基于不同水环境的混凝土动态性能研究

Research results have shown that concrete displays different mechanical properties under different circumstances, in which load types and modes of action have a great influence. Concrete structures, whether the hydraulic structures or the ports, the bridge structures, always work in the water environment. It is proved that water plays an important role in the mechanical properties of concrete. But the pore water of different types and modes of action on the dynamic behaviors of concrete, including the damage mode and the strain rate effect, have become the two major scientific issues. So according to the needs of the seismic design and safety evaluation of concrete structures in the water environment and with the actual working conditions of the hydraulic and bridge structures, the dynamic behaviors of concrete under different actions of pore water from macro and micro levels will be studied, in which the coupled static and dynamic loading system that aims the coupling of pore water pressure and mechanical loading and some advanced testing means, including the large static-dynamic triaxial apparatus, the X-CT and acoustic emission will be used. Thus, we expect to look into the dynamic behaviors of concrete in different water environment, understand the mechanism that the pore water of different types and modes of action influence on the damage mode and the rate effect, model the consistent rate-dependent viscoplastic constitutive model and make the static and dynamic analysis theory of the water-environment-based concrete structures more accurate and realistic.

研究表明，混凝土在不同环境中表现出不同的力学性能，荷载类型与作用方式也会产生巨大影响。无论是水工建筑物还是港口码头与桥梁结构，均处在水环境中工作。水对混凝土力学性能产生较大影响已被证实，但不同类型与不同作用方式的孔隙水对其产生的损伤破坏模式以及对率效应等动态性能产生影响的机理成为了制约这一领域发展的关键科学问题。为此，针对水环境中混凝土结构抗震设计与安全评价的需要，结合水工与桥梁结构的实际工作状况，利用自行研发的水环境耦合动静力加载系统实现不同孔隙水压力与机械力的耦合动静力加载，以大型动静三轴仪、X-CT、声发射为试验手段，从宏细观二个层面对不同孔隙水作用下混凝土的动态性能及损伤破坏机理展开研究。从而，深入认识不同水环境中的混凝土动态性能，把握不同孔隙水与加载方式对动态损伤破坏与率效应产生影响的机理，构建率型动静力一致粘塑性本构模型，使基于水环境的混凝土结构动静力分析理论更趋精细与真实化。

根据项目研究计划，在我校自主研发的“10 MN大型多功能静动力三轴仪”上开展了一系列的试验研究。（1）对基体强度为C30的混凝土材料在不同围压和不同应变速率下进行了常三轴单调压缩试验，累计完成91个试件的加载试验，获取63组有效数据；通过分析试验数据得到不同应变速率以及不同围压环境下的混凝土峰值应力、峰值应变、弹性模量等参数；在此基础上，基于数学统计理论建立了混凝土本构模型，并分析了本构模型中相关参数与应变速率的相关性。（2）对不同尺寸的混凝土试件进行了在多种孔隙水压循环次数、不同围压及不同加载速率下的抗压试验。通过对力学试验数据的分析，得到了自然湿度及水饱和混凝土的力学性能在不同加载速率下的变化规律；得到了水饱和混凝土的力学性能在不同围压、不同加载速率下的变化规律；得到了历经不同次数的孔隙水压循环作用后的混凝土在不同加载速率下的力学性能变化规律。在此基础上，基于数学统计理论建立了混凝土本构模型，并分析了本构模型中相关参数与应变速率的相关性。（3）研究了有压水环境中混凝土的含水量特征及孔隙水对混凝土力学性能的影响，通过试验获得了混凝土在水压力下的含水量曲线，并基于细观管道孔隙网格模型探讨了水压力变化对含水量和孔隙水分布的影响，进一步分析了混凝土含水量和孔隙水尺度对其静动态力学性能的作用机理。（4）研究了水压力环境中混凝土在经历循环荷载后的动态压缩强度，分析了水压力和循环次数对混凝土强度的影响；还构建了饱和混凝土强度与应变速率、水压力的关系，其与试验数据吻合较好。进一步引入了管道孔隙模型，并基于汞压法的原理和孔隙分布特点，考虑混凝土孔隙的微观结构解释了孔隙水对混凝土强度的作用机理。（5）开展了不同初始孔隙水压下，混凝土常三轴动态压缩试验研究，分析了不同应变速率，不同初始孔隙水压下的混凝土峰值应力的变化规律，并分析了其作用机理。