《混凝土材料细观损伤破裂诊断及防控关键技术》

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1.所属科学技术领域:该项目由河北农业大学和河北天博建设科技有限公司校企合作完成,属于土木建筑工程领域。

2.主要技术内容:混凝土是一种非均质多相复合材料,广泛应用于建筑、桥梁等土木工程中。随着混凝土结构服役运营龄期的增加,混凝土结构会发生不同程度的损伤,探寻混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间的关系一直是多领域的技术难题。对混凝土的研究多采用常规力学试验方法,即通过对比分析试验数据,推知结构材料的受力特点,而不能直接利用混凝土内部细观结构变化对其在荷载作用下的损伤破坏演化过程进行直观解释;混凝土破坏过程的损伤定位及破坏前兆信息的捕捉也是亟待解决的技术难题。

为解决上述问题,该项目在大量的理论分析和实验数据的基础上,提出了利用声发射及CT综合诊断方法监测分析混凝土变形破坏过程中的破坏前兆信息,运用损伤力学理论对检测诊断结果进行分析,建立了混凝土的损伤演化方程;构建了基于CT图像及声发射损伤点数的损伤变量,项目的创新性在于:

1)构建了混凝土材料细观损伤破裂过程CT图像的三维重建模型,根据此模型得到材料内部孔洞及裂纹区域的几何分布特征随应力的变化规律,解决了混凝土宏观力学实验不能做到的根据混凝土内部结构实际情况的变化来进行分析的弊端,能很好地描述和正确地判断混凝土在荷载作用下内部细观结构及损伤的变化情况。

2)混凝土材料中孔隙坐标和孔隙体积的变化能够体现混凝土破坏过程,提出用孔隙体积和分形维数的变化来描述混凝土的细观破坏过程的方法,解决了混凝土变形破坏过程中的破坏前兆信息难以捕捉的问题。

3)提出了用声发射损伤定位图及声发射率的关联维数描述混凝土材料的力学特征,为混凝土宏观力学参数与内部细观结构变化建立了联系,解决了混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的难题。

3.推广应用情况:项目成果已被多家单位应用于混凝土内部缺陷检测、桩基完整性无损检测、建筑材料在应力作用下的变形与开裂检测与探测施工,为混凝土工程的稳定性及安全施工提供技术保障,能有效监测混凝土工程的施工质量,高效预测预防混凝土动力灾害,保证了土木工程混凝土结构的质量,施工安全性提高,缩短了工期,节约了成本。近三年,该项目为河北天博建设科技有限公司、河北建工集团、河北建设集团等单位带来直接和间接经济效益合计9712万元,为河北天博建设科技有限公司、安平县建华建筑有限公司引入外来资金3360万元。

由姜耀东、谢峻、王成等教授组成的鉴定委员会一致认为,该研究成果总体达到国际先进水平。研究成果已在国际期刊、国家一级学报及国家核心期刊发表论文12篇,其中被EI收录4篇,ISTP检索2篇,培养博士研究生1人,硕士研究生8人;培训了应用单位多家企业的26名技术人员和50多名技术骨干,提高了企业对新技术的承接能力。

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