基于气体渗透率和微裂纹特征分析的混凝土宏细观损伤规律研究

The change of concrete micro-cracks shows material damage and permeability increase on the macro-level. The relations among the concrete damage variables on macro- and micro-level will be studied to establish the evaluation methods of concrete damage based on gas permeability. Firstly, different damage degrees of the concrete specimens will be produced, CT (Computed Tomography) and close-range photogrammetry technology will be used to take the images inner and apparent of the damaged specimens. Through image analysis processing, the vector of apparent crack will be got, and the 3D microscopic model of damage concrete samples will be built. The spatial distribution of concrete micro-cracks will be analyzed by means of digital image processing to build the relationship among apparent cracks, 3D-crack characteristic parameters and gas permeability; and the finite element method will be established to calculate gas permeability of specimens according to 3D microscopic model. Secondly, the simultaneous measurement system of stress - strain - gas permeability has been designed on basis of concrete geotechnical triaxial apparatus, and that will be used to establish the damage constitutive model based on gas permeability. The research results will have important application value for the quantitative damage assessment of concrete component.

混凝土细观层次的微裂纹变化，在宏观层次上表现为材料损伤和渗透率增大。拟研究混凝土宏细观损伤变量之间的联系，建立基于气体渗透率评价混凝土损伤的方法。本研究首先制作不同损伤程度的混凝土试样，借助CT及近景摄影技术采集损伤试样表观及内部图像，经分析处理，获得表观裂纹矢量，并构建损伤混凝土的3D细观模型；采用数字图像处理手段分析微裂纹的空间特征分布，建立表观裂纹、三维裂纹特征与气体渗透率之间的关系；建立基于细观模型的有限元计算评估试样气体渗透的方法。其次，设计基于三轴仪的混凝土应力-应变-气体渗透率同步测量系统，建立基于气体渗透率的损伤本构模型。研究成果将对于定量评估混凝土损伤状态具有重要的应用价值。

混凝土材料在长期的服役期限内，由于环境的物理、化学作用使材料性能劣化，即材料损伤。混凝土损伤影响结构的承载力和耐久性，因此混凝土损伤规律和混凝土损伤特征一直是工程建设中需要解决的难点和热点问题。描述混凝土损伤的变量分为宏观、细观两类，细观变量的观测局限于实验室环境，应用受限；宏观变量都是间接变量，很难反映材料损伤过程的局部化特征，因此有必要探索宏观、细观相结合的损伤变量，使其既能便于宏观测量，又能体现细观变化，更适合用于表征混凝土损伤的物理机制。.混凝土细观层次的微裂纹变化，在宏观层次上表现为材料损伤和渗透率增大。本项目主要研究混凝土宏细观损伤变量之间的联系，建立基于气体渗透率评价混凝土损伤的方法。对不同损伤状态的试样进行了CT及近景摄影，对表观裂纹和内部裂纹的发展特征进行初步研究。研究表明，以三轴试验机为平台进行类混凝土材料裂纹演化研究受围压和两端的加载控制垫块影响比较大，试样贯通性主裂纹在围压较低情况下空间构型相对简单，近似斜切面，随着围压增加裂纹构型变得越来越复杂；两端加载垫块放置要严格对称，否则严重影响试样两端加载条件，造成两端裂纹构型相差较大。根据试样主裂纹空间分布，将其引入细观模型内形成裂纹带，进行数值分析，研究表明只有贯通性裂纹才会对渗流场产生较大影响，裂纹的宽度影响一般。最后探索了基于气体渗透率的混凝土损伤本构模型，初步分析了几何损伤张量、气体渗透率张量的特征，以及两者之间的关系。对于研究的微单元体，两个类型的张量具有相同主坐标，所以基于气体渗透率的损伤变量特征与几何损伤张量具有相似性。最后研究了一维情况下，基于气体渗透率的类混凝土材料损伤度计算方法。研究成果对于定量评估混凝土损伤状态具有重要的应用价值。