龐太富 張 正 黃 蔚 萬(wàn)怡江

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819)

混凝土作為一種復(fù)合材料，其組成成分和結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)混凝土的宏觀(guān)力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響?；炷劣伤?、骨料及水等原材料組成，而粗骨料則在混凝土體積中大約占到50%～70%[1]。不同粒徑的粗骨料，以不同級(jí)配組合，構(gòu)成混凝土的基本骨架，骨料在混凝土中起到骨架支撐和抵抗變形的作用[2]。目前，對(duì)于混凝土粗骨料力學(xué)特性對(duì)混凝土的抗壓性能的研究，大都是建立在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，這些研究成果表明，混凝土的宏觀(guān)力學(xué)性能與其內(nèi)部從微觀(guān)、細(xì)觀(guān)到宏觀(guān)多種尺度的缺陷發(fā)展有關(guān)[3]，粗骨料的力學(xué)特性對(duì)混凝土的性能有著重要的作用[4，5]。這些實(shí)驗(yàn)研究為進(jìn)一步提高混凝土的力學(xué)特性奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。但是由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)往往難于觀(guān)察混凝土破壞的細(xì)觀(guān)機(jī)制，而往往只能看到破壞的最終狀態(tài)，因此利用能夠反映材料破壞過(guò)程的數(shù)值試驗(yàn)手段開(kāi)展混凝土破壞過(guò)程的細(xì)觀(guān)機(jī)制試驗(yàn)，無(wú)疑是對(duì)物理試驗(yàn)的有力補(bǔ)充。由于粗骨料的種類(lèi)眾多，其力學(xué)特性都有著很大的差別，有從細(xì)觀(guān)角度對(duì)粗骨料力學(xué)特性對(duì)混凝土性能影響開(kāi)展進(jìn)一步研究。

本文選取巖石立方體抗壓強(qiáng)度不同的石灰?guī)r碎石，大理巖碎石，砂巖碎石，花崗巖碎石，玄武巖碎石5種粗骨料類(lèi)型，通過(guò)建立能否反映材料分布非均勻程度的骨料—基質(zhì)數(shù)值模型，對(duì)含有不同類(lèi)型粗骨料的混凝土數(shù)值試件開(kāi)展破壞過(guò)程分析，研究不同類(lèi)型粗骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能、破壞機(jī)制以及聲發(fā)射特性的影響。

1 含不同類(lèi)型粗骨料混凝土數(shù)值模型建立

目前常見(jiàn)數(shù)值模型有網(wǎng)格模型[6]，隨機(jī)粒子模型[7]和細(xì)觀(guān)模型[8]，本文采用的能夠反映材料費(fèi)均勻性和破裂過(guò)程的RFPA2D分析系統(tǒng)，由于當(dāng)基元崩壞時(shí)發(fā)生剛度弱化，在宏觀(guān)上表現(xiàn)出材料破壞的非連續(xù)性，使得該軟件的模擬結(jié)果更貼合實(shí)際，對(duì)混凝土材料的微觀(guān)損傷和宏觀(guān)破壞都可采用[9]。

數(shù)值模型為標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，把混凝土視為砂漿基質(zhì)、粗骨料及兩者粘結(jié)帶構(gòu)成的三相復(fù)合材料[10]，簡(jiǎn)化成平面應(yīng)力問(wèn)題來(lái)研究。本模型中混凝土試件力學(xué)參數(shù)如表1所示。在骨料面積百分比為60%的情況下，研究不同粗骨料力學(xué)性能與試樣破壞模式及強(qiáng)度之間的關(guān)系。數(shù)值試樣尺寸為150 mm×150 mm,有150×150個(gè)單元，彈性模量均質(zhì)度系數(shù)為3，平均值為18 GPa,單軸抗壓強(qiáng)度為60 MPa，泊松比均值0.3，模型判斷依據(jù)為庫(kù)侖準(zhǔn)則。單元大小均為1 mm×1 mm。混凝土數(shù)值試樣如圖1所示。

表1 粗骨料參數(shù)

粗骨料的粒徑大小相等，只是在粗骨料填充材料時(shí)分別填充石灰?guī)r碎石，大理巖碎石，砂巖碎石，花崗巖碎石，玄武巖碎石的力學(xué)參數(shù)，而圖中的顏色則直接反映了參數(shù)值的大小,其中顏色由黑到白代表單元的彈模參數(shù)由小到大，從圖中可以清楚地看出砂漿基質(zhì)及骨料的分布狀態(tài)。試樣在垂直方向上承受位移控制的壓縮載荷，每步的加載位移為0.005 mm。

2 粗骨料力學(xué)性能對(duì)材料抗壓強(qiáng)度的影響

不同種類(lèi)骨料數(shù)值試件的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)如圖2所示。從該曲線(xiàn)可以得出，由于粗骨料在彈性模量與強(qiáng)度上的差異，不同種類(lèi)骨料的混凝土的抗壓強(qiáng)度不同，其中以玄武巖碎石為粗骨料的混凝土抗壓強(qiáng)度最大，以砂巖碎石為骨料的混凝土強(qiáng)度最小。在混凝土中，粗骨料的彈性模量直接影響到混凝土結(jié)構(gòu)中內(nèi)部應(yīng)力的大小和分布，局部應(yīng)力集中會(huì)降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。通過(guò)5種粗骨料混凝土數(shù)值模擬結(jié)果和粗骨料本身力學(xué)性能的對(duì)比可知，粗骨料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量相對(duì)較高的混凝土，其抗壓強(qiáng)度則較高。在一定范圍內(nèi)，粗骨料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的提高有助于提高混凝土彈性模量相對(duì)較高的混凝土，其抗壓強(qiáng)度則較高。在一定范圍內(nèi)，粗骨料的抗壓強(qiáng)度和彈性模量的提高有助于提高混凝土抗壓強(qiáng)度。

3 粗骨料力學(xué)特性對(duì)混凝土破裂機(jī)制的影響

含不同類(lèi)型粗骨料混凝土試樣破壞后的彈性模量分布圖及破壞模式放大圖如圖3,圖4所示?？梢钥闯龊煌?lèi)型粗骨料試件的細(xì)觀(guān)破壞機(jī)制不同，破壞不僅發(fā)生在砂漿和粗骨料的交界面，在粗骨料本身也發(fā)生貫穿性破裂。粗骨料力學(xué)特性對(duì)聲發(fā)射以及各步累計(jì)值的影響如圖5,圖6所示。由于混凝土內(nèi)部微裂縫與聲發(fā)射數(shù)量呈正比關(guān)系，且混凝土內(nèi)部裂縫損傷情況體現(xiàn)出混凝土從屈服到破壞之間的形變能力，通過(guò)累計(jì)聲發(fā)射數(shù)量反映出混凝土的破壞情況，進(jìn)而反映出混凝土在達(dá)到極限承載力而臨近破壞時(shí)的情況。

從圖5含不同類(lèi)型粗骨料試樣的破壞聲發(fā)射圖中可看到，聲發(fā)聚集區(qū)不僅在砂漿和粗骨料的交界面上，在強(qiáng)度較低的粗骨料內(nèi)部也出現(xiàn)較為密集的聲發(fā)射聚集現(xiàn)象。從圖6含不同類(lèi)型粗骨料試件的聲發(fā)射累積曲線(xiàn)中可看到，砂巖的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)目至加載至第七步時(shí)開(kāi)始急劇增加，表明試件內(nèi)部裂紋擴(kuò)展加劇，而粗骨料為大理巖時(shí)，試件的累積聲發(fā)射數(shù)增長(zhǎng)相對(duì)較慢，表明作為粗骨料的力學(xué)性質(zhì)與材料基質(zhì)較為協(xié)調(diào)，試樣的變形能力和承載能力均較高，這也與圖2的結(jié)論相一致。

總體上看，粗骨料的強(qiáng)度應(yīng)與水泥砂漿的變形特性盡量接近，使兩者受力、變形情況一致較為有利。用5種不同材質(zhì)粗骨料,包括石灰?guī)r碎石、大理巖碎石、砂巖碎石、花崗巖碎石、玄武巖碎石拌制的混凝土，其強(qiáng)度、彈性模量試驗(yàn)表明，玄武巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量相對(duì)較高。究其原因，玄武巖自身強(qiáng)度、彈性模量高，對(duì)混凝土強(qiáng)度、彈性模量的提高有利，證明了前述理論的正確性。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土是一種由骨料、水泥及水組成的多相材料，其破壞過(guò)程與骨料的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)?；炷潦茌d后，其內(nèi)部有微裂紋的萌生、擴(kuò)展和貫通過(guò)程與粗骨料的力學(xué)特性密切相關(guān)。本文從混凝土的細(xì)觀(guān)結(jié)構(gòu)角度入手，把混凝土視為水泥砂漿、骨料及兩者間的粘結(jié)帶構(gòu)成的三相復(fù)合材料研究其中粗骨料力學(xué)特性對(duì)混凝土的影響。粗骨料的力學(xué)特性在一定程度上影響混凝土材料的力學(xué)性能，粗骨料的強(qiáng)度和彈性模量的增加有助于提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但混凝土力學(xué)性能的提高受其內(nèi)部各組分參數(shù)的綜合影響，粗骨料的彈性模量影響其與混凝土基質(zhì)間的變形協(xié)調(diào)也是提高混凝土性能需要考慮的因素之一。

本文得到了東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院賈蓬老師的指導(dǎo)以及杜功成碩士的幫助，在此表示衷心感謝。