粗骨料力學特性對混凝土性能影響的數值試驗研究★

龐太富 張 正 黃 蔚 萬怡江

(東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

混凝土作為一種復合材料，其組成成分和結構會對混凝土的宏觀力學性能產生顯著影響。混凝土由水泥、骨料及水等原材料組成，而粗骨料則在混凝土體積中大約占到50%～70%[1]。不同粒徑的粗骨料，以不同級配組合，構成混凝土的基本骨架，骨料在混凝土中起到骨架支撐和抵抗變形的作用[2]。目前，對于混凝土粗骨料力學特性對混凝土的抗壓性能的研究，大都是建立在實驗室試驗研究基礎上，這些研究成果表明，混凝土的宏觀力學性能與其內部從微觀、細觀到宏觀多種尺度的缺陷發展有關[3]，粗骨料的力學特性對混凝土的性能有著重要的作用[4，5]。這些實驗研究為進一步提高混凝土的力學特性奠定了堅實的實驗基礎。但是由于實驗室實驗往往難于觀察混凝土破壞的細觀機制，而往往只能看到破壞的最終狀態，因此利用能夠反映材料破壞過程的數值試驗手段開展混凝土破壞過程的細觀機制試驗，無疑是對物理試驗的有力補充。由于粗骨料的種類眾多，其力學特性都有著很大的差別，有從細觀角度對粗骨料力學特性對混凝土性能影響開展進一步研究。

本文選取巖石立方體抗壓強度不同的石灰巖碎石，大理巖碎石，砂巖碎石，花崗巖碎石，玄武巖碎石5種粗骨料類型，通過建立能否反映材料分布非均勻程度的骨料—基質數值模型，對含有不同類型粗骨料的混凝土數值試件開展破壞過程分析，研究不同類型粗骨料對混凝土力學性能、破壞機制以及聲發射特性的影響。

1 含不同類型粗骨料混凝土數值模型建立

目前常見數值模型有網格模型[6]，隨機粒子模型[7]和細觀模型[8]，本文采用的能夠反映材料費均勻性和破裂過程的RFPA2D分析系統，由于當基元崩壞時發生剛度弱化，在宏觀上表現出材料破壞的非連續性，使得該軟件的模擬結果更貼合實際，對混凝土材料的微觀損傷和宏觀破壞都可采用[9]。

數值模型為標準立方體試件，把混凝土視為砂漿基質、粗骨料及兩者粘結帶構成的三相復合材料[10]，簡化成平面應力問題來研究。本模型中混凝土試件力學參數如表1所示。在骨料面積百分比為60%的情況下，研究不同粗骨料力學性能與試樣破壞模式及強度之間的關系。數值試樣尺寸為150 mm×150 mm,有150×150個單元，彈性模量均質度系數為3，平均值為18 GPa,單軸抗壓強度為60 MPa，泊松比均值0.3，模型判斷依據為庫侖準則。單元大小均為1 mm×1 mm。混凝土數值試樣如圖1所示。

表1 粗骨料參數

粗骨料的粒徑大小相等，只是在粗骨料填充材料時分別填充石灰巖碎石，大理巖碎石，砂巖碎石，花崗巖碎石，玄武巖碎石的力學參數，而圖中的顏色則直接反映了參數值的大小,其中顏色由黑到白代表單元的彈模參數由小到大，從圖中可以清楚地看出砂漿基質及骨料的分布狀態。試樣在垂直方向上承受位移控制的壓縮載荷，每步的加載位移為0.005 mm。

2 粗骨料力學性能對材料抗壓強度的影響

不同種類骨料數值試件的應力—應變曲線如圖2所示。從該曲線可以得出，由于粗骨料在彈性模量與強度上的差異，不同種類骨料的混凝土的抗壓強度不同，其中以玄武巖碎石為粗骨料的混凝土抗壓強度最大，以砂巖碎石為骨料的混凝土強度最小。在混凝土中，粗骨料的彈性模量直接影響到混凝土結構中內部應力的大小和分布，局部應力集中會降低混凝土的抗壓強度。通過5種粗骨料混凝土數值模擬結果和粗骨料本身力學性能的對比可知，粗骨料的抗壓強度和彈性模量相對較高的混凝土，其抗壓強度則較高。在一定范圍內，粗骨料的抗壓強度和彈性模量的提高有助于提高混凝土彈性模量相對較高的混凝土，其抗壓強度則較高。在一定范圍內，粗骨料的抗壓強度和彈性模量的提高有助于提高混凝土抗壓強度。

3 粗骨料力學特性對混凝土破裂機制的影響

含不同類型粗骨料混凝土試樣破壞后的彈性模量分布圖及破壞模式放大圖如圖3,圖4所示。可以看出含不同類型粗骨料試件的細觀破壞機制不同，破壞不僅發生在砂漿和粗骨料的交界面，在粗骨料本身也發生貫穿性破裂。粗骨料力學特性對聲發射以及各步累計值的影響如圖5,圖6所示。由于混凝土內部微裂縫與聲發射數量呈正比關系，且混凝土內部裂縫損傷情況體現出混凝土從屈服到破壞之間的形變能力，通過累計聲發射數量反映出混凝土的破壞情況，進而反映出混凝土在達到極限承載力而臨近破壞時的情況。

從圖5含不同類型粗骨料試樣的破壞聲發射圖中可看到，聲發聚集區不僅在砂漿和粗骨料的交界面上，在強度較低的粗骨料內部也出現較為密集的聲發射聚集現象。從圖6含不同類型粗骨料試件的聲發射累積曲線中可看到，砂巖的聲發射累計數目至加載至第七步時開始急劇增加，表明試件內部裂紋擴展加劇，而粗骨料為大理巖時，試件的累積聲發射數增長相對較慢，表明作為粗骨料的力學性質與材料基質較為協調，試樣的變形能力和承載能力均較高，這也與圖2的結論相一致。

總體上看，粗骨料的強度應與水泥砂漿的變形特性盡量接近，使兩者受力、變形情況一致較為有利。用5種不同材質粗骨料,包括石灰巖碎石、大理巖碎石、砂巖碎石、花崗巖碎石、玄武巖碎石拌制的混凝土，其強度、彈性模量試驗表明，玄武巖的抗壓強度、彈性模量相對較高。究其原因，玄武巖自身強度、彈性模量高，對混凝土強度、彈性模量的提高有利，證明了前述理論的正確性。

4 結語

混凝土是一種由骨料、水泥及水組成的多相材料，其破壞過程與骨料的力學性質密切相關。混凝土受載后，其內部有微裂紋的萌生、擴展和貫通過程與粗骨料的力學特性密切相關。本文從混凝土的細觀結構角度入手，把混凝土視為水泥砂漿、骨料及兩者間的粘結帶構成的三相復合材料研究其中粗骨料力學特性對混凝土的影響。粗骨料的力學特性在一定程度上影響混凝土材料的力學性能，粗骨料的強度和彈性模量的增加有助于提高混凝土的抗壓強度，但混凝土力學性能的提高受其內部各組分參數的綜合影響，粗骨料的彈性模量影響其與混凝土基質間的變形協調也是提高混凝土性能需要考慮的因素之一。

本文得到了東北大學資源與土木工程學院賈蓬老師的指導以及杜功成碩士的幫助，在此表示衷心感謝。