混凝土3D细观模型及准静态力学行为分析

作     者：章毅 张湘茹 吴昊 胡枫 ZHANG Yi;ZHANG Xiang-ru;WU Hao;HU Feng

作者机构：军事科学院国防工程研究院北京100850 同济大学土木工程学院上海200092 

出 版 物：《工程力学》 (Engineering Mechanics)

年 卷 期：2024年第41卷第8期

页      面：80-92页

核心收录：

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52078379) 

主　　题：混凝土 3D细观模型 "生成-投放"法 粘结接触 准静态力学行为 

摘      要：混凝土是应用最广泛的建筑材料,在细观尺度上由砂浆、粗骨料和界面过渡区(Interface Transition Zone,ITZ)组成,建立3D细观模型是揭示荷载作用下混凝土材料内部损伤机理的重要研究方法。基于传统的“生成-投放法建立空间随机分布的随机凸多面体粗骨料模型,并提出骨料重力沉降和粒径缩放建模方法,实现了粗骨料体积率在50%范围内可调控;采用四面体网格划分多面体粗骨料以表征其真实形状;采用等效于零厚度粘结单元的粘结接触表征ITZ,解决了20μm~50μm厚度ITZ的网格划分问题;采用RHT材料模型表征砂浆和骨料,建立了混凝土3D细观有限元模型。随后开展了准静态单轴压缩、单轴拉伸、劈裂拉伸、双轴加载和三轴压缩条件下混凝土试件力学行为的有限元模拟。通过与试验应力-应变关系和试件破坏模式进行对比,验证了所建立的混凝土3D细观有限元模型的可靠性。进一步分析了砂浆、骨料和ITZ的强度,以及骨料粒径和体积率对混凝土单轴压缩力学性能的影响。结果表明增大砂浆强度可显著提高混凝土强度,而骨料和ITZ强度的影响较小;增大砂浆强度和ITZ强度可使混凝土峰值应变显著增大,而增大骨料强度导致混凝土峰值应变略有减小;降低粗骨料体积率和增大骨料最大粒径均可使混凝土强度略有增大且峰值应变减小。