纳米混凝土损伤破坏过程的声发射特性分析与数值模拟

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纳米混凝土是由多种物质复合而成的非匀质材料,与理想脆性材料相比,纳米混凝土的损伤破坏机理远要复杂得多。应用声发射检测技术,可以实时记录和反映纳米混凝土材料内部裂纹的发展和变化情况。然而,声发射技术是为数不多的理论落后于实践的学科之一,致使其在实际应用中缺少强有力的理论支撑。本文结合江西省研究生创新项目(编号:YC10A034)“纳米混凝土路面疲劳损伤机理及声发射特性研究”,以纳米混凝土的单轴压缩试验与循环加卸载试验为基础,分析纳米混凝土在损伤过程中的声发射特性和Kaiser效应;利用基于Weibull分布的混凝土损伤本构模型,从理论上推导建立纳米混凝土力学参数与声发射参数之间的定量关系;结合RFPA软件,对纳米混凝土的损伤过程进行数值模拟,再现其损伤破坏的整个物理过程,为纳米混凝土损伤断裂机制的进一步研究提供参考。具体研究内容如下:(1)对不同纳米Si02掺量、不同强度等级、不同养护龄期下的纳米混凝土进行单轴压缩试验,利用计数、幅值、能量等声发射特征参数对其损伤破坏过程进行深入分析,进而探讨纳米混凝土的破坏机理和破坏的前兆特征;(2)对Si02掺量为3%的纳米混凝土进行循环加卸载试验,研究不同加载方式下的声发射Kaiser效应,验证纳米混凝土Kaiser效应的存在性,指出摩擦型声发射和破裂型声发射对Kaiser效应记忆的稳定程度和准确性的影响;(3)分别用Ohstu模型和Dai模型对不同Si02掺量纳米混凝土的声发射试验数据进行非线性拟合,同时指出了两个模型的适用条件。在此基础上,将时间参数作为中间变量,结合本次试验结果,推导出声发射能量累积数与应变之间的定量关系,再利用基于Weibull分布的混凝土损伤本构模型,进一步推导出声发射能量累积数与应力以及损伤变量之间的耦合关系;(4)利用RFPA2D软件对纳米混凝土的单轴压缩过程和循环加卸载过程进行数值模拟,其应力图和声发射图能动态演示试样裂纹的扩展过程,给出最终的破裂位置,重现纳米混凝土的声发射Kaiser效应。
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