混凝土骨料二维分布的模拟和应用.pdfVIP

水 利 学 报 2003 年07 月 SHUILI XUEBAO 第7 期 文章编号：0559-9350 (2003) 07-0080-05 混凝土骨料二维分布的模拟和应用 １ １ 2 郑建军 ，周欣竹 ，刘彦青 (1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014； 2.北方交通大学 土木建筑工程学院，北京100044) 摘要：通过在一个矩形截面上模拟混凝土骨料的实际分布，获得了该截面上任一点的骨料分布密度和骨料分布的统 计特性。模拟结果表明，当模拟次数趋向于无穷大时，截面上任一点的骨料分布密度趋向于定值，对于不同的骨料 面积百分数，骨料分布密度曲线的形状十分相似，均由上升段和水平段两部分组成。基于这些模拟结果，利用数学 拟合获得了骨料分布密度的解析表达式，并被混凝土实验所初步证实。作为一个应用，本文计算了混凝土截面上各 点的氯离子扩散系数。 关键词：混凝土；骨料分布密度；边界效应；氯离子扩散系数 中图分类号：TU528.1 文献标识码：A 在细观水平上，混凝土可以看成是一种由骨料和砂浆基体所组成的二相复合材料。因而，混凝土的许 多物理和力学性质除了与骨料、砂浆基体和它们之间的界面性质有关外，还与混凝土中各点的骨料分布密 度有关［1～6］。模板是混凝土构件加工成型过程中所必不可少的，由于模板的存在会引起骨料分布的边界效 应［7］。由于骨料分布密度在决定混凝土物理和力学性能中的重要性，各国学者在研究混凝土边界效应方面 曾作过种种努力［8～10］。为了能更有效地模拟混凝土中的骨料分布，Zheng 和Li 提出了一种简单的骨料分布 静力模拟算法［1］ ［1］ 。由于该法原理简单、计算省时，可用于研究骨料分布的统计特性。作者基于文献 的算 法，通过在一个矩形混凝土截面上模拟粗骨料和细骨料的分布来研究骨料分布密度的边界效应。根据模拟 结果，讨论骨料分布的基本特性和边界层形成机理。利用数学拟合获得了骨料分布密度的解析表达式，其 有效性为混凝土实验所初步证实。最后，作为一种工程应用，计算了混凝土截面上各点的氯离子扩散系数。 1 骨料二维分布模拟和基本特性 ［2］ 在研究混凝土骨料的分布特性时，通常假设它们是球形的 。因此，当用一个随机平面去截一个混凝土构 件时，截面上的骨料呈圆形。从原理上说，根据文献［1］所提出的模拟方法可以在任意形状的混凝土截面上 模拟任意级配的骨料分布。为方便起见，本文设混凝土截面为矩形，两个方向的边长分别为a=50mm 和 b=100mm，选择这种截面尺寸的目的是要尽量减小两个短边边界对骨料分布的影响(次边界效应)。至于骨 料，主要讨论富勒级配骨料，因为它能够导致较密实的混凝土［2］。对于二维圆形骨料分布，骨料面积百分 比A 定义为该截面上所有圆形骨料面积总和与该截面面积之比，对于一般的混凝土而言，60%≤A ≤75%。 a a 这样，一旦知道最小骨料直径D ［1］ 和最大骨料直径D ，就可以应用文献 的方法在该矩形混凝土截面上模 0 m 拟骨料分布。此模拟过程分为骨料的产生和骨料的分布两部分，对于 ［0，1］区间上均匀分布的每个随机 收稿日期：2002-06-17 基金项目：国家自然科学基金资助项目 作者简介：郑建军(1963-)，男，浙江黄岩人，工学博士和哲学博士，教授，主要研究方向：混凝土理论和应用。 80