基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟_张登祥.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 08 06;修回日期:2022 01 12基金项目:湖南省自然科学基金项目(2017JJ2273)作者简介:张登祥(1970 )，男，湖南祁阳人，副教授，博士，主要从事高性能混凝土力学性能及结构设计理论研究。E-mail:zhangdx098163 comdoi:10 11988/ckyyb 202108122023，40(1):176 183基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟张登祥1，2，李金朋1，2，刘智光1，2(1 长沙理工大学 水利与环境工程学院，长沙410114;2 长沙理工大学 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙410114)摘要:为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律，采用细观数值模拟方法，将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料，建立三维随机骨料模型，模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程，研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明:与普通混凝土相比，轻骨料混凝土压缩破坏时，裂纹最先发生在轻骨料处，且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏，有约束试件最终形成倒锥形破坏;加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了296%、45 5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。关键词:轻骨料混凝土;细观模拟;随机骨料模型;压缩破坏;端面效应;破坏模式中图分类号:TU5282文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0176 08开放科学(资源服务)标识码(OSID):Meso scale Numerical Simulation of Compression Failure andEnd Effect of Lightweight Aggregate ConcreteZHANG Deng-xiang1，2，LI Jin-peng1，2，LIU Zhi-guang1，2(1 School of Hydraulic and Environmental Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha410114，China 2 Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Preventionof Hunan Province，Changsha University of Science and Technology，Changsha410114，China)Abstract:The aim of this research is to explore the mechanical properties and failure law of lightweight aggregateconcrete Lightweight aggregate concrete is regarded as a two-phase heterogeneous composite composed of sphericallightweight aggregate particles and mortar matrix A three-dimensional random aggregate model is established usingmesoscopic numerical simulation method to simulate the uniaxial compressive failure process of lightweight aggregateconcrete The influences of constraint effect of loading end face on crack propagation and material s mechanicalproperties are studied and analyzed esults demonstrate that 1)compared with ordinary concrete，lightweightaggregate concrete sees the first crack at lightweight aggregate during compression failure，and the crack extendsdirectly through the lightweight aggregate;2)specimens with unrestrained loaded end face finally witness axialsplitting failure，and those with restrained loaded end face undergo inverted cone failure;3)compared with theconstrained specimens，the unconstrained specimens see reductions of compressive strength and peak strain by29 6%and 45 5%，respectively The proposed model and simulation results provide an effective supplement tothe shortcomings of traditional macro-level testsKey words:lightweight aggregate concrete;meso-scale simulation;random aggregate model;compression failure;end surface effect;failure mode第 1 期张登祥 等基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟1研究背景相比于普通混凝土，轻骨料混凝土具有轻质高强、耐久抗震等诸多优点，从而得到了广泛的关注与应用;另一方面，随着环境保护、绿色可持续发展等社会发展新战略的提出，变废为宝、工业废料的二次利用成为行业转型新方向，使得人造轻骨料及轻骨料混凝土行业成为了发展热点1。近年来，随着轻骨料混凝土的大量使用，国内外研究者对其力学性能开始了深入的研究。压缩破坏试验作为研究混凝土各力学性能的基础试验，测得的应力 应变曲线准确与否，直接影响到对其它力学性能的研究。在传统的压缩破坏试验研究中，试验结果受许多因素影响，如加压板的摩阻力约束、加压板的刚度等。随着计算机技术的快速发展，数值模拟在一定程度上弥补了试验的不足，为研究混凝土材料力学特性，揭示混凝土的破坏机理提供了一条新途径 2。各国学者根据对混凝土细观结构的认识，提出了多种细观混凝土力学模型，比较经典的主要有:格构模型 3 5、MH(Micromec Hanical)模型 6、随机骨料模型 7 9、随机力学特性模型 10 11 等。基于以上经典模型，利用细观力学来模拟研究混凝土宏观力学特性的成果主要有:陈健云等 12 基于二维复合型界面损伤模型，分析了普通混凝土端面约束对试件变形与破坏的影响;Chen G 等 13 建立了细观三维模型，模拟了层裂试验，研究了混凝土材料在高应变率下的力学性能;Tang 等 14 基于三维细观有限元模型，研究了细观结构对混凝土动态拉伸断裂强度的影响;Huang等 15 基于 Voronoi 镶嵌和内聚单元的三维数值模型，研究了内摩擦系数对混凝土双轴相对强度的影响;金浏等 16 基于二维随机骨料模型，研究了轻骨料混凝土在动荷载下的尺寸效应，并建立了尺寸效应经验公式。这些研究工作利用各种细观数值模型及方法对混凝土细观破坏机理进行了分析，加强了对混凝土宏观非线性破坏行为的认识。但数值模拟研究大多基于二维模型，而忽略了三维的自约束效应，使得模拟结果与实际之间存在一定偏差;另一方面，关于普通混凝土的模拟研究已取得了丰富的成果，关于轻骨料混凝土的模拟研究还很匮乏。本文拟采用细观数值分析方法，建立三维随机骨料模型，模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程，研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响，并结合模拟结果对端面约束机理进行研究分析。2细观数值分析方法及建模21三维随机骨料几何模型的建立已知轻骨料的微孔、微管系统在新拌混凝土中表现出的吸供水作用增加了骨料表面附近水泥石的密实性，黏结界面不再是三相介质中最薄弱的环节。黄俊等17 研究表明，界面层对轻骨料混凝土的强度和断裂特征影响很小，而轻骨料作为轻骨料混凝土中最薄弱的环节，是轻骨料混凝土力学性能的重要影响因素。王甲等18 在三维数值模拟中，将混凝土视为由轻骨料与砂浆基质组成的两相复合材料，进行了陶粒混凝土的冲击损伤演化模拟研究。因此，研究轻骨料混凝土力学性能时，为了提高计算效率和节约计算资源，将其视为由轻骨料颗粒和砂浆基质组成的两相复合材料是可行的。本文将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料，采用二级配骨料，即中石(等效粒径为 30 mm)和小石(等效粒径为13 mm)，进行建模，为提高骨料投放率，将小石进行二次等效，得到骨料粒径分别为16 mm 和10 mm。利用富勒曲线(如式(1)得到中石和小石含量分别为293%、353%。根据蒙特卡罗方法 19，建立符合要求的三维随机骨料几何模型。参考文献 20 轻骨料混凝土试验资料，模拟试验选取模型尺寸为150 mm 150 mm 150 mm，骨料体积含量分别为 20%和 40%(骨料体积含量指在混凝土试件中粗骨料体积与试件整体的体积之比)。通过如图 1 所示的流程，利用MATLAB 中的 rand 函数自编程序生成 2 组三维随机骨料模型，如图2 所示。P()D=100DD()max12。(1)式中:D 为筛孔径;Dmax为骨料最大粒径;P(D)为骨料粒径在 D 以下的质量分数。22轻骨料混凝土有限元模型的生成本文根据 MATLAB 生成的骨料形心坐标与半径，在有限元软件 ADINA 中生成轻骨料混凝土有限元模型。利用布尔运算对骨料与砂浆基质进行重叠减除设置，对其接触面进行 face link 定义，保证骨料与砂浆网格的连续性。利用 Mapped or Free-Form分别对骨料和砂浆进行四面体网格剖分，得到轻骨料混凝土有限元网格如图 3 所示。23本构关系及材料参数的确定ADINA 中提供了专门用于模拟混凝土结构的一种复杂的非线性材料模型 concrete 本构模型，是771长江科学院院报2023 年图 1骨料生成流程Fig1Flowchart of aggregate generation图 2随机骨料模型Fig2andom aggregate model以非线性弹性理论和断裂力学理论为基础的非线弹性本构模型。在模拟混凝土、岩石等弹塑性材料时，由破坏包络线定义其开裂和压碎，并能很好地模拟应变软化后的非线性应力 应变关系。典型的单轴应力 应变关系曲线为 Saenz 曲线，如图4 所示 21。图 4 显示了 3 个应变阶段:(1)?e 0，材料受拉，在受拉破坏之前，采用图 3轻骨料混凝土细观有限元网格Fig3Meso-scale finite element grids of light aggregateconcrete图 4混凝土单轴应力 应变曲线Fig4Uniaxial stress and strain curve of concrete式(2)线性应力 应变关系式，即?=E0?e。(2)(2)0?e?ee，