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轻骨料混凝土的断裂行为研究

黄俊  
【摘要】: 本文从轻骨料混凝土的细观结构出发,将轻骨料砼看作是由砂浆基质、轻骨料以及它们之间的界面层组成的三相复合材料。基于蒙特卡罗随机抽样原理,用“取和放”方法在计算机上产生形状、尺寸和骨料颗粒分布与真实轻骨料砼相类似的随机骨料结构,再将模型导入ANSYS,将其剖分为四边形有限元网格,进而把给定的骨料、砂浆和界面层的力学性能分配给相应的单元。从而建立了数值模拟试验所需要的试件,为轻骨料混凝土非线性有限元分析提供细观计算模型。 以显式积分有限元分析软件LS-DYNA为平台,采用质量缩放和提高加载速度的方法,减少LS-DYNA准静态分析时的计算时间。考虑到细观层次分析的特殊性,为了使数值分析结果更准确,需要选择适当的破坏准则(对于单轴拉伸和三点弯曲试件选用最大拉应力准则,而对单轴压缩试件采用莫尔-库仑准则作为单元破坏判据),对试件的断裂过程进行准静态分析。 设计数值试验方案,运用混凝土非线性有限元分析方法,研究轻骨料混凝土界面层力学性能对于试样断裂过程的影响,结果表明界面层对于整个轻骨料混凝土的强度利断裂特征(包括裂纹扩展路径)的影响很小,因此在研究轻骨料混凝土的宏观断裂过程时,把其视为两相(砂浆基质和轻骨料)复合材料是合理的。 然后分别对轻骨料混凝土试件在轴向拉伸、压缩和三点弯曲荷载作用下的力学性能及其裂纹扩展过程进行研究,发现轻骨料混凝土的破坏形态与普通混凝土存在差别,裂纹的扩展几乎不受骨料阻碍而贯穿骨料,致使轻骨料混凝土的破坏过程比较突然,表现出较强的脆性特征。 最后根据相似模型试验,设计了模型轻骨料混凝土试件。借助带扫描电镜的精密拉伸台试验系统实时原位观测模型轻骨料混凝土从加载开始到最终破坏全过程的裂纹扩展和变形状态,并与所加荷载一一对应。试验观察到的破坏形态与数值模拟中的相同。由此可见,采用本文的细观数值方法对轻骨料混凝土进行模拟是可行和有效的。


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