不同試件尺寸界面過渡區對混凝土準靜態力學性能的影響

吳 萍 蘭文斌 韓 莉

（1.中國礦業大學銀川學院，寧夏 銀川 750021； 2.銀川能源學院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

近年來，學者們在有限的混凝土驗證試驗的基礎上，采用數值分析的方法，模擬了混凝土的力學性能。張普、李耀宗等通過ABAQUS對FRP型材-超高性能混凝土組合梁進行數值模擬研究，發現界面應力在荷載作用下的分布規律，界面最大剪應力為抗剪強度的80.5%。在實驗驗證的基礎上，劉海峰、周姝航等對不同應變率作用下混凝土與沙漠砂混凝土的破壞過程進行了數值模擬，但忽略了界面相對混凝土的靜態力學特性。

本文采用數值模擬的方法，對界面相混凝土的準靜態單軸壓縮試驗進行了研究，結果表明：隨著界面相的厚度增加，混凝土抗壓強度降低；界面相混凝土也表現出明顯尺寸效應；隨著粗骨料體積含量不斷增加，混凝土在體積含量為40%時，出現最值；隨著粗骨料最大粒徑范圍的不斷增大，當粒徑為5～20mm時，抗壓強度達到最大值。

2 數值方法與理論模型

2.1 試驗過程

在北京大學地球物理系實驗室的YS-2000微機伺服巖石三軸材料試驗機上進行了準靜態單軸壓縮試驗，該試驗采用位移控制方式，加載速率為0.05mm/min，應變率約為1.2×10-5/s。

2.2 計算模型

隨機骨料模型的基本原理是把混凝土看作由粗骨料、水泥砂漿及界面相組成的三相復合材料。二維模型中借助三維富勒骨料級配曲線、瓦拉公式，確定粗骨料的各粒徑骨料顆粒數，利用蒙特卡羅方法控制試件內骨料面積，隨機分布含界面的圓形骨料模型。中間部分為混凝土試件，上、下均為剛體部分，在上剛體施加0.1m/s的沖擊速度模擬混凝土準靜態破壞，下剛體起約束作用。為了體現ITZ層的幾何和力學特性，需要對其進行有限元網格劃分，因此，水泥砂漿、圓形骨料和界面相均采用自由網格法，單元采用LS-DYNA Explicit 2D Solid（Plane 162）；剛性板一般采用映射網格劃分。

2.3 模型參數

表1 模型參數表

3 計算結果分析

3.1 準靜態下混凝土破壞模式

在準靜態破壞過程中，應力波在試件內部頻繁透射、反射和疊加，在試件中的傳播與分布異常復雜，隨著裂紋的產生、擴展，直至試件完全破壞。界面過渡區的厚度為0.03mm，粗骨料體積含量40%時，粗骨料粒徑為5～20mm，模型尺寸直徑為74mm、高為70mm的圓柱體試件在準靜態下破壞過程如圖1所示。

圖1 混凝土沖擊破壞過程

在界面過渡區的強度較低的情況下，沿骨料與砂漿界面擴展的裂縫相互交匯，在試件表面形成明顯的裂縫，裂縫的寬度和數量隨時間的推移而急劇增加，微裂縫連接成通縫，直至試件失去承載力。在較短時間內，直徑為74mm、高度為70mm的混凝土試件裂縫寬度和裂縫數量有明顯的規律性增加。由于沖擊壓縮的能量較小，粗骨料在準靜態下均未發生破壞。

3.2 粗骨料最大粒徑的計算結果

直徑為74mm、高為70mm、界面過渡區厚度為0.03mm的粗骨料沖擊速度為0.1m/s時，粗骨料粒徑模擬的計算結果如圖2所示。保持粗骨料最小粒徑為5mm不變，增大粗骨料最大粒徑，混凝土的抗壓強度呈先增大后減小的趨勢。粗骨料均存在粒徑效應，粗骨料粒徑越大，越容易在混凝土中產生應力集中，且粗骨料、水泥砂漿和界面相彈性模量差異越大，應力集中越明顯，混凝土抗壓強度越低；連續級配5～20mm，具有堆積緊密、空隙小、比表面積小等優點，此時抗壓強度最大。

圖2 混凝土粗骨料最大粒徑對峰值應力影響

3.3 體積含量的計算結果

隨著混凝土粗骨料體積增加，混凝土峰值應力先增大后減小（見圖3）。由于水泥砂漿強度小于粗骨料強度，在一定含量范圍內，混凝土的抗壓強度隨骨料數量的增加而提高，當水泥砂漿強度提高到一定程度時，水泥砂漿量減少，導致水泥漿體和粗骨料的界面區粘結，質量下降，混凝土抗壓強度下降。因此，當粗骨料體積含量為40%時，混凝土的抗壓強度最高。

圖3 粗骨料體積含量混凝土對峰值應力影響

3.4 界面過渡區的厚度與混凝土抗壓強度的關系

試件尺寸、粗骨料體積含量和粗骨料粒徑保持不變，混凝土峰值應力隨界面過渡區厚度的增加呈遞減趨勢，而界面相厚度的影響隨試件尺寸的增加呈遞減趨勢（見圖4）。

圖4 混凝土峰值應力與界面過渡區厚度關系

3.5 試件尺寸不同的計算結果

混凝土抗壓強度隨試件尺寸的增加呈下降趨勢，尺寸效應表現明顯（見圖5）。

圖5 混凝土峰值應力與試件尺寸關系

4 結語

數值模擬表明：（1）含界面相混凝土具有明顯的尺寸效應。（2）隨著圓形骨料體積含量的增加，卵石混凝土抗壓強度呈先增大后減小趨勢。（3）界面相厚度、粗骨料最小粒徑和體積百分比保持不變，隨著粗骨料最大粒徑增大，混凝土承載能力呈先增大后減小趨勢。（4）隨界面相厚度增加，混凝土承載能力逐漸減小；隨著試件尺寸的增加，界面相厚度的影響不斷減小，準靜態下數值模擬結果為工程應用提供理論依據和技術依據，避免較多事故發生。