多尺度再生隨機骨料混凝土材料及梁試件分析

1、多尺度再生隨機骨料混凝土材料及梁試件分析近年來,眾多學者基于不同研究尺度構建不同類型的細觀力學模型,用以研究再生骨料混凝土各項材料的力學性能1-4.同濟大學肖建莊教授課題組5-7做了大量的研究,采用格構模型模擬軸心拉壓條件下再生骨料混凝土各相力學性能以及再生骨料混凝土的各相細觀組分對整體性能影響.黨娜娜等研究學者8-9認為再生骨料混凝土由五種不同材質(zhì)構成,采用隨機骨料模型從細觀層次上分析其損傷破壞及裂紋開展情況.于勇等10利用界面元技術建立中尺度模型研究影響再生混凝土拉伸性能的因素,結果表明新舊界面過渡區(qū)以及舊砂漿附著量對其都有顯著影響.隨著電子顯微鏡(SEM)和X射線斷層掃描技術進步,再生混

2、凝土微觀結構特征得以被發(fā)現(xiàn),對于尋求再生骨料混凝土破壞的真正原因大有裨益11-12.基于以上學者研究,運用MATLAB隨機生成基于塑性損傷本構關系的隨機骨料程序確定隨機骨料的位置信息,考慮再生骨料混凝土細觀結構特點以及多相夾雜的再生骨料信息,采用有限元軟件DIANA分別構建二維隨機骨料再生混凝土模型和多尺度耦合再生骨料混凝土梁模型,分析再生混凝土模型單軸拉伸壓縮下混凝土應力應變關系以及裂縫開展路徑和損傷機理.并分析了三點受彎下再生混凝土梁的斷裂行為,梁中心部分是考慮界面單元的細觀模型,在細觀尺度區(qū)域采用蒙特卡羅方法和填充算法,采用遞進的網(wǎng)格劃分,梁兩側部分的宏觀區(qū)域采用均勻彈性參數(shù)的線彈性模型

3、,并就不同骨料取代率對再生骨料混凝土梁整體性能影響以及損傷破壞展開分析.1 再生骨料混凝土細觀模型再生骨料混凝土梁細觀部分采用蒙特卡羅方法和填充算法生成隨機骨料位置信息的再生骨料混凝土細觀結構.根據(jù)Walraven公式,由三維級配曲線轉(zhuǎn)換為試件截面上任意點具有骨料直徑DD0的概率Pc(n=D0/Dmax)為式中:Pk為骨料體積占總體積的百分比; Pc是骨料在再生骨料混凝土中某一部分的任何點上DD0的粒徑的概率; D0是篩子尺寸,Dmax是最大粒子的直徑; Pk是再生骨料混凝土中所有骨料的體積百分比.根據(jù)塑性損傷的本構關系,參考郭夢歡9關于多尺度梁分析時,對于各項彈性力學參數(shù)的確定以及姚澤良等人

4、試驗研究,對再生骨料混凝土五相材料(新舊硬化水泥砂漿、內(nèi)外界面、天然骨料)和宏觀混凝土賦予相應的材料參數(shù),各相材料參數(shù)8,13如表1.表1 各相材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of each phase通過計算機語言MATLAB自編算法,先確定再生骨料位置隨機信息,若確定了分布在該部分中的骨料位置和粒徑,就會在骨料周圍生成舊的ITZ,并在舊的ITZ周圍生成老硬化水泥砂漿圓,最后,新的ITZ圓圍繞新硬化水泥砂漿基體中的舊硬化水泥砂漿生成. 再生粗骨料外圍附著舊砂漿,內(nèi)外砂漿層界面區(qū)域(ITZ)厚度均為0.5 mm,老砂漿厚度為1.2 mm,如圖1所示.圖1 再生骨料混

5、凝土網(wǎng)格模型Fig.1 Recycled aggregate concrete grid model2 再生骨料混凝土分析2.1 再生骨料混凝土的本構模型選用DIANA軟件混凝土結構裂縫模型中的總應變裂縫模型.受壓情況下,選用由Saenz提出單軸受壓時的應力應變曲線關系公式為式中:E0是混凝土初始彈性模量; Es是混凝土割線模量; 是應力-應變曲線參數(shù); c是應力達到峰值時的應變.DIANA(如圖2所示)設定 fc/3是當應變達到c時應力達到峰值,fc是混凝土抗壓強度值,Gc/h表示裂縫處單位寬度的斷裂能,是由橫縱坐標與曲線圍成的面積表示.采用Mazars提出的單軸受拉損傷模型,當c時,-呈線

6、性關系; 當c時,-呈指數(shù)規(guī)律下降,全曲線公式為式中:E0是線彈性階段的彈性模量; AT、BT是材料常數(shù).指數(shù)模型情況下應力-應變本構關系曲線如圖3所示.同樣,曲線與橫縱坐標圍成的面積是單位寬度斷裂能Gif/h.圖2 單軸壓縮下應力-應變關系Fig.2 Stress-strain relationship under uniaxial compression圖3 單軸拉伸下應力-應變關系Fig.3 Stress-strain relationship under uniaxial tension2.2 單軸拉壓下結果分析使用有限元軟件DIANA構建如圖4、5所示150 mm150 mm單軸拉壓

7、加載為邊界條件的100%取代率再生骨料混凝土二維模型,一共生成8 177個網(wǎng)格單元,在內(nèi)外界面ITZ處進行局部加密.圖4 單軸拉伸下隨機骨料模型Fig.4 Random aggregate model under uniaxial tension圖5 單軸壓縮下隨機骨料模型Fig.5 Random aggregate model under uniaxial compression該模型采用剛性位移加載,單軸拉壓加載位移大小為0.05 mm將位移荷載0.1 mm/s施加到模型頂部設置的參考點上,參考點與試件綁定.模型底部的材質(zhì)點在x和y方向固定.荷載步為1.0(100),平衡迭代最大迭代次數(shù)為

8、10.如圖6、7,當再生骨料混凝土受拉時,內(nèi)界面最先出現(xiàn)裂紋,之后沿著內(nèi)界面向老砂漿、外界面擴展,依次傳遞給新砂漿,隨著荷載不斷延伸擴展最后貫穿形成一條沿著x方向的裂縫.并且除了天然骨料外,各相材料內(nèi)部均出現(xiàn)損傷裂紋.當再生骨料混凝土在受壓時,內(nèi)界面最先出現(xiàn)裂紋,之后沿著內(nèi)界面向老砂漿、外界面擴展,依次傳遞給新砂漿,隨著荷載不斷增大,裂紋不斷延伸擴展最后貫穿形成一條沿著對角線方向約45方向的主裂縫,周圍環(huán)繞著許多細微裂縫.并且除了天然骨料外,各相材料內(nèi)部均出現(xiàn)損傷裂紋.圖8為再生混凝土細觀模型在拉壓作用下應力-應變關系圖,參考試驗結果(劉瓊13)研究發(fā)現(xiàn)再生骨料混凝土應力-應變關系與試驗結果擬

9、合較好.圖6 受拉情況下再生骨料混凝土裂縫開展Fig.6 Crack development of recycled aggregate concrete under tension圖7 受壓情況下再生骨料混凝土裂縫開展Fig.7 Crack development of recycled aggregate concrete under compression圖8 模擬結果與試驗結果-應力應變關系Fig.8 Simulation results and test results-stress-strain relationship3 多尺度再生骨料混凝土梁數(shù)值模擬分析通過有限元分析軟件DIA

10、NA構建1 600 mm250 mm二維多尺度再生骨料混凝土梁模型,如圖9所示.圖9 多尺度再生骨料混凝土梁網(wǎng)格模型Fig.9 Multi-scale recycled aggregate concrete beam grid model其中在梁跨中部分采用中尺度模型研究分析,大小為400 mm250 mm,兩邊采用宏觀角度研究分析,大小分別為600 mm250 mm.中尺度部分考慮是基于細觀考慮的再生骨料混凝土,由新砂漿、外界面、老砂漿、內(nèi)界面、再生骨料組成.并且各相組分材料參考表1各項參數(shù); 宏觀部分材料采用均質(zhì)單一屬性的混凝土材料屬性.并在中尺度區(qū)域底部預設細小窄裂縫,裂縫寬度為2 mm

11、,深度為45 mm.對于不同區(qū)域網(wǎng)格劃分精細程度不同,細觀區(qū)域采用精細的網(wǎng)格劃分,單元大小選用5 mm,靠近中尺度區(qū)域選用單元大小為15 mm的網(wǎng)格,最后兩端網(wǎng)格采用單元大小20 mm的網(wǎng)格,共生成24 195個網(wǎng)格單元.宏觀區(qū)域與中尺度區(qū)域采用剛性連接耦合在一起,對于荷載施加處可以采用頂點加載的方式施加在鋼板中點,采用三彎點實驗加載方式,支座約束采用合并的方式將鋼板與梁耦合起來,需要定義鋼板與梁接觸面材料性質(zhì),再生骨料混凝土模型試件幾何尺寸和加載方式.將位移荷載0.05 mm/s施加到模型鋼板中點,荷載步為5(99),平衡迭代最大迭代次數(shù)為10,如圖 10所示.圖 10 三彎點加載方式隨機骨

12、料模型荷載以及約束方式Fig.10 Load and restraint method of random aggregate model under three points bend loading mode通過模擬分析計算得到的混凝土梁加載點荷載-位移曲線如圖 11所示,此時梁加載點處最大荷載為11.119 45 kN,位移大小為0.094 12 mm.研究了不同取代率下(0%,25%,75%,100%,CC表示天然混凝土,RAC25表示取代率為25%的再生骨料混凝土,以此類推)多尺度再生骨料梁破壞及其裂縫擴展情況.不同分析步時所對應的裂縫寬度開展情況如圖 12所示.圖 11 多尺度再生

13、骨料混凝土梁荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curve of Multi-scale recycled aggregate concrete beam圖 12 受彎情況下不同取代率下的再生骨料混凝土裂縫開展對比(Ecw1表示裂縫寬度)Fig.12 Comparison of crack development of recycled aggregate concrete with different replacement rates under compression(Ecw1 represents the crack width)在三點受彎荷載作用下,提取步

14、長5、16和50情況下裂縫寬度發(fā)展情況,在預設裂縫口尖端處產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,最先在新砂漿處觀察到裂縫產(chǎn)生,隨著位移荷載不斷加大,裂縫由外界面?zhèn)鬟f到老砂漿-內(nèi)界面區(qū)域,并沿著主裂縫不斷發(fā)展,最終形成一條貫穿整塊梁的豎直裂縫.裂縫經(jīng)第一顆骨料時,分成兩支沿著不同方向發(fā)展,隨著位移荷載不斷加大,最終沿著主裂縫發(fā)展,主要由底部缺口處不斷沿著新砂漿-外界面-老砂漿-內(nèi)界面并繞過骨料不斷攀升,直至貫穿整個梁形成一條沿著y方向的主裂縫,周圍環(huán)繞著許多細微裂縫.取代率越高,外界面出現(xiàn)裂紋越早,除了天然骨料外,各相材料內(nèi)部均出現(xiàn)損傷裂紋.4 結論采用基于有限元思想耦合宏觀與中尺度區(qū)域二維多尺度建模的方法,運用M

15、ATLAB隨機生成基于塑性損傷本構關系的隨機骨料程序確定隨機骨料的位置信息,利用有限元軟件DIANA構建二維再生骨料混凝土隨機骨料模型和多尺度再生骨料混凝土梁模型.研究再生骨料混凝土單軸拉伸和壓縮以及再生骨料混凝土梁在三點受彎下裂縫開展路徑和損傷機理,并與已有實驗結果進行比較得到如下結論:(1)當再生骨料混凝土受拉與受壓時,均為內(nèi)界面最先出現(xiàn)裂紋,之后沿著內(nèi)界面向老砂漿、外界面擴展,依次傳遞給新砂漿,隨著荷載不斷延伸擴展最后貫穿形成主裂縫.有所不同的是,受拉時形成一條沿著x方向的裂縫,受壓時形成一條沿著對角線方向約45方向的主裂縫.并且除了天然骨料外,各相材料內(nèi)部均出現(xiàn)損傷裂紋;(2)多尺度耦合再生骨料混凝土梁在三點受彎狀態(tài)下時,再生骨料取代率較低時,外界面最先出現(xiàn)裂縫,并隨著荷載的加大,裂縫寬度不斷加大并沿著Y方向由外界面、新砂漿不斷擴展延伸形成開裂路徑.當取代率大于25%時,內(nèi)界面最先產(chǎn)生裂縫,并且取代率越高,裂縫形成得越早,之后沿著老砂漿向外界面、新砂漿