再生混凝土在多轴应力下的强度及本构关系研究

摘要

再生混凝土是一种新型绿色建筑材料，其应用具有良好的环保和经济效应。混凝土结构在实际工程中大多处于多向应力状态，混凝土多轴应力强度及本构关系是最重要的基本理论问题和结构分析基础。再生混凝土由于微观结构与普通混凝土存在明显差异，用现有普通混凝土多轴应力强度和本构关系对再生混凝土进行结构分析已不适用，因此，再生混凝土多轴力学性能研究是一项重要的基本理论研究课题。本文结合国家自然科学基金《再生混凝土在多轴应力下的强度及本构关系研究》(No.51478126)，对不同再生骨料取代率下的混凝土试件进行了单轴及多轴强度试验研究及理论分析。具体工作如下:
　　1、采用SEM扫描电镜及电子显微镜对再生骨料及再生混凝土过渡区界面的微观形貌进行了观测。发现再生混凝土新-旧过渡区界面处有明显的孔洞和微裂缝。利用高清摄像仪，对再生混凝土切片在不同加载阶段的裂缝开展情况进行了采集，并分析了再生骨料的使用对裂缝开展的影响。根据再生骨料微观特性，提出以“再生骨料效应层”作为再生骨料性能表征的微观结构模型，并建立了再生骨料效应层体积分数计算式。
　　2、对不同再生骨料取代率下的混凝土试件在单轴应力下的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度以及抗拉强度进行了测试，并给出了各强度值之间的换算关系。结果显示，随着再生骨料取代率的增加，混凝土单轴强度值逐渐降低。根据强度值与混凝土密度及再生骨料取代率的关系，提出再生混凝土强度的二元变量数学计算模型。试验测试了再生混凝土单轴受压应力-应变关系曲线，再生骨料取代率越高，弹性模量越小，曲线上升段初始斜率越小，曲线下降段越陡峭。结合受压应力-应变曲线特点，提出了适用于再生混凝土的分段有理式本构模型和损伤模型。同时，试验测试了混凝土受拉应力-应变曲线受再生骨料取代率的影响，并提出了合适的受拉本构模型。
　　3、对再生混凝土在二轴压应力状态下的力学性能进行了试验研究，分析了应力比和再生骨料取代率两个因素对二轴压强度、变形以及初始弹性模量的影响。试验结果表明，再生混凝土二轴压强度值高于单轴强度，且强度值随应力比的变化规律为:α0.5＞α0.75＞α1＞α0.25，随再生骨料取代率的变化规律为RAC30＞RAC0＞RAC50＞RAC70＞RAC100。最大主应力方向的应变值随再生骨料取代率的增加而增大，随应力比的增大而减小。弹性模量值随再生骨料取代率的增加而降低，随应力比的增大而增大。根据方差计算，定量分析了应力比和再生骨料取代率两个因素对二轴压强度、变形以及初始弹性模量的影响率。根据强度和变形数据，提出了再生混凝土二轴压强度破坏准则和主应变空间破坏准则。试验测试了二轴压下再生混凝土应力-应变曲线，并分析了再生骨料取代率对曲线形状的影响，结合曲线特点，提出了基于损伤理论的二轴压本构模型。
　　4、对再生混凝土在三轴压应力状态下的强度及变形性能进行了试验研究，分析了应力比和再生骨料取代率对混凝土在三轴压下破坏形态、强度及变形的影响。结果表明，再生骨料取代率对三轴压破坏形态影响不明显，混凝土试件发生层状劈裂破坏和斜剪破坏两种破坏形态。三轴压应力下再生混凝土强度值约为单轴强度值的4.5～5.5倍，应力比为α=-0.1∶-0.5∶-1时强度值最大，强度值随再生骨料取代率的变化规律为RAC30＞RAC0＞RAC50＞RAC70＞RAC100。最大主应力方向的峰值应变在α=-0.1∶-0.25∶-1时值最大，应变值随再生骨料取代率的增加而增大。根据三轴强度提高值和最大主压应力方向的应变值随应力比及再生骨料取代率的变化趋势，分别提出了以应力比和再生骨料取代率为变量的三轴压强度和应变计算公式。通过方差计算，定量分析了应力比和再生骨料取代率对强度和变形的影响率。基于强度数据，给出了八面体应力空间的强度表达式，并提出了相适应的四参数破坏准则及本构模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 再生混凝土研究背景及意义

1．2 国内外对再生混凝土的研究概况

1．2．1 再生混凝土微观特性研究

1．2．2 再生混凝土基本力学性能研究

1．2．3 再生混凝土单轴本构模型

1．3 国内外对混凝土多轴强度的研究概况

1．3．1 多轴应力状态下混凝土的试验研究

1．3．2 多轴应力状态下混凝土的破坏准则

1．3．3 多轴应力状态下混凝土的本构模型

1．4 本文的主要研究内容及创新点

1．4．1 本文主要研究内容

1．4．2 论文创新点

第二章 再生混凝土微观结构与损伤

2．1 引言

2．2 再生混凝土微观结构

2．2．1 再生骨料的微观结构

2．2．2 混凝土切片的微观形态

2．2．3 混凝土过渡区界面

2．3 再生混凝土微观结构模型

2．4 本章结论

第三章 再生混凝土单轴力学性能研究

3．1 引言

3．2 再生骨料性能及配合比设计

3．2．1 再生粗骨料性能

3．2．2 配合比设计及试件设计

3．3 单轴受压及受拉试验

3．3．1 试验概况

3．3．2 单轴强度及分析

3．3．3 单轴受压应力-应变关系

3．3．4 单轴受拉应力-应变关系

3．4 本构模型

3．4．1 单轴压本构模型

3．4．2 单轴拉本构模型

3．5 再生混凝土压缩应变能和脆性指数

3．6 本章结论

第四章 再生混凝土二轴压力学性能研究

4．1 引言

4．2 试验设计

4．3 破坏形态

4．4 强度试验结果

4．4．1 强度规律

4．4．2 强度破坏准则

4．5 变形性能

4．5．1 变形规律

4．5．2 主应变空间破坏准则

4．6 最大主压应力方向初始弹性模量

4．7 应力-应变曲线

4．8 基于损伤理论的二轴压本构模型

4．9 本章结论

第五章 再生混凝土三轴压力学性能研究

5．1 引言

5．2 试验设计

5．3 破坏形态

5．4 试验结果

5．4．1 强度规律

5．4．2 变形规律

5．5 应力-应变曲线

5．6 破坏准则及本构模型

5．6．1 破坏包络面的形状及其表达

5．6．2 八面体应力空间强度表达式

5．6．3 破坏准则

5．6．4 本构模型

5．7 本章结论

第六章 结论与展望

6．1 本文结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录