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动力损伤基面力元法在再生混凝土应变率敏感性分析中的应用与探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球城市化进程的飞速推进，建筑业蓬勃发展，对建筑材料的需求与日俱增。传统的混凝土生产严重依赖天然骨料，然而，大规模的开采天然骨料不仅导致资源日益枯竭，还对生态环境造成了巨大的破坏，引发水土流失、地貌改变等一系列问题。与此同时，建筑施工和拆除过程中产生的大量废弃混凝土，若处理不当，会占用大量土地资源，还可能对土壤和地下水造成污染，成为亟待解决的环境难题。在这样的背景下，再生混凝土应运而生，成为了可持续发展建筑材料领域的研究热点。

再生混凝土是将废弃混凝土经过破碎、清洗、分级等一系列处理后，作为骨料重新用于混凝土生产的新型建筑材料。它的出现，既实现了废弃混凝土的资源化利用，有效减少了建筑垃圾对环境的压力，又降低了对天然骨料的依赖，具有显著的经济和环境效益。据相关统计数据显示，每生产1立方米的再生混凝土，可减少约1.2吨的天然骨料开采，同时减少约0.8吨的建筑垃圾排放，这对于资源保护和环境保护意义重大。

在实际工程应用中，混凝土结构往往会受到各种动态荷载的作用，如地震、爆炸、冲击等。这些动态荷载具有加载速率快、作用时间短的特点，会使混凝土材料的力学性能发生显著变化，这种变化通常用应变率敏感性来描述。研究再生混凝土的应变率敏感性，对于准确评估其在动态荷载作用下的力学性能和结构安全性至关重要。不同应变率下，再生混凝土的强度、刚度、韧性等力学性能指标会发生改变，其破坏模式和破坏机理也会有所不同。若在设计中忽视这些变化，采用静态力学参数进行动态性能计算与设计，可能导致结构在实际使用中无法承受动态荷载，从而引发安全事故。

动力损伤基面力元法作为一种新型的数值分析方法，为再生混凝土应变率敏感性研究提供了新的视角和有力工具。该方法基于连续介质力学理论，通过引入“基面力”的概念，能够更加准确地描述材料的细观结构和微观力学行为，有效克服了传统有限元方法在处理非均质材料时的局限性。在再生混凝土研究中，动力损伤基面力元法可以深入分析不同应变率下再生混凝土内部各相组成（如再生骨料、老砂浆、新砂浆、界面过渡区等）之间的相互作用，以及微裂纹的萌生、扩展和贯通过程，从而揭示再生混凝土应变率敏感性的细观机理。这不仅有助于建立更加精确的再生混凝土本构模型，提高对其力学性能的预测精度，还能为再生混凝土的配合比设计、结构优化以及工程应用提供科学依据，推动再生混凝土在实际工程中的广泛应用。

1.2国内外研究现状

国外对于再生混凝土的研究起步较早，在再生混凝土的基本性能、微观结构以及应变率敏感性等方面取得了丰硕的成果。在应变率敏感性研究上，众多学者开展了大量的试验研究，采用分离式霍普金森压杆（SHPB）等设备，对不同应变率下再生混凝土的动态力学性能进行测试。研究结果表明，再生混凝土的强度和弹性模量随应变率的增加而增大，且这种增长趋势与普通混凝土存在一定差异。在微观结构分析方面，通过扫描电子显微镜（SEM）、压汞仪（MIP）等微观测试手段，揭示了应变率对再生混凝土内部微结构（如孔隙结构、界面过渡区等）的影响规律。

在动力损伤基面力元法的研究方面，国外学者对其理论体系进行了深入的探索和完善，拓展了该方法在不同材料和工程领域的应用。他们在基面力元法的基本原理基础上，进一步研究了材料非线性、几何非线性以及多物理场耦合等复杂情况下的应用，提出了一系列改进算法和模型，提高了该方法的计算精度和效率。

国内对于再生混凝土的研究近年来也取得了长足的进展。众多科研机构和高校围绕再生混凝土的基本性能、耐久性、微观结构等方面展开了系统研究。在应变率敏感性研究领域，国内学者同样开展了大量的试验和数值模拟研究。通过试验，研究了不同再生骨料取代率、配合比以及养护条件等因素对再生混凝土应变率敏感性的影响规律，并建立了相应的动态力学性能模型。在数值模拟方面，除了运用传统的有限元方法外，也开始引入动力损伤基面力元法等新型数值方法，对再生混凝土的细观结构和动态力学性能进行模拟分析，取得了一些有价值的研究成果。

然而，目前对于再生混凝土应变率敏感性的研究仍存在一些不足之处。一方面，试验研究虽然能够直接获取再生混凝土在不同应变率下的力学性能数据，但由于试验条件的限制，难以全面深入地揭示其细观损伤机理。而且不同研究中试验方法和试验条件的差异，导致试验结果的可比性较差。另一方面，数值模拟研究中，传统的有限元方法在处理再生混凝土这种非均质材料时，难以准确描述其复杂的细观结构和微观力学行为，计算结果的精度和可靠性有待提高。动力损伤基面力元法虽然在理论上具有优势，但在实际应用中还存在一些问题，如计算效率较低、模型参数的确定较为困难等，需要进一步深入研究和改进。

综上所述，尽管国内外在再生混凝土应变率敏感性