泡沫混凝土力学性能及其弹塑性损伤本构研究

【摘要】：作为轻质混凝土的代表,泡沫混凝土材料以其性能优异、造价低廉及环境友好等特点,从众多的节能环保型材料中脱颖而出。近年来,泡沫混凝土材料在建筑节能、安全防护等众多领域均得到了广泛的应用,其相关力学特性也引起了学术界的极大关注。然而,目前针对泡沫混凝土材料的研究大多集中于耐火、导热等功能性方面;而且,相关的力学性能研究也多局限于材料的抗压强度。值得注意的是,不同于传统的混凝土材料,泡沫混凝土内部所包含的大量微孔结构使其成为了一类典型的多孔材料。因此,本文从多孔材料的角度入手,系统研究了泡沫混凝土材料的准静态单/多轴力学行为;并通过理论推导,建立了不同加载条件下的损伤本构模型。主要研究内容及结论如下:⑴开展了泡沫混凝土材料在单轴准静态条件下的拉伸与压缩实验研究。结果表明:在拉伸状态下,泡沫混凝土材料表现出明显的由受拉损伤机制控制的脆性失效特征;而在压缩状态下,其损伤失效则主要由受剪损伤机制控制,具有明显的延性/韧性特征。且材料的单轴压缩应力-应变全曲线也具有明显的“三阶段”(弹塑性阶段、平台阶段和密实化阶段)特征。此外,随着材料密度的增加,其拉伸/压缩模量、屈服强度、平台应力、能量吸收能力均有显著的提高。进而说明密度是影响泡沫混凝土材料力学性能的关键因素。⑵通过常规三轴压缩实验,研究了不同围压下泡沫混凝土材料的多轴屈服行为和失效形态。结果表明:泡沫混凝土材料的多孔隙特性导致其多轴屈服行为表现出强烈的静水压力相关性;同时也预留了足够的体积变形空间,使得材料在三轴压缩过程中不会出现体胀现象。同时,围压为试件提供了侧向约束力,能够起到抑制泡沫混凝土材料应变软化的作用。此外,通过单轴拉伸、单轴压缩和静水压缩应力路径建立了涵盖泡沫混凝土材料密度、拉/压屈服强度不对称性及静水压力相关性的唯象屈服准则;并通过与实验屈服面的比较,验证了屈服准则的有效性。⑶通过理论推导,构建了两种适用于不同加载条件下的泡沫混凝土损伤本构模型。首先,基于Weibull分布函数与多孔材料“三阶段”变形特征,建立了一维受压损伤唯象本构模型。该模型能较为准确的预测高应变条件下泡沫混凝土材料的压缩响应及吸能特性。其次,在经典弹塑性力学、连续损伤力学、不可逆热力学等理论框架的基础之上,根据实验确定的屈服、损伤准则及其相应的演化规律,提出了一个适用于有限变形条件下的泡沫混凝土弹塑性损伤本构模型。并通过实验与对应数值计算结果的对比,验证了以上模型的有效性。