不同試件尺寸界面過渡區(qū)對混凝土準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能的影響

吳 萍 蘭文斌 韓 莉

（1.中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.銀川能源學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

近年來，學(xué)者們在有限的混凝土驗(yàn)證試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析的方法，模擬了混凝土的力學(xué)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(jìn)行數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)界面應(yīng)力在荷載作用下的分布規(guī)律，界面最大剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度的80.5%。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，劉海峰、周姝航等對不同應(yīng)變率作用下混凝土與沙漠砂混凝土的破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，但忽略了界面相對混凝土的靜態(tài)力學(xué)特性。

本文采用數(shù)值模擬的方法，對界面相混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：隨著界面相的厚度增加，混凝土抗壓強(qiáng)度降低；界面相混凝土也表現(xiàn)出明顯尺寸效應(yīng)；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(xiàn)最值；隨著粗骨料最大粒徑范圍的不斷增大，當(dāng)粒徑為5～20mm時，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

2 數(shù)值方法與理論模型

2.1 試驗(yàn)過程

在北京大學(xué)地球物理系實(shí)驗(yàn)室的YS-2000微機(jī)伺服巖石三軸材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，該試驗(yàn)采用位移控制方式，加載速率為0.05mm/min，應(yīng)變率約為1.2×10-5/s。

2.2 計(jì)算模型

隨機(jī)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(fù)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(shù)，利用蒙特卡羅方法控制試件內(nèi)骨料面積，隨機(jī)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(zhǔn)靜態(tài)破壞，下剛體起約束作用。為了體現(xiàn)ITZ層的幾何和力學(xué)特性，需要對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，因此，水泥砂漿、圓形骨料和界面相均采用自由網(wǎng)格法，單元采用LS-DYNA Explicit 2D Solid（Plane 162）；剛性板一般采用映射網(wǎng)格劃分。

2.3 模型參數(shù)

表1 模型參數(shù)表

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 準(zhǔn)靜態(tài)下混凝土破壞模式

在準(zhǔn)靜態(tài)破壞過程中，應(yīng)力波在試件內(nèi)部頻繁透射、反射和疊加，在試件中的傳播與分布異常復(fù)雜，隨著裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展，直至試件完全破壞。界面過渡區(qū)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(zhǔn)靜態(tài)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(qū)的強(qiáng)度較低的情況下，沿骨料與砂漿界面擴(kuò)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(shù)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(nèi)，直徑為74mm、高度為70mm的混凝土試件裂縫寬度和裂縫數(shù)量有明顯的規(guī)律性增加。由于沖擊壓縮的能量較小，粗骨料在準(zhǔn)靜態(tài)下均未發(fā)生破壞。

3.2 粗骨料最大粒徑的計(jì)算結(jié)果

直徑為74mm、高為70mm、界面過渡區(qū)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(jì)算結(jié)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(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢。粗骨料均存在粒徑效應(yīng)，粗骨料粒徑越大，越容易在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力集中，且粗骨料、水泥砂漿和界面相彈性模量差異越大，應(yīng)力集中越明顯，混凝土抗壓強(qiáng)度越低；連續(xù)級配5～20mm，具有堆積緊密、空隙小、比表面積小等優(yōu)點(diǎn)，此時抗壓強(qiáng)度最大。

圖2 混凝土粗骨料最大粒徑對峰值應(yīng)力影響

3.3 體積含量的計(jì)算結(jié)果

隨著混凝土粗骨料體積增加，混凝土峰值應(yīng)力先增大后減?。ㄒ妶D3）。由于水泥砂漿強(qiáng)度小于粗骨料強(qiáng)度，在一定含量范圍內(nèi)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨骨料數(shù)量的增加而提高，當(dāng)水泥砂漿強(qiáng)度提高到一定程度時，水泥砂漿量減少，導(dǎo)致水泥漿體和粗骨料的界面區(qū)粘結(jié)，質(zhì)量下降，混凝土抗壓強(qiáng)度下降。因此，當(dāng)粗骨料體積含量為40%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度最高。

圖3 粗骨料體積含量混凝土對峰值應(yīng)力影響

3.4 界面過渡區(qū)的厚度與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)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(yīng)力隨界面過渡區(qū)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(yīng)力與界面過渡區(qū)厚度關(guān)系

3.5 試件尺寸不同的計(jì)算結(jié)果

混凝土抗壓強(qiáng)度隨試件尺寸的增加呈下降趨勢，尺寸效應(yīng)表現(xiàn)明顯（見圖5）。

圖5 混凝土峰值應(yīng)力與試件尺寸關(guān)系

4 結(jié)語

數(shù)值模擬表明：（1）含界面相混凝土具有明顯的尺寸效應(yīng)。（2）隨著圓形骨料體積含量的增加，卵石混凝土抗壓強(qiáng)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?。浑S著試件尺寸的增加，界面相厚度的影響不斷減小，準(zhǔn)靜態(tài)下數(shù)值模擬結(jié)果為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)依據(jù)，避免較多事故發(fā)生。