再生混凝土數值模擬研究

時建偉

(長江大學 湖北 荊州 434100)

引言

和研究普通混凝土一樣，目前針對再生混凝土的基本力學性能研究主要還是依靠力學實驗的手段。首先，按照已經計算得出的混凝土各組分之間的配合比制作若干組試件，然后通過試驗測得與各個力學指標相關的一系列試驗數據，最后通過對數據進行回歸分析得出各力學性能指標之間的轉換關系。要得出這些力學性能指標往往需要大量的試驗，而這勢必會需要大量的原材料，因此這樣做是很不經濟的。現代材料科學的趨勢逐漸由宏觀轉向微觀，傳統的試驗手段已經不能揭示材料的宏觀力學性能與材料微觀結構之間的關系，因此，要想取得再生混凝土研究領域的突破，就必須嘗試沖出傳統力學實驗的束縛。而隨電腦科技的快速發展，細觀計算力學理論的出現，使有限元軟件得到廣泛的應用。

對再生混凝土的試驗研究，因復雜試驗條件限制、人員誤差等，使試驗結果存在差異，可以借助有限元軟件，通過適當方法建立數值仿真模型，數值模擬部分或全部試驗過程。利用數值計算模型可以更直觀模擬再生混凝土內部微裂縫萌生、發展及試件的破壞過程，為分析再生混凝土不同工況下力學性能提供基礎。

一、再生混凝土

再生混凝土(Recycled Concrete)[1]是利用廢棄混凝土破碎、分揀、清洗等得到再生骨料(Recycled Aggregate)，按照特定的配合比全部代替或部分代替天然骨料配制的新混凝土。它由再生骨料、新水泥砂漿、舊水泥砂漿、新界面過渡區、舊界面過渡區五項介質組成。

二、再生混凝土物理力學性能數值模擬研究

(一)抗壓強度

早在1977年，學者Frondistou-Yannas[3]對普通混凝土和建筑垃圾廢料制成的粗骨料替代天然骨料配置的混凝止進行了研究，比較了兩者在力學性能方面的異同，研究發現，再生骨料混凝土的抗壓強度和彈性模量相比普通混凝土都有所下降。1983年，學者Hansen and Narud[4]研究發現，當其他因素不變時，再生混凝土的抗壓強度主要受水灰比的影響。當普通混凝土的水灰比與再生骨料混凝土相同甚至低于再生骨料混凝土時，兩者的強度相等或者再生骨料混凝土的強度更高，反之亦然。2009年，我國研究人員也進行了大量研究[5-11]，肖建莊根據再生粗集料的特點,建立了再生混凝土隨機集料模型,進而基于格構模型理論定義了5種格構單元:粗集料單元、新砂漿單元、新界面單元、老砂漿單元和老界面單元.在對比分析的基礎上,為不同單元確定了不同的力學參數。合肥工業大學學者吳缽[2]在2013年基于Ansys建立有限元模型，結合試驗驗證了再生混凝土抗壓強度，給出了更可靠的理論值。

(二)抗拉強度

與再生混凝土的抗壓強度數值模擬相比，國內外對再生混凝土抗拉強度的研究偏少。1988年Kawamura等研究表明再生混凝土的抗拉強度與普通混凝土相差不大。之后，學者Salem發現ACI規范建議的普通混凝土抗拉強度計算公式也可W用于計算再生混凝主的抗拉強度。國內學者肖建莊[12]根據試驗獲得的再生混凝土各相材料力學參數，通過有限元分析對再生混凝土進行軸心受拉模擬分析，獲取再生混凝土軸心受拉應力-應變曲線。

(三)細觀結構力學

混凝土細觀力學這一概念是由Wittmann和Zaitsev[13-17]于20世紀70年代末首次提出，他們不僅定義混凝土為由多種介質組成的復合材料，而且提出了基于不同層次(宏觀、細觀、微觀和超微觀)的混凝土非均質性。再生混凝土細觀力學性能指內部微裂縫、水化反應化合物、各材料間的界面等用光學顯微鏡可觀察到的，細觀上混凝土被視為多相復合結構，多采用數值方法探究其性能。國內外學者對再生混凝土的數值研究，目前主要有格構模型、M-h模型、隨機粒子模型、隨機力學特性模型、隨機骨料模型。同濟大學肖建莊等通過數值模擬研究了老砂漿對再生混凝土力學性能影響。試驗改變新水泥砂漿和老水泥砂漿擴散率以及老水泥砂漿厚度，結果表明老砂漿對再生混凝土宏觀力學性能影響較小。羅冬梅等應用ANSYS有限元軟件及AUTOCAD繪圖軟件，建立由再生骨料、粘結界面和水泥砂漿基體的三相復合材料組成的隨機分布模型，建立細觀力學材料非線性損傷本構方程；學者岳強基于數字圖像處理技術提取再生混凝土的骨料邊界，生成真實的再生混凝土骨料模型，構建符合界面厚度要求的有限元分析模型；在試驗數據基礎上，全過程模擬再生混凝土在軸向應力狀態下的力學性能及破壞全過程，探討裂縫的擴展演化規律。

三、再生混凝土結構性能數值模擬研究

(一)再生混凝土梁

梁作為建筑結構中經常出現的構件，隨著再生混凝土的推廣，使用再生混凝土梁也會越來越廣。對于再生混凝土梁，國內外學者也做了大量研究[19,20]。對梁的受彎性能，Ishill等人進行了相關試驗，研究結果表明：在極限承載力方面，再生混凝土梁與普通漏凝土梁基本相同，但是與普通混凝土梁相比，再生混凝土梁有著較大的燒度和裂縫寬度；Mahdi Arezoumandi等人對6根100%取代率的再生骨料混凝土梁和6根普通混凝土梁進行了抗剪性能試驗，結果表明，再生骨料混凝王梁的抗剪強度比普通混凝王梁低12%。我國學者肖建莊、王曉菡[18]等人利用數值分析，對梁的結構性能也取得了一定成績。

(二)再生混凝土柱

近年來，對于再生混凝土柱的研究主要集中于鋼管再生混凝土[21-23]。2007年，楊有福在確定鋼管與再生混凝土本構關系模型的基礎上，采用有限單元法對鋼管再生混凝土軸壓短柱、純彎構件和壓彎構件的破壞模態和荷載-變形關系曲線進行了全過程分析，研究了靜力荷載下鋼管與再生混凝土的截面應力分布規律、鋼管與再生混凝土之間的相互作用等工作機理。2014年，王緒湘等人基于有限元分析研究了再生鋼管混凝土抗震性能，建立有限元模型如下圖。陳宗平2016年也基于Abaqus開展了不同設計參數下37個足尺試件的有限元拓展分析，揭示了變化參數對柱滯回性能指標的影響規律。

四、結語

綜上所述，數值模擬在再生混凝土的研究中應用的較為廣泛。基于計算機的模擬和試驗，得到了一些復雜條件下的再生混凝土的力學性能，為再生混凝土的力學研究及應用提供理論支持。但是，由于我國再生混凝土的研究工作起步較晚以及有限元軟件開發程度有限，目前對于再生混凝土研究還有以下缺陷：

1.目前針對再生混凝土的研究還基本停留在試驗水平，尤其是針對在再生混凝土中摻入摻合料的研究，更是沒有數值模擬的手段加以扶持。而力學試驗結果在很大程度上局限于該批再生粗骨料的性能，如果骨料的性能改變了就得另行試驗，說到底，這樣的做法是十分不經濟的。而細微觀數值模擬方法，克服了許多試驗的弊端，如隨機性和不穩定性，工況數量也可以大大增加。但目前對于基于有限元的實驗研究相對于較少，理論分析也較為薄弱。

2.目前再生混凝土細觀數值分析仍處于探索研究階段，關于界面過渡區網格精細劃分、初始微裂縫和氣孔模擬以及有效增強方法等領域需進一步進行改進和完善，以期更真實實現再生混凝土細觀數值分析。

3.目前對于約束再生混凝土以及再生混凝土改性研究相對于較為薄弱，而且基本上是基于試驗，缺乏數值模擬驗證，僅有少數學者在鋼管約束混凝土和粉煤灰改性混凝土上取得一定成果。

4.隨著再生混凝土在建筑領域應用的增多，對于再生混凝土多災害條件下的力學性能需要跟進，但目前由于試驗條件以及再審混凝土研究的不足，此類研究成果還很少。