基于细观模拟的橡胶混凝土压缩力学特性研究

作     者：闻硕 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚泽良

授予年度：2022年

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] 

主      题：橡胶混凝土 细观模型 算法 数值模拟 细观性能 

摘      要：橡胶混凝土是绿色混凝土的一种,可以提升混凝土耐久性。橡胶混凝土中的橡胶主要来源于废旧橡胶轮胎,橡胶颗粒的掺入可在一定程度上解决混凝土的固有脆性问题,并提高混凝土的韧性和抗冲击性能。本文基于细观分析方法,通过计算机编程语言完成橡胶混凝土的生成算法,建立了多相材料组成的橡胶混凝土二维细观结构,针对橡胶混凝土强度的主要影响因素,对橡胶混凝土进行了数值研究,分析了橡胶、砂浆以及橡胶-砂浆界面区等细观各相组分对混凝土宏观力学性能的影响,具体的研究分析工作如下:(1)基于最大密度曲线理论和蒙特卡罗法基本原理,提出并使用Python语言编写混合骨料生成和随机投放算法,建立以天然石子骨料、硬化水泥砂浆、橡胶颗粒、橡胶-砂浆界面过渡区等四相材料组成的更加接近真实结构的橡胶混凝土二维细观结构,无需再借助CAD等其他软件可直接将算法脚本直接嵌入ABAQUS中,生成符合数值计算要求的不同骨料形状在投放区域内均匀随机分布的数值混凝土“试件。(2)对随机生成的6种骨料分布的橡胶混凝土二维随机骨料模型进行了单轴压缩数值试验。结果表明:尽管由于随机骨料在模型内的分布不同,使得计算所得结果存在差异,但其相对误差较小,均在10%以内,说明了算法的稳定可靠。通过模拟结果与相关试验对比,有效验证了该算法构建的模型的合理性。(3)分别对5%、10%以及15%橡胶取代率的数值混凝土“试件进行单轴压缩损伤数值试验,研究分析橡胶混凝土在不同橡胶含量下的应力-应变表现。结果表明:橡胶混凝土的单轴受压应力-应变全曲线与普通混凝土相似,与普通混凝土相比,橡胶混凝土的单轴抗压强度约降低了18%～30%,峰值应变约提升了20%～70%,下降/升高幅度随橡胶含量的增加而增大,进而使得其曲线形态较为“矮胖。通过对比细观模拟和宏观试验结果发现,橡胶混凝土单轴压缩破坏模式与普通混凝土相似,其损伤带均是从强度最为薄弱的界面区开始发展,向骨料周围的硬化砂浆区按与试件高度边缘约45°角方向逐渐汇合、贯通形成破坏试件整体性的宏观大裂缝,但橡胶混凝土的峰值应变和极限应变均大于普通混凝土,其应力-应变全曲线相对平缓,无明显的脆性破坏特征,呈现一种“渐进式的延性破坏特征。(4)分别对1～3 mm和3～6 mm橡胶颗粒组“试件在5%、10%以及15%橡胶取代率进行变参数分析。结构表明,橡胶取代率和砂浆强度对橡胶混凝土强度影响十分显著,橡胶颗粒粒径和界面过渡区强度对橡胶混凝土强度影响稍弱。当砂浆强度减小10%时,小粒径组的试件整体抗压强度下降2.48%～8.88%,大粒径组则下降了4.11%～13.52%;当界面区强度减小10%时,小粒径组的试件整体抗压强度下降6.23%～10.85%,大粒径组则下降了3.75%～10.47%。小粒径橡胶组试件的力学性能强化效果要明显好于大粒径橡胶组试件。当砂浆强度增加20%时,小粒径组的试件整体抗压强度提升了7.44%～14.04%,而大粒径组仅提升了3.02%～8.10%;当界面强度增加20%时,小粒径组的试件整体抗压强度提升了8.15%～11.89%,而大粒径组仅提升了3.23%～8.41%。