基于数值方法的混凝土细观结构变化规律与力学性能研究-水利学报.pdfVIP

水 利 学 报 2015年12月 SHUILI XUEBAO 第46卷 第12期 文章编号：0559-9350（2015）12-1423-11 基于数值方法的混凝土细观结构变化规律与力学性能研究 1，2 1 1 李 强 ，任青文 ，殷亚娟 （1. 河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 210098； 2. 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 工程设计一院，湖南 长沙 410014） 摘要：本文基于分形理论，以混凝土试件细观结构中的骨料面积-界面周长关系作为细观结构的表征指标，通过 分形维方法将其量化，利用数值方法研究了混凝土试件的细观结构变化规律，分析了试件细观结构变化对其力学 性能的影响，并在此基础上进一步探讨了细观结构变化对试件力学特性的影响机理。研究发现：（1）试件骨料投 放率的变化对细观结构影响甚小，而试件尺寸的变化则对其影响较大；（2）试件尺寸变化对试件承载力学性能的 影响更大，而骨料投放率变化对其影响则较小：骨料投放的增多对承载力的提升作用和对整体应力水平的降低作 用在大尺寸试件中更为明显；（3）骨料投放率的增大能提升试件局部开裂应力，但会降低开裂应变，增大开裂脆 性，试件破坏呈现出明显的局部特性。 关键词：分形维理论；面积周长法；细观结构；骨料面积；界面周长；骨料投放率；试件尺寸；力学特性 中图分类号：TV431 文献标识码：A doi ：10.13243/ki.slxb 1 研究背景 骨料、砂浆以及两者之间的界面是混凝土的主要组分，它们在细观尺度上的结构对试件的力学 性能有较大影响。随着细观力学理论和方法的发展，可以从细观尺度上研究混凝土的力学性能。混 ［1-3］ 凝土细观模型的建立，通常采用两种方法，基于CT扫描的数字成像方法 和基于骨料生成投放程序 ［4-6］ 的方法 。基于CT扫描的数字成像方法能通过CT扫描和图像处理获得较为真实的混凝土细观组成 ［3，6］ 结构，但其代价大，提取的细观结构受图像处理方法影响较大 。基于骨料生成投放的方法简单易 ［6］ ［7］ ［8-9］ 行，可多次重复，建模代价小，生成的骨料形状多以圆形 、椭圆 和任意多边形 为主，这些模型 ［6，10］ 通常被称为数值混凝土模型，但模型的建立受生成投放方法的影响较大 。根据二维试件骨料切面 ［9］ ［11］ 几何图形面积等效的原则，杜成斌等 、马怀发等 提出了更为真实、高效的骨料生成和投放方法， 使得模型的建立问题得到较好的解决。利用数值混凝土模型，文献［4，9，12-16］分别从不同的角度 对混凝土进行了开裂、变形以及其它力学特性的研究。有研究指出［12，16-17］，试件中骨料形状的不同对 试件力学性能影响甚小，界面则是混凝土试件中较为薄弱的环节，对试件的细观结构和力学性能影 ［10］ 响较大。混凝土细观研究表明 ，试件中的骨料比例是影响试件主要力学性能的重要因素，而界面 结构则是影响开裂的主要因素。由此可见，试件细观结构对其力学性能有着极大的影响。 由于二维数值混凝土试件与三维试件存在一定的等效关系，因此在二维研究中采用试件的骨料 投放面积与界面周长关系可以较好地反映混凝土的细观结构。在混凝土试件中，界面周长由骨料在 砂浆中投放而形成，它会随骨料形状与面积的变化而变化，并由此造成试件细观结构的变化