基于兩相結構的混凝土數值試驗研究

楊 景 林

(1.太原理工大學水利學院，山西 太原 030002； 2.方山縣水利局，山西 呂梁 033100)

基于兩相結構的混凝土數值試驗研究

楊 景 林1,2

(1.太原理工大學水利學院，山西 太原 030002； 2.方山縣水利局，山西 呂梁 033100)

混凝土常被看作兩相的復合材料，即骨料和水泥砂漿。由于骨料和水泥砂漿不同的力學特性，在外荷載作用下會呈現出對拉應力比較敏感的準脆性變形和破壞特征。該研究針對混凝土的這一特性，將混凝土看作兩相材料，利用FLAC3D模擬其彈脆性破壞過程，探索混凝土試件在外荷載作用下的斷裂破壞過程。研究成果揭示了混凝土的細觀力學機制，對實際工程有重要的參考意義。

脆性變形，兩相，彈脆性

0 引言

混凝土結構在強度方面具有明顯的尺寸效應，受試驗條件的限制，室內實驗結果不能很好地反映大體積混凝土的強度性能，通常將實驗所得參數直接應用于成型混凝土上。混凝土結構在細觀層面上可以看作是骨料和水泥砂漿的兩相材料，在外荷載作用下，當拉應力超出細觀強度時，便在骨料—砂漿界面中產生微裂紋，這是造成混凝土初始破壞或開裂的重要原因之一[1,2]。因而探索合理的室內試驗或數值模擬方法，對于混凝土結構的抗裂能力和力學特性研究有重要的意義，也成為混凝土結構的力學特性和抗裂特性研究的主要方法之一。

目前，對于混凝土結構的數值模擬分析經常采用兩種模型:一類是連續介質模型,如FLAC3D等;另一類是非連續介質模型。FLAC3D是一種基于三維顯式有限差分法的數值分析方法[3]。這種算法可以準確地模擬材料的屈服以及大變形,尤其可根據自己材料的特性，在原有的力學基礎模型上進行擴展，進一步建立復合材料力學特性的模型。FLAC3D在巖土工程中得到了廣泛應用[4-6]。如朱維申等利用改進的FLAC3D模型對單裂隙進行了數值試驗，數值結果與室內試驗有很好的一致性[7-9]；李術才等利用FLAC3D分析了泰安抽水蓄能電站地下廠房的穩定性能[10]。

今年來針對混凝土的數值研究中，已有較多的成果。J Bisschop,G Bertagnoli等[11,12]建立混凝土的早期硬化及塑性數值模型，對于混凝土的早期硬化力學參數、應力狀態及各種影響因素(徐變、自生體積變形、溫度場)做了較為詳細的研究，基于室內試驗及結果提出了一些針對復雜硬化過程的計算公式和校正、完善數學模型參數；唐春安、陳厚群、張楚漢[13-16]等針對混凝土細觀不均勻性的損傷特性做了系統的研究；阮征,陳力[17]砂漿骨料細觀上對混凝土的影響。

許多研究方法主要利用同一種模型對混凝土進行數值分析，此時往往會忽略了混凝土結構細觀層面上的力學不均勻特性。針對上述問題，本文利用FLAC3D分別賦予骨料和水泥砂漿不同的力學模型，并根據混凝土試樣的宏觀破壞特征，分析其細觀層面上的破壞過程，通過與室內試驗相比較，證明本方法可真實地模擬混凝土結構的宏觀破壞過程，有重要的科學價值。

1 本構模型

本文混凝土以普通混凝土為主要研究對象，混凝土結構具有明顯的細觀不均勻性，從細觀層面上出發，混凝土可看作是骨料和硬化后的水泥砂漿。室內試驗研究表明，骨料通常具有高強度、高模量等特性，而硬化后的水泥砂漿具有明顯的彈塑性特性，而組合后的混凝土試件有明顯的彈脆性特征，如圖1所示[15]。

針對混凝土細觀層面上的這一特性，在數值模擬過程中，本文對混凝土的細觀兩相材料做如下處理：設定骨料為彈性模型，本文中暫不考慮骨料的破壞；水泥砂漿為彈塑性軟化模型。同時對水泥砂漿進行如下處理，根據水泥砂漿單元的拉伸破壞或剪切破壞特性，對已破壞單元采用低值的剛度和強度進行軟化處理。隨著拉伸或剪切破壞單元的增加，不斷地對破壞單元反復進行軟化處理過程，直至整個水泥砂漿產生貫通性的宏觀破壞后對單元進行殘余強度處理，當單元由于剪切作用發生破壞時，此單元的剪切強度將為原來的45%左右；當單元由于拉伸作用破壞時，此單元抗拉強度和黏聚力降為初始值的8%左右；在整個壓破壞過程中，材料的摩擦角不做任何處理，而彈性模量和剪切模量降為原來的1/2。由于混凝土是對拉伸作用比較敏感的材料，通常情況下為拉伸破壞，因此本研究中暫時不考慮外荷載作用下混凝土的壓狀態。

2 數值模型及材料參數確定

2.1數值模型

為得到可靠的試驗結果和真實地模擬混凝土壓荷載的試驗過程，建立與室內試驗相同規格的數值模型，同時細化分單元網格(模型包含877 037個單元和904 985個節點)。如此建立模型的好處是：可以應用自行編制的FLAC3D口令，隨時的選取單元并設定為骨料單元組，可真實地模擬混凝土結構中骨料分布及形狀特征的隨機性。同時遵循數值模擬試驗環境與真實室內試驗相一致的原則，設置本數值模擬的邊界條件和初始條件，采用位移加載法控制對數值模型的軸向壓力(如圖2所示)。

2.2材料參數

數值模型的材料參數與實驗室獲取的材料參數相一致，如表1所示[1]。由于水泥砂漿的特殊性，同時為了更好地模擬混凝土脆性破壞特征需做如下處理，當模型中出現破壞單元時重新定義參數，并且輸入循環命令使得對破壞單元進行循環遍歷，當發現破壞單元時進行新的材料參數賦值。最后結果中，以最終的計算結果不收斂及損傷單元貫通整個混凝土等特征為試樣出現宏觀破壞的判定依據。

表1 兩相材料參數

材料彈性模量EC/GPa抗拉強度ftC/MPa抗壓強度fcu，C/MPa泊松比γ骨料609600．33砂漿406450．33

3 數值混凝土單軸壓縮作用下的破壞過程

由于混凝土試件材料力學性質的非均勻性，最后形成的宏觀裂紋的位置往往是不固定的。最后形成的宏觀斷裂帶一般與加載方向呈小于30°的角度。在混凝土的試驗加載過程中，其破壞形態主要分為三個過程：

1)初始壓密狀態，混凝土的水泥砂漿中存在大量的孔隙，尤其是在水泥砂漿與骨料交界的部位。在壓荷載的初期，混凝土會被壓密，水泥砂漿中的孔隙會變小。此時荷載值為抗壓強度的10%左右。

2)出現破壞區域及該區域相互貫通階段：隨著壓荷載的增加，混凝土內部會出現局部應力增大。在混凝土中水泥砂漿與骨料的交界處為薄弱區域，其局部應力很容易大于其抗拉強度或抗剪強度，此時在該區域就容易首先出現破壞單元。隨著外荷載的增加，在骨料的周圍會不斷地出現破壞單元。此時在破壞單元的周圍應力會重新分布，受骨料間距的影響，骨料間的應力會相互干擾，造成破壞區域的相互連通。

3)混凝土試樣的破壞階段，隨著荷載的繼續增加，由于拉伸破壞和剪切破壞的單元不斷增加。破壞單元的形成和增加就是混凝土試件中裂縫的形成和擴張過程，當整個試件中破壞單元不斷積累并連通。此時試件的荷載承受能力將會下降，隨著裂縫的變長變大，直到貫通整個試件時，混凝土試件失去外荷載的承載力，呈現出了脆性斷裂破壞。混凝土中破壞的過程如圖3所示。

4 結語

本研究將混凝土看作兩相結構，探索混凝土試件的脆性斷裂破壞過程。對于結構體而言，數值模擬過程中網格尺寸對計算結果的影響比較大。為排除網格尺寸對計算結果的影響，本文在研究中采用了細化單元法，當單元尺寸較小及網格數量足夠大時，網格尺寸對計算結果的影響作用就會弱化。其次細分網格單元還有另外一個作用，就是當網格單元足夠小、網格數量足夠多時，利用隨機方法設定骨料形態及骨料分布，可以很好地模擬真實混凝土的內部結構。

本文利用FLAC3D研究混凝土結構的壓破壞過程，通過分別設定骨料和水泥砂漿不同的力學破壞模型和力學參數。從數值模擬結果發現，在宏觀程度上可以很好地模擬混凝土的彈脆性斷裂過程，與室內試驗的破壞形態有很好的一致性。即由于混凝土試件材料力學性質的非均勻性，最后形成的宏觀裂紋的位置往往是不固定的。最后形成的宏觀斷裂帶一般與加載方向呈小于30°的角度。如圖展示位室內試驗及他人數值模擬的結果[15]：

在整個破壞過程中，混凝土體現出了較為明顯的拉剪破壞。在加載的初始階段，應力較小，部分單元會開始損傷，這些損傷區域主要位于骨料與水泥砂漿的交界處，由于此處是混凝土的薄弱環節。這些區域主要發生拉伸損傷和剪切損傷。這些損傷部位將導致整個試樣的應力重新分布，在它們的周圍容易形成應力集中，進而促使周邊單元發生拉應力集中，產生拉剪損傷，此時的變形局部化變得明顯。隨著外荷載的不斷增加，不斷有新的拉剪損傷區域，這些損傷區域形成裂紋并開始相互連通。在試樣達到其峰值載荷時，由于試樣內部單元的損傷積累，承載力已經達到極限，在增加外部施加的荷載時，試件內大部分區域同時發生拉伸損傷，使得宏觀裂紋形成。此后，由于試樣承載力的降低，所以試件中的宏觀裂紋繼續發展，直到失去承載能力。在混凝土的整個斷裂過程中，細觀區域的拉剪損傷是形成宏觀裂紋的主要原因，正因為如此，普遍認為混凝土單軸壓縮荷載作用下的破壞主要是由于內部微結構的拉伸損傷引起的。

根據混凝土的內部結構特征，將混凝土分為骨料和硬化完成的砂漿，并賦予不同的材料參數和力學模型，可真實反映混凝土的組成成分結構特性，因此本文通過FLAC3D模擬混凝土斷裂過程是合理的。

本文的數值模擬結果與室內試驗結果的斷裂特征相同。本文所提供的方法可以很好地模擬真實混凝土的結構力學特征和變形，對于工程中大體積混凝土結構分析有重要的應用價值。

受于樣本采集限制，本文研究還有一定的不足。下一步工作可主要通過實驗和數值模擬相結合，將本文所利用的方法應用于實際混凝土結構中，從而分析大體積混凝土等結構。

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Numericalexperimentalofconcretebasedontwophasestructure

YangJinglin1,2

(1.WaterConservancyCollege,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030002,China; 2.FangshanCountyWaterConservancyBureau,Lvliang033100,China)

Concrete is often treated as a composite of two phases, namely aggregate and cement mortar. Due to the different mechanical properties of aggregate and cement mortar, the quasi brittle deformation and failure characteristics, which is sensitive to tensile stress, will appear under external loads. In this paper, the concrete is treated as a two phase material, and its elastic-brittle failure process is simulated by FLAC3D. The fracture process of concrete specimen under external load is investigated. The results of this study reveal the micromechanical mechanism of concrete and have important reference value for engineering.

brittle deformation, two phases, elastic-brittle

1009-6825(2017)28-0107-03

2017-07-24

楊景林(1989- )，男，在讀工程碩士，助理工程師

TU502

A