基于内应力分析和缺陷分析的水泥净浆的力学损伤研究

水泥基材料作为结构材料，其力学性能及力学损伤非常重要。水泥基材料的力学性能在一定程度上取决于其微结构，其性能劣化过程也就是微结构损伤演化过程。因此本基金项目从微结构入手研究水泥基材料的力学损伤，完成了下列研究工作：1. 开发了基于实验室光源的X射线CT的原位加载装置，该装置可用于水泥基材料的在线力学损伤研究； 2. 用FIB-ESEM探索性研究水泥基材料三维缺陷结构； 3. 发明了一种测量水泥基材料孔隙率空间分布的方法和装置，可测量水泥基材料中的主要缺陷-孔隙的空间分布；4.进行了基于X射线CT的原位在线力学损伤研究，将损伤和变形分离，实现了损伤的三维定量表征；5. 进行了基于X射线CT的非在线力学损伤研究，看到了CT不足以分辨的微裂纹损伤信息，获得了砂浆样品在轴压荷载下的损伤演化规律。本项目通过对水泥净浆和砂浆微结构进行了定量表征与评价，揭示其在力学负载作用下的损伤机理，从而为设计开发高性能水泥基复合材料提供基础支撑。 2100433B

本项目通过对水泥净浆内应力和缺陷的定量表征与评价，揭示其在力学负载作用下的损伤规律与机理，从而为设计开发高性能、长寿命水泥基复合材料提供数据和理论支撑。研究内容有以下四部分：（a）开发基于显微X射线CT、XRD、光谱仪的在线力学加载装置；（b）用X射线衍射法、光谱法表征水泥净浆的残余应力和微应力；（c）用显微X射线CT、ESEM等测试手段来定量表征水泥净浆中缺陷（孔和裂纹），重点是三维缺陷结构；（d）在线实时研究水泥净浆在力学负载下的内应力和缺陷的变化规律，揭示材料的损伤规律与机理。

大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。 2100433B

结构地震灾变机理的描述方法决定了抗震性能分析手段的选择，而结构地震灾变源于大变形、材料非线性及材料刚度的降低。常用的弹塑性时程分析方法虽然可以考虑几何及材料非线性效应，却无法考虑损伤效应。本项目拟在材料的应力应变层次上考虑损伤问题，建立满足热力学定律的损伤本构模型，通过Lagrange动力分析方法开发损伤梁单元，推导基于自由能等效原理的地震损伤指标公式。结合数值模拟、拟静力和振动台实验，对大跨度桥梁地震灾变机理和灾变过程进行精细化分析。主要研究内容包括：（1）延性构件损伤的拟静力和振动台实验研究，分析构件的损伤机理和性能目标；（2）损伤梁单元的动力分析模型和计算方法；（3）基于损伤的性能抗震设计理论和方法。通过上述研究，深入揭示大跨桥梁地震灾变的物理机制，为结构设计提供一种基于损伤的性能抗震分析手段，实现对大跨度桥梁地震灾变的合理有效控制，提升大跨桥梁的抗震减灾能力。

《基于细观力学的混凝土类材料破损分析》介绍了当前国内外研究混凝土材料从细观到宏观层次力学行为的最新成就，总结了作者近些年来在岩石、混凝土类准脆性材料破损行为分析方面的研究成果，并以试验与数值仿真相结合，研究其在静态、动态荷载作用下变形、损伤和非线性断裂的宏观规律，为研究岩石、混凝土类非均质准脆性材料破裂机制奠定基础。主要内容包括：（1）混凝土细观力学模型，包括有限元法、离散元法等；（2）混凝土力学参数非均质随机分布模型；（3）混凝土细观力学性能试验研究与数值模拟，包括三相介质力学性能试验、四点弯梁静态试验、冲击劈拉试验、冲击压缩试验等；（4）多尺度均匀化理论；（5）混凝土等效概率模型。