué)沉積修復(fù)界面性能及其細(xì)觀模型中文摘要

地下結(jié)構(gòu)由于受巖土體和地下水等復(fù)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(fù)手段，達(dá)到延年益壽的目的。電化學(xué)沉積法是水環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)的重要手段。其最早是用于修復(fù)海工混凝土結(jié)構(gòu)。近來眾多學(xué)者針對(duì)陸上結(jié)構(gòu)混凝土電化學(xué)沉積修復(fù)已開展了電化學(xué)沉積產(chǎn)物性能、修復(fù)試件制備、修復(fù)效果評(píng)估及其影響因素等方面的研究。但對(duì)于體現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性特征的混凝土電化學(xué)沉積修復(fù)試驗(yàn)研究不多見，對(duì)于地下結(jié)構(gòu)混凝土非對(duì)稱電化學(xué)沉積修復(fù)界面性能及其細(xì)觀模型的研究更是罕見。為此，本項(xiàng)目將開展以下三方面的研究：1）地下結(jié)構(gòu)混凝土非對(duì)稱電化學(xué)沉積修復(fù)試驗(yàn)；2）地下結(jié)構(gòu)混凝土非對(duì)稱電化學(xué)沉積修復(fù)界面特征分析試驗(yàn)；3）考慮非對(duì)稱修復(fù)界面特征的地下結(jié)構(gòu)混凝土性能預(yù)測(cè)細(xì)觀模型。該創(chuàng)新性的研究將加速電化學(xué)沉積法在地下結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用。

當(dāng)前體現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性特點(diǎn)的電化學(xué)沉積修復(fù)試驗(yàn)研究不多，關(guān)于地下結(jié)構(gòu)混凝土電化學(xué)沉積修復(fù)界面性能分析試驗(yàn)的研究更少；在理論模型方面，對(duì)于考慮非對(duì)稱修復(fù)界面特征的地下結(jié)構(gòu)混凝土性能預(yù)測(cè)模型研究幾乎空白。針對(duì)地下結(jié)構(gòu)混凝土電化學(xué)沉積修復(fù)試驗(yàn)和理論模型存在的問題，本項(xiàng)目從地下結(jié)構(gòu)混凝土非對(duì)稱電化學(xué)沉積修復(fù)試驗(yàn)、地下結(jié)構(gòu)混凝土非對(duì)稱電化學(xué)沉積修復(fù)界面特征分析試驗(yàn)和考慮非對(duì)稱修復(fù)界面特征的地下結(jié)構(gòu)混凝土性能預(yù)測(cè)細(xì)觀模型等三個(gè)方面展開研究。 首先設(shè)計(jì)并制備了管片底部和頂部結(jié)構(gòu)非對(duì)稱電沉積法試驗(yàn)裝置，從28天的修復(fù)效果來看，電沉積法具備修復(fù)地下結(jié)構(gòu)不同部位裂縫的可行性。其次，運(yùn)用X射線衍射法，掃描電子顯微鏡等工具分析電化學(xué)沉積法修復(fù)混凝土的界面性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)Mg(NO3)2電解修復(fù)液而言，濃度較小時(shí)，產(chǎn)生的Mg(OH)2晶體顆粒小，厚度薄，排列松散；濃度較大時(shí)，表現(xiàn)為整體度較高的花瓣?duì)罱Y(jié)晶，顆粒聚集成群，排列緊密。對(duì)ZnSO4電解修復(fù)液而言，濃度較小時(shí)，沉積物晶體大都為片狀的紡錘體狀態(tài)，體積?。粷舛容^大時(shí)，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(xué)沉積修復(fù)的性能預(yù)測(cè)細(xì)觀模型，定量分析了電化學(xué)沉積產(chǎn)物和修復(fù)界面對(duì)修復(fù)效果的影響規(guī)律，為加快電化學(xué)沉積修復(fù)法在地下結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。培養(yǎng)碩士研究生1名，發(fā)表相關(guān)論文10余篇（其中SCI 檢索7篇），申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)，參加國(guó)際會(huì)議1次，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議2次。同時(shí)，作為《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性電化學(xué)修復(fù)技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)中電化學(xué)沉積修復(fù)主要起草人之一，將研究成果反應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)中。 2100433B

本項(xiàng)研究基于混凝土細(xì)觀顆粒元仿真模型，考慮骨料、砂漿、交界面三相的強(qiáng)度非均勻性，考察混凝土材料的動(dòng)力損傷斷裂破壞全過程，并分析應(yīng)變能-動(dòng)能-摩阻耗能的全程變化?；诩?xì)觀顆粒元建立落錘-結(jié)構(gòu)全系統(tǒng)仿真模型，對(duì)沖擊試驗(yàn)進(jìn)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(guān)系。基于顆粒元-有限差耦合方法，建立無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁沖擊試驗(yàn)仿真模型，其中混凝土顆粒單元和鋼筋桿單元在錨固點(diǎn)交互作用，對(duì)混凝土損傷斷裂和鋼筋屈服的動(dòng)力破壞過程進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較研究。細(xì)觀數(shù)值仿真成果與混凝土動(dòng)力試驗(yàn)進(jìn)行全面對(duì)比，從而進(jìn)一步解釋率相關(guān)效應(yīng)的機(jī)理，并驗(yàn)證與改進(jìn)細(xì)觀模型。 在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，建立穩(wěn)定可靠的混凝土落錘沖擊試驗(yàn)測(cè)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(yàn)，對(duì)試驗(yàn)中混凝土梁的承載力、動(dòng)態(tài)位移、應(yīng)變、斷裂過程、動(dòng)量-沖量平衡關(guān)系、慣性力和斷裂能等動(dòng)力特性進(jìn)行了測(cè)量和分析。設(shè)計(jì)了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁沖擊試驗(yàn)，對(duì)鋼筋屈服-混凝土斷裂的非線性相互作用過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，證明預(yù)應(yīng)力鋼筋限制了混凝土的變形和裂紋擴(kuò)展，鋼筋的屈服程度決定了混凝土的裂紋擴(kuò)展程度和多次沖擊的剩余承載力。 2100433B

混凝土在地震動(dòng)與高速?zèng)_擊荷載作用下其強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系與破壞性能顯示出明顯的與加載速率密切相關(guān)的特征。隨加載速率的提高，其強(qiáng)度表現(xiàn)出顯著增長(zhǎng)的率效應(yīng)，這一現(xiàn)象對(duì)高壩等大型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力安全穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重大影響。本項(xiàng)研究目標(biāo)是探索混凝土動(dòng)力率相關(guān)效應(yīng)和不同荷載環(huán)境及初載歷史的影響機(jī)理。 基于混凝土細(xì)觀顆粒元仿真模型，考慮骨料、砂漿、交界面三相的強(qiáng)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(dòng)力損傷斷裂破壞全過程，并分析應(yīng)變能-動(dòng)能-摩阻耗能的全程變化，從而揭示混凝土動(dòng)力率相關(guān)效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理。 在試驗(yàn)驗(yàn)證方面，在霍普金森桿沖擊劈拉試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用中-高速率的重力落錘試驗(yàn)裝置，進(jìn)行混凝土動(dòng)力彎曲試驗(yàn)，研究其動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系與應(yīng)變率的關(guān)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(xì)觀數(shù)值仿真成果進(jìn)行全面對(duì)比，從而進(jìn)一步解釋率相關(guān)效應(yīng)的機(jī)理，并驗(yàn)證與改進(jìn)細(xì)觀模型。

第1章緒論

1.1研究背景及意義

1.2混凝土動(dòng)力性能研究

1.2.1混凝土動(dòng)力試驗(yàn)方法

1.2.2混凝土強(qiáng)度率相關(guān)規(guī)律

1.2.3動(dòng)力破壞機(jī)理研究

1.2.4水工混凝土動(dòng)力性能研究

1.3混凝土細(xì)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(diǎn)

1.4.1論文主要內(nèi)容

1.4.2論文創(chuàng)新點(diǎn)

第2章混凝土細(xì)觀顆粒元模型驗(yàn)證與軸拉、劈拉、彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)仿真

2.1概述

2.2混凝土細(xì)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(xì)觀結(jié)構(gòu)預(yù)處理及參數(shù)反演

2.3混凝土細(xì)觀顆粒元模型驗(yàn)證與軸拉、劈拉、彎拉強(qiáng)度對(duì)比

2.3.1混凝土靜動(dòng)力強(qiáng)度試驗(yàn)及細(xì)觀模型

2.3.2靜力抗拉強(qiáng)度對(duì)比與分析

2.3.3動(dòng)力抗拉強(qiáng)度對(duì)比與分析

2.4本章小結(jié)第3章混凝土動(dòng)力沖擊性能試驗(yàn)研究

3.1概述

3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)備及試件

3.2.2預(yù)備試驗(yàn)

3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.3.1加速度信號(hào)處理

3.3.2慣性力分析

3.4試驗(yàn)結(jié)果

3.4.1鋁錘頭不同落錘高度試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2鋁錘頭不同落錘質(zhì)量試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3橡膠錘頭不同落錘高度試驗(yàn)結(jié)果

3.5試驗(yàn)分析及討論

3.5.1動(dòng)量沖量平衡關(guān)系

3.5.2率相關(guān)效應(yīng)

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(xì)觀模型仿真與分析

4.1概述

4.2細(xì)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(duì)比

4.3.1力時(shí)程結(jié)果對(duì)比

4.3.2豎向位移結(jié)果對(duì)比

4.3.3混凝土應(yīng)變結(jié)果對(duì)比

4.3.4高應(yīng)變率試驗(yàn)?zāi)M

4.4分析及討論

4.4.1率相關(guān)效應(yīng)

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(duì)比

4.5本章小結(jié)第5章無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土動(dòng)力沖擊性能試驗(yàn)研究

5.1概述

5.2試件及試驗(yàn)裝置

5.2.1無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土試件

5.2.2試驗(yàn)裝置及測(cè)量

5.3不同配筋率混凝土梁有效預(yù)應(yīng)力影響研究

5.3.1鋼筋動(dòng)應(yīng)變

5.3.2混凝土梁開裂過程

5.3.3混凝土梁動(dòng)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(guān)研究

5.4.1鋼筋動(dòng)應(yīng)變

5.4.2承載力率相關(guān)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(dòng)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土沖擊試驗(yàn)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(duì)比分析

6.3.1數(shù)值結(jié)果對(duì)比

6.3.2能量過程分析與對(duì)比

6.4本章小結(jié)

第7章混凝土梁初始靜載影響的細(xì)觀動(dòng)力仿真與研究

7.1概述

7.2初始靜載影響的試驗(yàn)研究

7.3基于細(xì)觀顆粒元的初始靜載影響分析

7.3.1動(dòng)力強(qiáng)度增長(zhǎng)段

7.3.2動(dòng)力強(qiáng)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(xiàn)在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究項(xiàng)目致謝2100433B