限制收縮條件下早齡期混凝土斷裂機理研究結題摘要

約束環(huán)形試驗已被廣泛地用于評價混凝土的抗裂性能。然而，傳統(tǒng)環(huán)形試驗約束不足的問題始終沒有得到很好地解決，導致試驗中可能出現試件不開裂的現象。此外，仍然缺乏一套系統(tǒng)的理論體系來解釋環(huán)形試驗的開裂機理及其影響因素。因此，本項目提出了一種新穎的橢圓環(huán)試驗，并基于斷裂力學理論系統(tǒng)地分析了圓環(huán)/橢圓環(huán)試驗的開裂機理及其影響因素。本項目的主要研究內容及結論如下： （1）提出基于斷裂力學的數值方法模擬環(huán)形試驗的破壞過程，通過引入虛擬溫度場模擬混凝土的收縮作用，耦合鋼環(huán)與混凝土環(huán)之間的相互作用，基于虛擬裂縫模型和縫尖應力強度因子為判據的裂縫擴展準則分析環(huán)形試件裂縫起裂與擴展全過程。試驗測得的開裂時間與數值模擬吻合良好，驗證了本研究提出的數值方法的合理性。 （2）分別研究了混凝土厚度37.5mm、75mm，鋼環(huán)厚度12.5mm、19.5mm的一系列圓環(huán)、橢圓環(huán)試件的開裂時間與裂縫擴展過程。研究表明，37.5mm厚的環(huán)形試件試用均勻收縮假設，裂縫由內側起裂向外側擴展；75mm厚的環(huán)形試件應考慮徑向濕度梯度，裂縫由外側起裂向內側擴展；長短軸比為2:1的橢圓環(huán)約束作用較強，橢圓環(huán)的優(yōu)勢隨著混凝土環(huán)厚度的增加而減弱；此外，試驗中鋼環(huán)壓應變的突然回滯代表著裂縫的失穩(wěn)擴展。 （3）分別研究了干燥方式和混凝土強度對開裂機理的影響。高度方向不均勻收縮對開裂過程有顯著影響，裂縫出現在截面的左上和左下角，起裂后即向右貫通形成水平裂縫，上下水平裂縫逐漸向中間擴展直到裂縫貫通整個截面；進行了C30、C50、C80混凝土環(huán)形試驗，試驗和模擬結果表明，隨著混凝土強度的提高，鋼環(huán)約束作用提高并且約束環(huán)形試件開裂時間縮短。 （4）定義了橢圓環(huán)試驗約束度的概念，采用數值模擬的方法計算了長短軸比為2:1的橢圓環(huán)約束度，并擬合得到考慮混凝土材料性能、試件幾何尺寸的約束度表達式。對已知約束度的混凝土結構，提出橢圓環(huán)試驗的限制收縮試驗設計方法。 本項目的研究能為我國評定早齡期混凝土抗裂標準試驗方法提供參考。 2100433B

限制收縮圓環(huán)試驗是評估早齡期混凝土抗裂性的主要方法，近年來在國際上已得到廣泛的應用，但圓環(huán)試件存在約束剛度不足、對不同壁厚混凝土斷裂機理不明確等問題。基于此，本項目擬將約束鋼環(huán)與外圍混凝土作為整體研究對象，提出以應力強度因子為參量的裂縫擴展準則，通過能反映濕度分布的虛擬溫度場模擬混凝土的收縮，采用虛擬裂縫模型分析混凝土裂縫擴展的全過程，研究早齡期混凝土限制收縮條件下的破壞模式并揭示其斷裂機理。同時針對圓環(huán)約束不足的問題，通過試驗與理論分析研究新型橢圓環(huán)試件在限制收縮試驗中的應用，探討橢圓長短軸比、鋼環(huán)厚度、混凝土壁厚、干燥方式、預制裂縫等因素對限制收縮試驗結果的影響。在以上研究的基礎上，改進圓環(huán)試驗方法以適用于不同壁厚混凝土抗裂性評估，推薦應用于限制收縮試驗的橢圓環(huán)最佳幾何尺寸，提出評定混凝土抗裂性能的試驗方法，為我國評定早齡期混凝土抗裂標準試驗方法提供參考。

現澆混凝土結構普遍存在影響其性能的早期開裂。國內外的研究側重于測試素混凝土材料的自由變形，實際工程中混凝土早期變形還會受到相鄰構件、地基基礎、內部配筋等的約束。系統(tǒng)地研究配筋混凝土約束條件下早期力學行為，可以揭示混凝土的早期開裂機理。.本課題擬在測試混凝土基本力學參數隨齡期變化規(guī)律的基礎上，從配筋混凝土早期約束收縮性能試驗研究出發(fā)，測試配筋試件在給定約束和環(huán)境溫濕度條件下，因變形作用（收縮、溫度變形、徐變）以及荷載作用導致試件的應力應變和裂縫變化，采用統(tǒng)計方法分析其規(guī)律和關聯性，建立配筋構件變形及開裂的試驗模型；運用應變局部化概念描述開裂的漸進發(fā)展過程，建立混凝土早期時變過程的損傷本構機理模型，以連續(xù)損傷力學方法實現早期開裂發(fā)展的數學表述。這些基礎工作對于認識結構混凝土早期裂縫的生成動態(tài)和評價其早期力學特性的發(fā)展機制有重要作用。 2100433B

（1）對持續(xù)增長的早齡期混凝土物理、力學特性進行深入、系統(tǒng)地研究基礎上，從混凝土材料、結構特征、環(huán)境因素、施工控制等過程綜合考慮,研究混凝土結構早期裂縫的成因機理、分析方法與控制措施，建立依靠材料性能、力學性能與微觀結構特征有機結合起來并能統(tǒng)一各種受力狀態(tài)的早齡期混凝土裂縫機理、控制理論新體系。（2）從混凝土微觀結構出發(fā)，研究普通混凝土、高性能混凝土材料成型過程的時變溫度場、時變濕度場發(fā)展變化;考