为了研究应力水平对混凝土超声波波速的影响, 本文设计并浇筑了素混凝土轴心抗拉试件、素混凝土轴心抗压试件、素混凝土立方体抗压试件、钢筋混凝土受弯构件, 并分别对素混凝土试件、钢筋混凝土构件进行不同应力水平下的超声波波速检测试验。结果表明: 拉、压应力水平对混凝土试件超声波波速影响较小, 可以忽略不计。低应力水平对钢筋混凝土构件超声波波速影响较小, 高应力水平导致混凝土构件出现裂缝时对超声波波速影响较大。混凝土构件拉应力-超声波波速关系曲线可分为无损伤期、损伤发展期、损伤稳定期、构件破坏期。当拉应力达到极限拉应力的15%~25%时, 构件从无损伤期进入损伤发展期, 此时超声波波速没有变化; 当拉应力达到极限拉应力的35%~55%时, 构件从损伤发展期进入损伤稳定期, 此时超声波波速降低了5%左右; 当拉应力到达极限拉应力的60%~75%时, 构件从损伤稳定期进入构件破坏期, 此时超声波波速降低了8%左右。

超高延性水泥基复合材料(ECC)构建的面层相较于普通刚性混凝土路面面层, 具有更长的使用寿命。本研究对六种典型ECC材料制作而成的面层进行了生命周期评价和成本分析。结果表明, 虽然ECC面层短期内在环境影响和成本方面不占优势, 但是超长的使用寿命和较低的维护频率使其在整个生命周期内的环境影响和成本远低于普通刚性混凝土面层。与普通刚性混凝土面层相比, 含辅助胶凝材料(粉煤灰或矿渣)和环保纤维(聚丙烯纤维或玄武岩纤维)的ECC面层在生命周期内减少了63.2%~68.5%的增温潜势, 且成本只占普通刚性混凝土面层的9.6%~23.3%。

针对传统经验公式对高性能混凝土强度预测时存在偏差大、效率低等问题, 本文提出一种基于Stacking模型融合的高性能混凝土强度预测方法。首先, 通过数据清洗和归一化对1 030组高性能混凝土抗压强度试验数据进行预处理, 剔除异常数据及消除数据间量纲影响; 其次, 基于极端梯度提算法(XGBoost)、类别优先梯度提升算法、多层感知器和随机森林(RF)4种算法开展超参数优化、模型训练和评估, 采用决定系数、均方根误差和平均绝对误差对比分析4种基学习器对强度预测的整体效果, 在此基础上构建基于Stacking集成学习融合多种机器学习算法的高性能混凝土强度预测模型; 最后, 采用103组新的高性能数据集对模型进行验证, 并开展可解释分析。结果表明: 与其他基学习器的组合相比, XGBoost和RF融合模型的预测精度和性能均明显提高, 泛化性能较好, 且可解释分析显示最重要的输入特征变量是龄期和水泥, 说明模型内在的预测逻辑与工程实践的经验较吻合, 具有较高的合理性与可靠度。研究结果为进一步提高高性能混凝土强度的预测精度提供参考。

为研究直通孔孔径、积水深度和水平径流速度对新型自密实透水混凝土(NSPC)抗堵塞性能的影响规律, 测试了堵塞和高压水枪冲洗后NSPC的透水系数, 并基于堵塞物被直通孔道捕获的概率建立了NSPC堵塞模型。结果表明, NSPC堵塞循环后的透水系数随直通孔孔径增加而增大, 当直通孔孔径与堵塞物粒径之比大于5时, 堵塞物形成的颗粒流仍会造成NSPC堵塞。积水深度的升高会降低NSPC堵塞后的透水系数, 水平径流速度对NSPC的透水系数影响较小, 但会延迟透水系数降低的时间。高压水枪清洗后NSPC的透水系数恢复率最高可达到85%。建立的NSPC堵塞模型能够预测直通孔道内堵塞物质量和透水系数衰减率的变化规律。

为探索高温对钢纤维自密实混凝土(SFRSCC)的动、静态力学性能的影响, 对常温(25 ℃)和不同温度(200、400、600、800 ℃)热处理后的SFRSCC进行动、静态力学性能试验, 结合LS-DYNA软件与HJC本构模型进行数值模拟分析。结果表明: 随着温度等级的提高SFRSCC的静态抗压强度先增大后减小, 在200 ℃时达最大值66.9 MPa; 在同等级冲击荷载作用下, 随着温度等级的提高, SFRSCC的动态抗压强度先增大后减小, 并在200 ℃时达到最大; SFRSCC的动态抗压强度随冲击荷载等级的增加而增大, 动态强度增长因子随应变率的增加而增大; 模拟与试验的破坏形态具有一致性。

韧性城市构筑需要更多高强、高韧的混凝土基础设施, 现有钢纤维增强混凝土(SFRC)细观力学模型与断裂性能模拟研究仍存在挑战。本文借助Python软件对Abaqus前处理二次开发, 建立了SFRC三维细观模型, 全局插入内聚力单元模拟骨料与混凝土基体之间的界面, 研究钢纤维体积率VSF、混凝土基体强度、骨料粒径对SFRC单轴压缩断裂性能的影响。结果表明: VSF在0%~2.0%时, VSF越大, SFRC抗裂性能越好, 且残余应力更大; VSF为20%时, SFRC应力较未加入钢纤维混凝土提高了60.64%; 当基体强度增加时, SFRC的韧性也随之提高, C60、C80混凝土所对应的最大应力值与C40混凝土相比分别提高了66.48%、91.39%, SFRC的应力-步长曲线在弹性阶段变得更陡峭; 骨料粒径在5~7 mm时, 随着骨料粒径的增加, SFRC的抗裂性能显著增强。显然将分散、不定向的韧性钢纤维加入脆性混凝土基体中可有效增强混凝土设施的抗震韧性和抗裂性能。

以风积沙混凝土为研究对象, 采用核磁共振、场发射扫描电子显微镜及能谱仪观测不同风积沙掺量及不同浓度硫酸盐侵蚀作用下混凝土的微观孔隙结构、微观形貌及产物特征。结果表明: 随着风积沙掺量增加, 风积沙混凝土抗压强度先增强后减弱, 孔隙率先降低后增加, 风积沙掺量为40%(质量分数)时力学性能最好; 随着硫酸镁浓度的增加以及侵蚀周期的延长, 风积沙混凝土相对动弹性模量先增加后降低; 当硫酸镁浓度为3.5%、风积沙掺量为40%时, 风积沙混凝土浸泡360 d时仍满足标准要求, 此时风积沙混凝土孔隙率为2.553%, 其中少害及有害孔占比达到63.8%, 且产生较多针棒状钙矾石; 当硫酸镁浓度为5.0%(质量分数)时, 孔隙率增加至2.879%, 少害及有害孔比例降低至57.3%, 钙矾石富集程度进一步增加。

振捣是混凝土密实成型的重要手段, 振捣效果直接决定了混凝土成型后的力学性能和耐久性能。本文提出了基于斯托克斯定律、适用于振捣作用下新拌混凝土流变性的测试和评价方法--拉球法, 分析了静态下该方法与流变仪所测流变参数的相关性, 论证了其评价新拌混凝土流变性的可靠性。结果表明, 拉球法与流变仪所测塑性黏度和屈服应力具有良好的线性相关性。振捣可使近振源处浆体的黏性阻力降低90%以上, 并且可以有效排出新拌砂浆中的较大气泡(孔径大于500 μm)而保留微小气泡(孔径小于200 μm)。高引气剂掺量下振捣排出较大气泡的作用效果更强, 当引气剂掺量由0.015%增大至0.030%(质量分数)时, 孔径在［500, 1 000) μm 的气泡含量降幅由31.0%增大至84.8%, 孔径在［1 000, 2 000) μm的气泡含量降幅由10.3%增大至36.4%。

利用足尺试验与有限元模型, 研究了采用聚氨酯(PU)材料制备的桥梁无缝伸缩缝的服役性能。首先, 制备了3种不同配合比的改性PU材料, 测试并对比了它们的初凝时间、拉伸强度、撕裂强度、硬度、路面附着力、吸水率、抗车辙及老化性能, 确定了最适用于桥梁无缝伸缩缝的最优PU配合比方案。然后, 采用所选的PU材料设计制作了4个足尺无缝伸缩缝试验件, 并建立了与之相匹配的有限元模型。最后, 通过对比分析试验实测与有限元计算结果, 表现出所设计的无缝伸缩缝在单轴拉伸/压缩、竖向变形及低周疲劳荷载工况下均能保持优异的服役性能。此外, 研究结果还表明在改性PU无缝伸缩缝与路面之间设置45°倾角可以显著改善受力状态, 避免接缝处早期开裂。

为研究蒸压轻质混凝土(ALC)板专用砂浆的早期抗剪黏结性能, 设计并制作了4组专用砂浆黏结Z型试件和1组普通砂浆黏结Z型试件, 通过对试件进行单面剪切试验, 分析了普通砂浆黏结试件和不同养护龄期下专用砂浆黏结试件的抗剪强度、破坏形式和荷载-滑移曲线等抗剪黏结性能指标, 并采用ABAQUS软件建立了专用砂浆黏结试件受剪有限元模型。研究结果表明: 专用砂浆的早期黏结强度较高且发展较快, 养护1 d后的抗剪强度是同强度等级普通砂浆养护28 d后的3.5倍; 随着养护龄期的增加, 专用砂浆黏结面的剪切刚度和极限滑移量均有小幅度增长, 相较于普通砂浆, 专用砂浆的塑性变形能力和试块-砂浆界面的黏结强度均有所提高; 有限元计算的荷载-滑移曲线以及破坏特征与试验结果吻合较好, 验证了牵引力-分离定律模拟专用砂浆黏结行为的有效性和可靠性。