混凝土類脆性材料破損演化規(guī)律的定量化研究及數(shù)值模擬.pdf

1、CT掃描可以無損地檢測(cè)混凝土承載過程中裂紋的演化過程，是當(dāng)前基于細(xì)觀層面研究混凝土力學(xué)特性的有效手段。然而，當(dāng)前巖石及混凝土CT試驗(yàn)研究中，利用觀察及統(tǒng)計(jì)方法研究材料破壞后果的文獻(xiàn)較多，定量地分析材料損傷演化過程的文獻(xiàn)則相對(duì)較少，嚴(yán)重浪費(fèi)了寶貴的CT試驗(yàn)資源?；炷岭S機(jī)骨料模型較好地模擬了混凝土中骨料的隨機(jī)分布，為基于有限元對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬提供了較適用的方法。但是，該模型將混凝土分解成由骨料、砂漿、和界面組成，忽略了混凝土材料的

2、初始缺陷及骨料和砂漿的非均質(zhì)性，且所建模型的界面較厚，不能真實(shí)地模擬混凝土的真實(shí)結(jié)構(gòu)組成。
　　為了充分發(fā)揮CT試驗(yàn)資源的價(jià)值，真實(shí)地模擬混凝土的組成結(jié)構(gòu)，本文以巖石及混凝土CT試驗(yàn)為基礎(chǔ)，利用分形理論及破損演化理論，定量地研究了巖石及混凝土加載過程中試樣的損傷演化過程，建立了基于孔隙率的損傷演化方程；基于CT圖像分別建立了“結(jié)構(gòu)隨機(jī)型數(shù)值混凝土模型”和“材料隨機(jī)型數(shù)值混凝土模型”，為基于CT試驗(yàn)研究巖石及混凝土的力學(xué)特性提供了一

3、套有效的方法。本文研究的主要工作和成果總結(jié)為以下幾點(diǎn)：
　?。?）以巖石材料的靜力單軸壓縮、靜力三軸壓縮CT掃描試驗(yàn)和混凝土材料的靜力單軸壓縮、靜力單軸拉伸、動(dòng)力單軸壓縮、動(dòng)力單軸拉伸CT掃描試驗(yàn)為對(duì)象，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、CT圖像、CT數(shù)均值等分析方法，分析了巖石及混凝土試樣的損傷過程，得到了不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石及混凝土試樣的損傷演化特點(diǎn)。
　　（2）基于差分盒維數(shù)方法，定量地分析了混凝土靜力壓縮、靜力拉伸、動(dòng)力壓縮、動(dòng)力拉伸

4、CT試驗(yàn)過程，得到了混凝土試樣在不同應(yīng)力條件下分維數(shù)隨加載的變化規(guī)律。
　?。?）以細(xì)砂巖靜力三軸壓縮CT試驗(yàn)、混凝土單軸靜力壓縮CT試驗(yàn)、以及混凝土單軸動(dòng)力壓縮試驗(yàn)為研究對(duì)象，基于損傷演化理論，提出了分區(qū)閾值的確定方法，定量地將細(xì)砂巖CT掃描圖分為孔洞裂紋區(qū)、損傷區(qū)、和完整區(qū)，將混凝土CT掃描圖分為骨料區(qū)、硬化水泥石區(qū)、和孔洞裂紋區(qū)，并基于測(cè)度定義了完整率、損傷率、骨料率、硬化水泥石率、孔隙率，定量地研究了各應(yīng)力狀態(tài)下巖石及混凝

5、土試樣損傷隨加載的變化過程。并以孔隙率為參數(shù)，建立了混凝土的損傷變演化方程。
　?。?）以混凝土靜力單軸壓縮CT試驗(yàn)的初始CT掃描圖為基礎(chǔ)，基于CT掃描圖中每個(gè)分辨單元的坐標(biāo)，編制Fortran源程序，建立了“結(jié)構(gòu)隨機(jī)型數(shù)值混凝土模型”，結(jié)合基于孔隙率的損傷演化方程，分別進(jìn)行了單軸靜力壓縮和單軸靜力拉伸數(shù)值模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明，本文所建的“結(jié)構(gòu)隨機(jī)型數(shù)值混凝土模型”即可以反映混凝土的細(xì)觀組成，又可以反映骨料與砂漿的粘結(jié)界面，與真實(shí)混

6、凝土試樣非常接近，具有很強(qiáng)的適用性。
　?。?）基于CT掃描圖像各分辨單元的CT數(shù)，建立了材料參數(shù)與完整度的關(guān)系式，以此為基礎(chǔ)，編制Fortran源程序，在“結(jié)構(gòu)隨機(jī)型數(shù)值混凝土模型”的基礎(chǔ)上建立了“材料隨機(jī)型數(shù)值混凝土模型”，研究了材料非均質(zhì)性對(duì)混凝土數(shù)值試驗(yàn)強(qiáng)度特性及裂紋形態(tài)的影響。結(jié)果表明，材料隨機(jī)性對(duì)數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果具有較明顯的影響，它不僅影響著數(shù)值模型試樣的強(qiáng)度和塑性特性，它還影響著試樣裂紋的擴(kuò)展形態(tài)。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果與單軸