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基于细观层次的橡胶混凝土力学性能数值模拟与机理探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工程建设对材料性能要求的不断提高，以及环保意识的日益增强，开发新型高性能建筑材料成为土木工程领域的重要研究方向。橡胶混凝土作为一种将废旧橡胶与传统混凝土相结合的新型复合材料，近年来受到了广泛关注。

在全球范围内，废旧橡胶的产生量与日俱增，尤其是废旧轮胎的堆积，给环境带来了巨大压力，被称为“黑色污染”。如何有效处理这些废旧橡胶，实现资源的循环利用，成为亟待解决的问题。将废旧橡胶加工成橡胶颗粒或粉末，掺入混凝土中制备橡胶混凝土，为废旧橡胶的资源化利用开辟了新途径，不仅可以减少对天然骨料的依赖，降低混凝土的生产成本，还能减轻废旧橡胶对环境的危害，具有显著的环境效益和经济效益。

从材料性能角度来看，橡胶混凝土具有一系列独特的性能优势。橡胶自身具有良好的柔韧性、吸能性和阻尼特性，这些特性赋予了橡胶混凝土优于普通混凝土的抗冲击性能、抗震性能和降噪性能。在受到冲击荷载时，橡胶颗粒能够吸收和耗散能量，有效阻止裂缝的扩展，从而提高混凝土的韧性和耐久性。此外，橡胶混凝土还具有较好的隔热、隔音性能，可应用于对保温隔热和声学性能有要求的建筑结构中。在建筑领域，橡胶混凝土可用于建造高层建筑、大跨度桥梁等对结构强度和耐久性要求较高的工程；在道路交通方面，适用于机场跑道、高速公路路面等，能够承受频繁的车辆荷载和环境侵蚀；在水利工程中，可用于大坝、水闸等结构，增强其抗渗、抗冲磨性能。

然而，橡胶混凝土的力学性能较为复杂，受到多种因素的影响，如橡胶颗粒的掺量、粒径、形状，以及混凝土的配合比、养护条件等。深入研究这些因素对橡胶混凝土力学性能的影响规律，对于优化橡胶混凝土的配合比设计，充分发挥其性能优势，推动其在实际工程中的广泛应用具有重要意义。

数值模拟作为一种强大的研究工具，在材料科学领域得到了越来越广泛的应用。通过数值模拟，可以在计算机上建立橡胶混凝土的细观模型，模拟其在不同荷载条件下的力学响应，深入分析其内部的应力、应变分布规律，以及裂缝的产生和扩展过程。与传统的实验研究方法相比，数值模拟具有成本低、周期短、可重复性强等优点，能够为橡胶混凝土的研究提供重要的理论支持和指导。同时，数值模拟还可以与实验研究相结合，相互验证和补充，提高研究结果的可靠性和准确性。因此，开展基于细观层次的橡胶混凝土力学性能数值模拟研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

国外对橡胶混凝土的研究起步较早，20世纪80年代末期就开始了相关探索。早期研究主要集中在橡胶混凝土的基本力学性能方面，如Toutanji研究了橡胶粉用量及粒径对橡胶混凝土强度的影响，实验结果发现，混凝土的抗压强度和弯曲强度均随着橡胶粉加入量的增加而降低，掺加胶粉的试件呈现延性破坏形态，可以产生较大变形，但当胶粉替代粗骨料的质量达到50％后，混凝土的韧性趋于稳定；采用细胶粉替代骨料的混凝土强度降幅比采用粗胶粉替代骨料的混凝土小；粗骨料全部被粒径相当的胶粉替代的混凝土抗压强度降低76.5％，抗折强度降低36.9％。此后，随着研究的深入，逐渐拓展到橡胶混凝土的耐久性、动力性能、隔热和隔声性能等多个领域。在数值模拟方面，国外学者利用有限元软件如ANSYS、ABAQUS等，对橡胶混凝土的力学性能进行了大量的模拟研究。通过建立细观模型，考虑橡胶颗粒与水泥基体之间的界面特性，分析了不同因素对橡胶混凝土力学性能的影响，取得了一系列有价值的研究成果。

国内对橡胶混凝土的研究始于20世纪90年代末，但发展迅速。国内学者在橡胶混凝土的制备工艺、力学性能、耐久性等方面进行了广泛而深入的研究。在力学性能研究方面，刘刚等通过实验研究了橡胶粉对混凝土抗压强度和抗折强度的影响，发现橡胶粉的掺入使混凝土的强度有所降低，但韧性明显提高。在数值模拟方面，国内学者也取得了一定的进展。例如，刘春生等利用MATLAB软件建立了基于瓦拉文公式的二维随机集料分布模型，在细观层次上将橡胶集料混凝土离散成为粗集料、橡胶集料以及水泥砂浆体所组成的三相复合材料，在此基础上，利用ANSYS有限元软件对上述复合材料模型进行计算分析，研究了橡胶集料混凝土的立方抗压性能。

然而，目前国内外对于橡胶混凝土力学性能的研究仍存在一些不足之处。一方面，虽然对橡胶混凝土的基本力学性能有了一定的认识，但对于其在复杂荷载条件下，如多轴应力状态、动态荷载作用下的力学性能研究还不够深入；另一方面，在数值模拟方面，虽然已经建立了多种细观模型，但模型的准确性和通用性仍有待提高，尤其是对于橡胶颗粒与水泥基体之间的界面粘结特性的模拟，还存在一定的局限性。此外，将数值模拟结果与实际工程应用相结合的研究相对较少，如何将数值模拟成果更好地应用于橡胶混凝土的工