混凝土Ⅰ-型细观断裂模型及其在材料层次尺寸效应中的应用

混凝土材料的断裂破坏本质上是内部微细裂纹在荷载作用下不断萌生、扩展以及贯通的结果,断裂裂缝在细观层次上则是由砂浆裂缝、界面裂缝以及骨料裂缝3部分组合而成。文章基于细观力学和断裂力学基本理论,建立一类能够同时考虑细观裂缝在混凝土材料内部扩展过程中绕过骨料和穿透骨料发展的混凝土I-型细观断裂模型。与已有试验数据对比表明,文章模型能够有效预测混凝土断裂能等宏观力学参数随细观组分力学性能的变化规律。进而,基于建立的细观断裂模型,初步分析混凝土材料层次的强度尺寸效应,结果表明:当砂浆力学性能确定时,混凝土材料的名义强度与骨料强度和界面强度正相关;界面的力学性能能够显著影响混凝土材料名义强度等宏观力学参数随骨料尺寸的变化规律;高性能混凝土强度随骨料尺寸增大而增大,普通性能混凝土强度随骨料尺寸增大而减小。文章模型分析方法以期为基于性能设计的混凝土配合比研究奠定理论基础。     

基于真实细观模型的再生混凝土破坏数值研究

在细观层次上视再生混凝土为非均匀六相复合材料,综合数字图像处理技术、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成方法,提出了再生混凝土的细观有限元分析方法.根据再生混凝土各相材料的力学特性,利用自动动态增量非线性分析软件对单轴拉伸、单轴压缩作用下再生混凝土试件的细观损伤过程及宏观力学性能进行了模拟分析.在验证了所建立再生混凝土真实细观模型合理性的基础上,通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和新老硬化砂浆的力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响.结果表明:真实骨料细观模型能更真实地模拟再生混凝土在荷载作用下的损伤破坏过程,其模拟结果与试验结果吻合较好;天然骨料力学特性对再生混凝土的破坏过程和破损路径有较大影响,天然骨料弹性模量越大,应力集中现象越明显;再生混凝土强度随新砂浆强度增大而增大,老砂浆力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响弱于新砂浆;再生混凝土的界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象.     

一种考虑裂缝扩展路径的混凝土细观数值模拟方法

文章提出一种能够考虑混凝土裂缝扩展过程中绕过骨料或穿过骨料发展的细观数值模拟方法。首先,回顾了用于类混凝土材料I-型断裂分析的自洽有限应力模型的基本原理;进而,采用有限元分析方法,从局部能量等效和宏观力学等效两个维度验证了基于自洽有限应力原理建模和常规建模之间的等效性;最终,发展了基于自洽有限应力原理和细观裂缝扩展路径准则的数值模拟方法,在细观尺度上实现模拟混凝土裂缝绕过骨料发展和穿过骨料发展等细观断裂破坏行为。文章研究成果可为后续发展基于细观尺度断裂破坏准则的高效数值分析方法奠定基础。     

骨料和砂浆等影响混凝土强度的细观层次机理分析

基于全级配三维细观混凝土随机模型分析方法,系统研究了混凝土中砂浆和骨料等各组分的受力特点,通过现场试验以及数值模拟分析,揭示了骨料降低砂浆强度的作用机理,提出混凝土宏观抗压强度与砂浆抗压强度间的修正关系,并讨论了骨料体积分数及混凝土强度分别对该修正系数的影响规律.研究表明：骨料的加入会降低水泥基材料的强度;混凝土材料的强度小于相同配比条件下的砂浆;用混凝土强度参数代替砂浆参数进行细观层次分析会造成较大误差,应进行修正;修正系数随骨料体积分数增加而线性增长,与混凝土强度关系不大.     

细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏

从非连续介质力学角度出发,提出了1种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明：与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

混凝土界面特性与力学性能的细观数值分析

将混凝土等效为由骨料、水泥砂浆及二者间的界面所构成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法建立混凝土随机骨料模型。采用线性应力裂缝宽度关系来表征混凝土材料的各相软化力学行为,利用扩展有限元法对单轴拉伸条件下混凝土材料的界面特性与力学性能进行数值分析。分析结果表明,随着界面强度提高,混凝土强度、断裂能和延性增大,破坏模式由单一贯通裂纹向多条非贯通裂纹过渡;混凝土弹性模量随界面弹性模量的增加而增大;界面厚度减小时,混凝土材料的强度、弹性模量、断裂能增加,界面厚度对混凝土力学性能弱化作用变小。     

基于细观随机模型的混凝土抗拉强度模拟研究

基于细观随机骨料模型的"数字混凝土"数值仿真是目前研究混凝土力学性能的重要手段之一。该方法可真实描述混凝土材料的非均质性,并直观反映混凝土试件内部应力、裂缝等分布状况。基于随机骨料模型,模拟了不同骨料分布下的混凝土圆柱体试件抗拉强度变化规律,探讨了混凝土非均质性对混凝土宏观力学性能的影响。     

基于预插粘性界面单元的全级配混凝土梁弯拉破坏模拟

为确定预插粘性界面单元法模拟全级配混凝土梁在弯拉荷载作用下断裂破坏过程的有效性和适用性,基于粘结裂缝模型的基本原理,在混凝土梁的中心区域采用Monte Carlo法生成随机骨料模型,通过自编程序实现了砂浆单元间和界面处粘性界面单元的预插,对全级配细观混凝土梁的弯拉断裂破坏过程进行数值模拟,模拟结果与相关文献结果吻合良好。研究结果表明:预插粘性界面单元法能够有效地模拟细观混凝土材料的弯拉断裂破坏过程和宏观力学特性。     

@编辑部

<正>媒体重头文章概览《土木建筑与环境工程》06/2012用细观单元等效化方法模拟混凝土细观破坏从非连续介质力学角度出发,提出了一种能准确模拟混凝土断裂破坏过程的细观单元等效化方法,推导混凝土细观单元的等效力学行为并数值验证了其合理性。基于细观单元等效化模型,采用扩展有限元法对单轴拉伸条件下湿筛混凝土试件的裂纹扩展过程及宏观力学性能进行数值模拟,并与细观随机骨料模型结果进行对比。结果表明:与随机骨料模型相比,细观单元等效化模型大大减小了体系自由度,在较低计算量的情况下可以获得与之较吻合的裂纹扩展路径及宏观力学性能,充分展现了该力学模型的准确性和高效性。     

骨料-砂浆界面过渡区力学特性试验

骨料-砂浆形成的界面过渡区对混凝土力学性能有显著影响,界面过渡区力学参数是开展混凝土细观数值模拟的基本力学参数。以大理石板的光滑面和粗糙面分别代表卵石和人工碎石骨料表面,应用岩体节理粗糙度系数测试原理和方法对其表面的粗糙度进行表征。分别对3种强度等级混凝土、2种最大骨料粒径的6种混凝土骨料-砂浆界面过渡区开展劈裂抗拉、变角剪切和三点弯曲断裂试验。试验结果表明,界面过渡区的劈裂抗拉强度、抗剪强度、断裂韧度较原配合比的混凝土低,约为原混凝土强度的50%。随着混凝土强度等级提高,界面抗拉强度、黏聚强度和断裂韧度增大,摩擦角有减小的趋势。增大骨料表面粗糙度、减小最大骨料粒径可以提高界面抗拉强度和断裂韧度。在相同强度等级和界面粗糙度情况,界面黏聚强度则随骨料粒径增大而增大,其规律与抗拉强度和断裂韧度相反。     

混凝土名义强度的尺寸效应研究

针对尺寸效应率和边界效应模型在混凝土名义强度的尺寸效应分析中存在分歧等问题,基于幂定律和等效弹性裂缝方法,提出了可综合考虑试件尺寸、初始裂缝长度以及断裂过程区对混凝土名义强度影响的尺寸效应模型.该模型融合了尺寸效应率和边界效应模型在混凝土名义强度尺寸效应分析中的影响因素,而且所需要的经验参数较少、求解方便.结合试验数据以及现有文献中的研究数据,对所提出的尺寸效应模型进行了验证,结果表明:所提出的模型可以较好地描述和预测混凝土材料的准脆性断裂行为,对试件的几何形状没有限制.     

混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力曲线断裂判据

混凝土结构的受力特性与裂缝的发展密切相关。在对国际断裂力学领域里所提出的三种裂缝扩展阻力曲线理论加以总结的基础上,以能量为表征,基于裂缝黏聚力提出了描述混凝土结构裂缝扩展全过程的新GR阻力模型。在该模型中,裂缝扩展阻力分为三部分:一部分是基体水泥凝胶材料裂缝发展需克服的表面能,一部分是克服细骨料桥联作用的能量消耗,另一部分是粗骨料桥联闭合作用消耗的能量。文中对粗细骨料所消耗的能量进行了详细推导,得出了不同区段裂缝扩展阻力的解析计算公式。根据实测试验结果,得到了混凝土新GR阻力曲线。结果表明GR曲线是材料的基本参数,与试件尺寸无关,并建立了适用于混凝土结构裂缝扩展全过程的断裂判据。     

带裂缝服役混凝土结构力学性能的多尺度模拟方法

为了研究既有裂缝及其扩展对服役混凝土结构力学性能的影响，建立了以随机骨料和黏结单元为基础的细观结构黏聚区模型，并进一步建立了带裂缝混凝土梁的一致多尺度等效模型。在开裂区域引入符合牵引分离准则的黏结单元来考虑裂缝的随机扩展，通过随机骨料投放来模拟骨料、砂浆等混凝土的细观结构组成。采用已有试验结果对细观结构黏聚区模型进行了验证，该方法能够模拟混凝土裂缝的随机扩展及其应力-应变全过程曲线。然后，对不同裂缝深度的混凝土试件进行单轴拉伸试验的数值模拟，采用一致多尺度模型对不同裂缝深度的混凝土梁进行模拟，并对其计算效率和精度进行了比较。结果表明：对于初设裂缝深度小于0.3h(h为混凝土试件高度)，试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响很小，而当初设裂缝深度大于0.3h时，试件尺寸对混凝土抗拉强度的影响明显；随着初设裂缝深度的增加，混凝土的抗拉强度和弹性模量以及混凝土梁的抗弯刚度、受弯承载力逐渐减小；在不同区域采用不同控制尺度建立的一致多尺度细观结构等效模型能够模拟混凝土梁的裂缝及其随机扩展，并且能在不显著影响其计算效率的情况下保证其计算精度。     

基于虚拟元-有限元耦合的隧道内道床干缩裂缝细观研究

为解释道床与盾构隧道管片产生脱空的现象，研究新混凝土在浇筑后由干燥收缩产生的裂缝机理。基于虚拟元推导任意多边形骨料的刚度矩阵格式，利用UEL子程序实现有限元与虚拟元的耦合计算，纯弯梁数值试验结果表明耦合法较有限元法计算效率明显提升，且具有较好的稳定性。在此基础上，建立细观尺度下新老混凝土的干缩数值模型，并通过圆盘干缩模型验证了模型参数。研究骨料和砂浆的应力分布、内部湿度与裂缝发展的对应关系以及新老混凝土表面和界面的应力发展。结果表明：①收缩过程中，骨料主要承受压应力作用，砂浆沿骨料边界的切线方向受骨料约束作用易形成收缩裂缝，在新混凝土表面首先出现大量微小裂缝，随后界面两端发生剥离; ②受表面下骨料的约束作用，新混凝土表面拉应力呈现“驼峰”分布。开裂后表面被划分为多个收缩区，收缩区边界受拉应力，内部受压应力；③界面的拉伸和剪切应力由两侧开始增加，并且随着界面剥离的增加不断内移。在界面内部未剥离区域内存在由界面附近骨料约束导致的局部压应力和剪切应力增大。     

Computational modeling of fracture in capsule-based self-healing concrete: A 3D study

We present a three-dimensional (3D) numerical model to investigate complex fracture behavior using cohesive elements. An efficient packing algorithm is employed to create the mesoscale model of heterogeneous capsule-based self-healing concrete. Spherical aggregates are used and directly generated from specified size distributions with different volume fractions. Spherical capsules are also used and created based on a particular diameter, and wall thickness. Bilinear traction-separation laws of cohesive elements along the boundaries of the mortar matrix, aggregates, capsules, and their interfaces are pre-inserted to simulate crack initiation and propagation. These pre-inserted cohesive elements are also applied into the initial meshes of solid elements to account for fracture in the mortar matrix. Different realizations are carried out and statistically analyzed. The proposed model provides an effective tool for predicting the complex fracture response of capsule-based self-healing concrete at the meso-scale.     

再生混凝土骨料咬合模型修正及其参数分析

为分析再生混凝土中再生粗骨料咬合机制,基于Walraven提出的普通混凝土骨料咬合模型,提出了考虑再生粗骨料原始混凝土强度的再生混凝土骨料咬合修正模型。结合再生混凝土界面剪切试验结果,确定适用于再生混凝土的骨料咬合模型关键参数。理论分析结果与试验结果对比表明,修正的骨料咬合模型对于界面剪切作用的预测值较普通混凝土及再生混凝土的试验值均偏高,修正的骨料咬合模型较适用于对再生混凝土剪切作用的预测。在再生混凝土剪切作用理论计算中,需按实际裂缝开展情况对骨料咬合作用进行折减,折减系数取值范围为0.7~0.9。采用修正的再生骨料咬合模型及计算方法展开变参数分析发现,再生粗骨料性能对骨料咬合作用有重要影响,即再生粗骨料原始混凝土强度越高,旧砂浆含量越低,再生粗骨料咬合作用越强。     

加气混凝土专用抗裂抹面砂浆的研制

通过加入甲基纤维素醚、可再分散乳胶粉、聚丙烯纤维等聚合物,粉煤灰掺合料对砂浆进行改性,研制的加气混凝土专用抗裂抹面砂浆。本课题通过分析几种聚合物掺量对砂浆性能影响因素的大小,得出最佳掺量,找出砂浆最佳配比。经测试,研制的加气混凝土专用抗裂抹面砂浆可操作性好,便于施工,与加气混凝土粘结强度高,抗裂性能好。     

混凝土四相复合模型的三维细观破坏模拟

考虑到混凝土内部细微裂隙的存在对混凝土强度和变形的重要影响,提出将混凝土视为砂浆、骨料、界面和随机缺陷组成的四相复合材料模型。混凝土细观单元服从应变空间内增量形式的弹塑性损伤本构,采用破坏单元网格消去法模拟混凝土裂纹扩展,数值模拟了三维混凝土单轴压缩和不同均质度试样的单轴拉伸弹塑性损伤破坏过程。结果表明：文中建立的混凝土四相复合材料模型中增加随机缺陷的模拟,一定程度上符合混凝土成形实际情况;随机缺陷的体积百分比是决定弱化混凝土宏观强度程度的主要因素;均质度低的单轴拉伸试样裂纹咬合明显,均质度高的试样断裂更     

Mesoscale modeling based numerical study on size effect of concrete compressive strength

将混凝土视为砂浆、骨料及过渡界面组成的三相复合材料,采用随机骨料模型从细观角度对混凝土轴压破坏过程及抗压强度尺寸效应进行数值分析。该模型中考虑了混凝土级配以及骨料分布的影响,通过赋予各相材料塑性损伤本构关系并引入初始缺陷来模拟混凝土破坏过程中裂缝的产生与扩展。通过与试验数据进行对比,认为所建立随机骨料细观模型能够较好地反映混凝土抗压强度尺寸效应规律。分析结果表明：初始缺陷大小对混凝土抗压强度尺寸效应影响显著,而混凝土强度等级与缺陷位置对尺寸效应影响较小。通过对混凝土轴压破坏机理进行分析,发现基于能量释放的尺寸效应模型能够较好地解释混凝土的破坏过程和预测模拟结果。