吳洪梅,申 波,劉 凱,盧亞琴,楊 方
(1. 貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心,貴州貴陽 550003; 2. 貴州大學(xué) 貴州省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州貴陽 550003; 3. 六盤水師范學(xué)院礦業(yè)與土木工程學(xué)院,貴州六盤水 553000)
混凝土是當(dāng)代最主要的土木工程材料之一,它是由膠凝材料、顆粒狀集料(也稱為骨料)、水以及外加劑按一定比例配制,經(jīng)均勻攪拌、密實(shí)成型、養(yǎng)護(hù)硬化而成的一種人工材料。在實(shí)際工程應(yīng)用中,對(duì)于混凝土的要求越來越高,目前,C80混凝土在高層建筑和大跨結(jié)構(gòu)中運(yùn)用廣泛,但是混凝土在制拌過程中會(huì)受到不同外界因素的影響,導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度和破壞模式有所差異。
Piotrowska等[1]通過試驗(yàn)研究了粗骨料形狀和成分對(duì)混凝土三軸性能的影響。Cui等[2]和Wang等[3]通過離散元法研究了粗骨料形狀對(duì)自密實(shí)混凝土的影響,得到了最適合的骨料含量。韓宇棟等[4]和黃偉等[5]研究了粗骨料含量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)混凝土的彈性模量隨著粗骨料體積分?jǐn)?shù)增大而單調(diào)增大,而其軸心抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律且變化趨勢(shì)相對(duì)平緩。王亞紅等[6]和Ramaniraka等[7]分別對(duì)混凝土的2種骨料粒徑的骨料-砂漿界面過渡區(qū)開展劈裂抗拉、變角剪切和三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)。賈金青等[8]和Li等[9]從混凝土孔隙率的角度定量分析了水膠比與骨料體積摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響,并得到了混凝土抗壓強(qiáng)度與孔隙率的關(guān)系式。杜修力等[10]對(duì)不同骨料分布的混凝土試件力學(xué)行為進(jìn)行了數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)不同骨料分布情況下混凝土軟化段的應(yīng)力值離散性較小。杜成斌等[11]、胡大琳等[12]和邢心魁等[13]模擬了不同形狀的粗骨料對(duì)混凝土的影響,發(fā)現(xiàn)粗骨料的接觸面積越大、外表形狀越不規(guī)則,混凝土強(qiáng)度越高。杜曉奇等[14]和Huang等[15]模擬了粗骨料的體積分?jǐn)?shù)對(duì)混凝土的影響,發(fā)現(xiàn)當(dāng)橢球形粗骨料體積分?jǐn)?shù)為57%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度最高。施惠生等[16]和黃景琦等[17]對(duì)界面過渡區(qū)進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明界面強(qiáng)度越高混凝土宏觀強(qiáng)度越高。王環(huán)玲等[18]和俞縉等[19]模擬不同孔隙率帶來的影響,發(fā)現(xiàn)隨著土體孔隙率的減小,強(qiáng)度有較大提高。田夢(mèng)云等[20]研究了低強(qiáng)度混凝土中骨料的形狀、含量、界面過渡區(qū)力學(xué)性能和孔隙率對(duì)單軸拉壓性能和彈性模量的影響。
劉光廷等[21-23]假設(shè)混凝土是由水泥砂漿基體、骨料夾雜物和兩者之間的黏結(jié)界面組成的三相復(fù)合材料,提出了隨機(jī)骨料模型。隨機(jī)骨料模型建模需要根據(jù)Fuller骨料級(jí)配曲線轉(zhuǎn)化成的二維骨料級(jí)配曲線的瓦拉文公式[24]確定骨料顆粒數(shù),然后依照Monte Carlo方法將骨料隨機(jī)地投放在混凝土細(xì)觀模型中。隨機(jī)骨料模型與其他模型不同的是可以表征混凝土中骨料顆粒的空間隨機(jī)分布情況。
混凝土中粗骨料的分布、形狀、含量、界面過渡區(qū)的性能差異和孔隙率都會(huì)對(duì)混凝土的強(qiáng)度產(chǎn)生影響。以上學(xué)者采用數(shù)值模擬的方式研究了混凝土強(qiáng)度和破壞模式的影響因素,但是研究的混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低,缺乏對(duì)高強(qiáng)混凝土的研究,并且大多數(shù)模型采用離散元的方法。因此,通過有限元方法研究骨料、界面過渡區(qū)和孔隙率對(duì)C80混凝土的影響有一定的價(jià)值和意義。本文利用DIGIMAT軟件建立細(xì)觀混凝土2D隨機(jī)骨料模型,通過改變粗骨料的分布、形狀、含量以及界面過渡區(qū)的力學(xué)性能和孔隙率來研究混凝土基本力學(xué)性能的變化,并將該變化與低強(qiáng)度混凝土[20]的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比,得到以上因素對(duì)C80混凝土基本力學(xué)性能的不同影響趨勢(shì)。
混凝土在細(xì)觀結(jié)構(gòu)上是一種空間分布極為復(fù)雜的復(fù)合材料,攪拌過程中會(huì)使得骨料的分布具有較大的隨機(jī)性,通過試驗(yàn)測(cè)得的同一批混凝土中不同試塊的結(jié)果也具有一定的差別,需要在大批量的試驗(yàn)結(jié)果中尋找出具有統(tǒng)計(jì)意義的結(jié)果才能令人信服。本文利用DIGIMAT軟件建立的細(xì)觀混凝土2D隨機(jī)骨料模型如圖1所示,將得到的模型導(dǎo)入到ABAQUS中進(jìn)行后續(xù)的設(shè)置和分析?;炷帘豢醋魇怯伤酀{體、粗骨料以及界面過渡區(qū)組成的三相復(fù)合材料,如圖2所示。三者的變化都將影響著混凝土的基本力學(xué)性能,砂漿的力學(xué)參數(shù)已由試驗(yàn)測(cè)得,見表1。由于本文是研究各項(xiàng)參數(shù)對(duì)C80混凝土的影響,所以該試驗(yàn)數(shù)據(jù)是基于C80混凝土的配合比下求得的。水泥砂漿結(jié)構(gòu)與混凝土類似,砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值后表現(xiàn)為軟化行為,ABAQUS中沒有單獨(dú)針對(duì)砂漿的模型,本文應(yīng)用混凝土損傷塑性模型來模擬砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和損傷斷裂,如圖3所示,其中dt為拉伸損傷因子,dc為壓縮損傷因子,σt為拉應(yīng)力,E0為初始彈性模量,σt0為抗拉強(qiáng)度,ε為應(yīng)變,Wt為受拉剛度恢復(fù)權(quán)重因子,Wc為受壓剛度恢復(fù)權(quán)重因子。為保證骨料在混凝土中均勻分布,本文選用DIGIMAT-MF中的Random 2D模式,該模型中骨料的分布方式如圖4所示。此外本模型還應(yīng)用到均質(zhì)化理論、雙夾雜模型理論、漸進(jìn)損傷模型、損傷演化等理論。
表1 砂漿的力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of mortar
本文分別研究粗骨料的分布、形狀、體積分?jǐn)?shù)以及界面過渡區(qū)的力學(xué)性能和孔隙率對(duì)混凝土基本力學(xué)性能的影響。骨料的分布形式有4種:分布1,骨料的尺寸大小和在混凝土中的分布方式都較為均勻;分布2,骨料的尺寸大小較為均勻,但是尺寸較大的骨料集中分布在混凝土的中心位置;分布3,骨料的尺寸差異較大,且尺寸較大的骨料集中分布在混凝土的中心位置;分布4,骨料的尺寸差異較大,但在混凝土內(nèi)部的分布較為均勻。粗骨料的形狀包括圓形、橢圓形、正方形和正五邊形4種。本文將混凝土骨料的體積分?jǐn)?shù)分別設(shè)置為20%、33%、40%、50%四種,以模擬不同粗骨料含量下混凝土的宏觀力學(xué)響應(yīng)和破壞模式。保持砂漿的力學(xué)性能不變,僅改變界面過渡區(qū)與砂漿力學(xué)性能的比值r,r分別取為40%、60%、80%、100%。設(shè)計(jì)孔隙率p分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%五組試件。將本文得到的數(shù)值模擬結(jié)果和變化趨勢(shì)與低強(qiáng)度混凝土[15]進(jìn)行對(duì)比,得出不同的變化規(guī)律。
混凝土制拌過程中通過攪拌振搗很難控制粗骨料均勻地分布到每一個(gè)試塊中,可能會(huì)產(chǎn)生骨料集中分布在某個(gè)區(qū)域的現(xiàn)象,從而造成每個(gè)混凝土試塊的強(qiáng)度有差別,同時(shí)粗骨料的空間分布也會(huì)使得混凝土試塊內(nèi)部的微裂紋萌生位置和裂紋擴(kuò)展路徑改變。本文建立4組隨機(jī)分布的混凝土細(xì)觀模型,研究混凝土粗骨料的隨機(jī)分布對(duì)其宏觀力學(xué)行為和損傷破壞模式的影響。
表2為不同粗骨料分布下混凝土試件的強(qiáng)度和彈性模量,其離散程度較小,可以看出混凝土中粗骨料的隨機(jī)分布對(duì)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度影響均較小。
表2 不同粗骨料分布的試件強(qiáng)度Table 2 Strength of specimens with different coarse aggregates distributions
圖5為不同粗骨料分布情況下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線,這4條曲線基本重合,說明混凝土中粗骨料的分布對(duì)曲線的影響較小。由此可知,粗骨料的分布模式對(duì)混凝土的基本力學(xué)性能影響不大。
立方體受壓的情況下,混凝土最終的損傷破壞模式基本呈X形,裂紋基本沿著骨料與砂漿之間的界面發(fā)展,由于骨料不會(huì)發(fā)生破壞,裂紋的擴(kuò)展路徑會(huì)因?yàn)楣橇系碾S機(jī)分布位置不同而發(fā)生改變,如圖6所示,其中D為負(fù)載條件下材料內(nèi)聚所導(dǎo)致骨料與砂漿之間的單位體積與界面內(nèi)破壞的比例。軸心受壓情況下混凝土試塊的破壞模式與立方體受壓類似,由于軸心受壓試件為棱柱體,其破壞形式主要是錐形。由上述分析可知,骨料的分布對(duì)混凝土的最終破壞模式?jīng)]有影響,但是對(duì)裂紋的發(fā)展有一定的影響。
混凝土在劈裂荷載作用下的破壞模式如圖7所示。對(duì)于分布1和分布3,由于混凝土試塊中部的骨料較小,其裂紋的擴(kuò)展主要是沿著一條線發(fā)展,而分布2和分布4中,由于中部骨料粗大,阻礙了裂紋的擴(kuò)展,使得裂紋碰到粗大骨料時(shí)會(huì)沿著界面過渡區(qū)分成兩條路徑發(fā)展,繞過這顆骨料后會(huì)匯合成一條裂紋繼續(xù)發(fā)展。
粗骨料在加工過程中會(huì)形成不同的形狀,骨料的形狀會(huì)影響混凝土裂紋萌生和擴(kuò)展,進(jìn)而影響其宏觀的力學(xué)行為。本文建立圓形、橢圓形、正方形和正五邊形4種形狀的粗骨料,分析不同骨料形狀對(duì)于混凝土宏觀力學(xué)性能和破壞模式的影響。表3為不同粗骨料形狀混凝土試塊的強(qiáng)度和彈性模量。
由表3和圖8可知,不同的骨料形狀對(duì)混凝土的彈性模量影響并不大,其中正方形骨料的各項(xiàng)強(qiáng)度與彈性模量均達(dá)到同組別中的較大值,但是由于正方形骨料和五邊形骨料存在棱角,在骨料棱角尖端容易發(fā)生應(yīng)力集中,使得混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段較為陡峭,而圓形和橢圓形骨料的邊緣較為光滑,所以應(yīng)力分布較為均勻,在破壞時(shí)表現(xiàn)出良好的塑性性能??梢?,粗骨料的形狀對(duì)低強(qiáng)度混凝土和高強(qiáng)混凝土的影響是相似的。
表3 不同粗骨料形狀的試塊強(qiáng)度Table 3 Strength of specimen with different coarse aggregate shapes
圖9、10分別為不同粗骨料形狀的混凝土試塊在立方體受壓和軸心受壓情況下的損傷破壞模式。骨料的形狀對(duì)于混凝土的破壞模式影響較大,最終的破壞模式均呈“X”形破壞,其中圓形骨料和橢圓形骨料由于邊緣比較光滑,損傷分布較為均勻,破壞發(fā)生在骨料與砂漿連接的界面過渡區(qū),各界面的微裂縫擴(kuò)展相連。正方形骨料和五邊形骨料的混凝土易在骨料尖角發(fā)生應(yīng)力集中,損傷一般出現(xiàn)在骨料尖端并沿著骨料邊緣擴(kuò)展,且分布不均勻。
圖11中混凝土在劈裂荷載作用下,裂紋均發(fā)生在界面過渡區(qū),圓形骨料和橢圓形骨料的混凝土中裂紋大致呈一條直線,正方形骨料和正五邊形骨料的混凝土中裂紋多出現(xiàn)在尖角區(qū)的界面過渡區(qū)。
混凝土的力學(xué)性能取決于混凝土中三相材料的性質(zhì)和相互作用,粗骨料在混凝土中不僅起骨架填充作用,還從細(xì)觀上影響著混凝土的宏觀力學(xué)性能,對(duì)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均有著一定的影響。因此,本文在保證骨料粒徑和級(jí)配不變的前提下,骨料體積分?jǐn)?shù)Va分別設(shè)置為20%、33%、40%、50%四組,模擬不同骨料含量混凝土的宏觀力學(xué)響應(yīng)和破壞模式。
表4為不同粗骨料含量的試件強(qiáng)度。從表4可以看出,骨料含量對(duì)于混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響并不是單調(diào)統(tǒng)一的,并且對(duì)于試件強(qiáng)度的影響趨勢(shì)不相同,但隨著粗骨料的增加,混凝土的彈性模量會(huì)隨之增大,混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度先減小后增大,這種變化均與低強(qiáng)度混凝土的變化一致,而軸心抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)出先減小后增加再減小的變化規(guī)律,但各組試件之間的差值不大?;炷恋目箟簭?qiáng)度出現(xiàn)這種變化是因?yàn)榇止橇显黾拥耐瑫r(shí)界面過渡區(qū)也增加了,薄弱層增加,混凝土的強(qiáng)度自然降低,當(dāng)粗骨料的含量增大到一定值時(shí),由于骨料自身的強(qiáng)度大,可以承擔(dān)部分外荷載,從而阻礙了裂紋的發(fā)展。隨著粗骨料含量的增大,劈裂抗拉強(qiáng)度在體積分?jǐn)?shù)為33%時(shí)達(dá)到最大,之后便逐漸降低,這是因?yàn)榛炷林写止橇虾康脑龃髮?dǎo)致界面過渡區(qū)增加,薄弱層增加,所以裂紋產(chǎn)生較多,損傷區(qū)域較大。
表4 不同粗骨料含量的試件強(qiáng)度Table 4 Strength of specimen with different coarse aggregate contents
混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖12所示。由圖12可知,上升段因?yàn)閺椥阅A康牟煌兴顒e,在粗骨料的體積分?jǐn)?shù)為40%時(shí)強(qiáng)度最大,體積分?jǐn)?shù)為33%時(shí)混凝土的延性最好,總體來說下降段的趨勢(shì)基本相同。
圖13、14分別為不同粗骨料含量的混凝土試塊在立方體受壓和軸心受壓情況下的損傷破壞模式。粗骨料含量的增加會(huì)阻礙裂紋的擴(kuò)展,粗骨料的增多使得界面過渡區(qū)增多,裂紋發(fā)展得更為曲折,且破壞區(qū)域更大,由試塊中心區(qū)域擴(kuò)展至整個(gè)面。試塊劈裂受拉損傷破壞模式見圖15。粗骨料含量較少時(shí)裂縫呈一條豎直線式發(fā)展,粗骨料含量的增加使得裂紋發(fā)展方向更多,導(dǎo)致?lián)p傷區(qū)域更大。
混凝土中微裂紋的發(fā)生首先出現(xiàn)在界面過渡區(qū),進(jìn)而向砂漿中傳播形成宏觀裂縫,骨料一般不會(huì)發(fā)生破壞,本文保持砂漿的力學(xué)性能不變,僅改變界面過渡區(qū)與砂漿力學(xué)性能的比值r,r分別取為40%、60%、80%、100%,通過有限元計(jì)算探討界面過渡區(qū)力學(xué)性能的相對(duì)變化對(duì)混凝土宏觀力學(xué)行為和破壞機(jī)理的影響。
表5為不同界面性能的試件強(qiáng)度。混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彈性模量均隨著r值的增大而增大,表明隨著界面過渡區(qū)強(qiáng)度的提高,混凝土抵抗外力的能力逐漸增強(qiáng),界面過渡區(qū)的性能強(qiáng)弱直接決定了混凝土的整體承載力,這與低強(qiáng)度混凝土是相同的。
表5 不同界面性能的試件強(qiáng)度Table 5 Strength of specimen with different interface properties
圖16中4條曲線在直線段幾乎重合,彈性模量雖然也會(huì)隨著r值的增大而增大,但其增加幅度不大,說明界面過渡區(qū)的相對(duì)性能對(duì)彈性模量的影響較小。r值增大到100%時(shí),相當(dāng)于把混凝土看作砂漿和粗骨料的復(fù)合材料,因?yàn)榇止橇媳旧韽?qiáng)度大,所以破壞主要發(fā)生在砂漿,由于砂漿性能均勻一致,所以破壞表現(xiàn)出明顯的脆性,導(dǎo)致混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段更為陡峭。
圖17~19分別為不同r值的混凝土試塊在立方體受壓、軸心受壓和劈裂受拉情況下的損傷破壞模式。在受壓情況下,界面性能的提高會(huì)改變裂紋擴(kuò)展的方向,r值為40%和60%時(shí),裂紋主要以橫向裂紋為主,而在低強(qiáng)度混凝土中,則是以豎向裂紋為主。隨著界面過渡區(qū)相對(duì)性能的提高,導(dǎo)致引發(fā)微裂紋萌生的外部荷載相應(yīng)提高,變相延緩裂縫的形成,使得裂縫可以繼續(xù)向砂漿中擴(kuò)展形成斜裂縫。不同r值的混凝土試塊在劈裂荷載作用下的破壞模式基本一致,界面過渡區(qū)相對(duì)性能的提高使得劈裂破壞的范圍更廣,砂漿的損傷范圍更大。
混凝土由于水化熱反應(yīng)在內(nèi)部生成大量的孔隙,孔隙的存在會(huì)影響混凝土的力學(xué)性能。本節(jié)設(shè)計(jì)孔隙率為0%、0.5%、1%、1.5%、2%五組試件,其中孔徑取為2 mm,研究混凝土的孔隙率對(duì)混凝土力學(xué)行為的影響。
表6為不同孔隙率的試件強(qiáng)度。隨著孔隙率的增加,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量均逐漸減小,與低強(qiáng)度混凝土相同;劈裂抗拉強(qiáng)度在孔隙率為1.5%時(shí)降低較多,在孔隙率為2%時(shí)有所上升。由于孔隙率2%的試件中部孔隙分布較少,使得混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度有所上升,可見孔隙的分布對(duì)其力學(xué)性能也有一定的影響。從圖20可以看出,孔隙率p對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響也比較大,上升段和下降段都有所差異, 隨著孔隙率的增加,強(qiáng)度和彈性模量均減小,孔隙率的增加對(duì)混凝土的延性影響不大。
表6 不同孔隙率的試件強(qiáng)度Table 6 Strength of specimens with different porosities
圖21~23分別為不同孔隙率的混凝土試塊在立方體受壓、軸心受壓和劈裂受拉情況下的損傷破壞模式。混凝土中孔隙率的增加,使得混凝土承載面積減小,孔隙處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,提早發(fā)生損傷,損傷的路徑會(huì)沿著孔隙發(fā)展,因此含孔隙的混凝土裂紋擴(kuò)展具有方向性,孔隙會(huì)使裂紋沿最不利方向擴(kuò)展,隨著孔隙率的增加,這一現(xiàn)象越發(fā)明顯。
模擬分析中發(fā)現(xiàn),無論是哪種破壞模式,裂縫均繞過了粗骨料,只存在于界面過渡區(qū)和砂漿處,與試驗(yàn)結(jié)果不一致。這是由于在試驗(yàn)中,混凝土是一個(gè)整體,所以在破壞時(shí)裂縫是穿過骨料而存在的,但是在模擬中,認(rèn)為混凝土是由砂漿、界面過渡區(qū)和粗骨料所組成的,這三相材料的力學(xué)性能各不相同,其剛度組成也各不相同,按照大小排列依次為粗骨料、砂漿、界面過渡區(qū),所以在發(fā)生破壞時(shí),破壞是由性能小的地方破壞到性能大的地方,設(shè)置破壞因子為0.9時(shí)試件發(fā)生破壞,粗骨料還未來得及產(chǎn)生裂縫試件就已經(jīng)破壞,因此裂縫主要是發(fā)生在界面過渡區(qū)和砂漿處。
(1)骨料分布對(duì)混凝土的強(qiáng)度和彈性模量的影響不大,但裂紋的發(fā)展與骨料的分布位置相關(guān)。
(2)骨料存在棱角時(shí),混凝土容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,所以下降段比較陡峭;骨料較為光滑時(shí),應(yīng)力分布更均勻,塑性較好。
(3)骨料的增加會(huì)使混凝土彈性模量增大,混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度先減小后增大;軸心抗壓強(qiáng)度先減小后增加再減小;劈裂抗拉強(qiáng)度在體積分?jǐn)?shù)為33%時(shí)達(dá)到最大,之后便逐漸降低。
(4)隨著界面過渡區(qū)強(qiáng)度的提高,混凝土抵抗外力的能力增強(qiáng)。隨著r的增大,裂紋由最初的橫向擴(kuò)展慢慢發(fā)展為X形,混凝土的脆性表現(xiàn)也越來越明顯。
(5)孔隙率增加使立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度和彈性模量減?。慌芽估瓘?qiáng)度在孔隙率為1.5%時(shí)降低,2%時(shí)有所上升,這是由于在孔隙率為1.5%的試件中孔隙主要分布在中部,導(dǎo)致強(qiáng)度降低較多。