细观层次混凝土动态性能的影响因素研究综述.pdf
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1、2 0 1 5年第 l 2期 1 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 5 No 1 2 De c e mb e r 细观层次混凝土动态性能的影响因素研究综述 张 书 , 卢玉斌 ( 西南科技大学制造过程测试技术教育部重点实验室 , 绵阳 6 2 1 0 1 0 ) 摘要 : 混凝土是三相 复合 材料 , 其宏观 力学特性与界 面过 渡区( I T Z) 有关。本文总结 了 I T Z 力学性能的试验 与数值模拟研 究现状 , 并就 I T Z影响混凝土宏观动 态力学性能的参数进行 了 。 归纳 。 结果表 明
2、由于缺 乏 I T Z动态力 学性 能的试验数据 ,目前基 于细观数值模 拟技 术研 究混凝土试样 动态力学性能的成果均是在 一定假设 条件下开展 的。然而, 这些假设条件的可靠性有待相应试验数据的验证。经过对 I T Z的几何和 力学影响 因素 的总结 , 指 出针对 I T Z影响混凝 土宏观动 态力学性 能问题 中尚待 深入研 究的 内容。 关键 词 : 界 面过渡 区( I T Z) ; 力学性 能; 试验方法 ; 数值模拟 ; 综述 Ab s t r a c t :T h e c o n c r e t e i s a k i n d o f t h r e e - p h a s
3、e c o mp o s i t e , wh o s e ma c r o - me c h a n i c a l p r o p e r t i e s c o r r e l a t e wi t h i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e( I T Z ) I n t h i s p a p e r , t h e r e s e a r c h s t a t u s o f e x p e ri me n t a l s t u d y a n d n u me ri c a l s i mu l a t i o n o
4、 n t h e I T Z m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a r e s u mma riz e d , a n d t h e I T Z i n fl u e n t i a l p a r a me t e r s t o t h e ma c r o - me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e a r e a l s o c o n c l u d e d I t i s f o u n d t h a t d y n a mi c me c h a n i
5、 c a l r e s u l t s o b t a i n e d f r o m me s o s c a l e n u me ri c a l s i mu l a t i o n a r e b a s e d o n c e rt a i n a s s u mp t i o n s Ho we v e r ,t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s e a s s u mp t i o n s n e e d s t o b e f u r t h e r v a l i d a t e d b y c o r r e s p o n d
6、 i n g e x p e r i - me n t a l d a t a T h r o u g h s u mma riz i n g t h e g e o me t ri c a l a n d me c h a n i c a l i n fl u e n t i a l p a r a me t e r s o f I T Z ,i s s u e s a b o u t h o w I T Z i n fl u e n c e s t h e ma c r o d y n a mi c me c h a n i c a l p e r f o r ma n c e s o f
7、 c o n c r e t e w h i c h r e q u i r e f u rth e r s t u d y a r e p o i n t e d o u t Ke y w o r d s :I n t e rf a c i a l t r a n s i t i o n z o n e ( I T Z ) ; Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ; E x p e ri m e n t a l me t h o d s ; N u m e ri c al s i m u l a t i o n ; R e v i e w 中图分类号
8、 : T U 5 2 8 0 1 文 献标识码 : A 文章编 号: 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5) 1 2 1 9 0 6 0前 言 混凝土是常见的工程结构材料 , 广泛应用于民 用建筑与军事 防护设施 中, 而这些设施 的安全性 和 稳定性与混凝土材料的动静力学性能密切相关。混 凝 土结构的设计不仅要考虑静态载荷的作用 。 还应 考虑地震 、 爆炸等动态 冲击载荷 的影响。因此 , 混凝 土 材 料 动 态 力 学 性 能 成 为 国 内外 研 究 者 关 注 的 热 点。混凝土材料由于本身存在着各向异性与多相非 均匀性 , 表现出拉 压不对 称 、 非线性与 随机性
9、 的力 学特性 。研究表 明, 混凝土的砂浆与骨料之间存在 着 与基 体 各项 性 能迥 异 的过渡 区【 】 - 2 即界 面 过 渡 区 ( I n t e r f a c e T r a n s i t i o n Z o n e , I T Z ) ,厚度 通 常 为 1 0 5 0 m2 - 4 , 如 图 1 所示5 1 。I T Z的力学性能相 比于基体 的较低 6 1 因此 , 在细观层面上 , 混凝 土被认 为是 由 砂浆 、骨料及两者之间的 I T Z三相区域组成的复合 材 料 。 目前 I T Z相关 的综述文章主要针对一些静 态 试验 或数值模型的研究成果进 行整理 ,
10、 如王瑶 等l 7 1 对 I T Z静态拉伸试验进行 了总结 ,杜修力等 对 基金项 目: 国家 自然科学基金资助 ( 5 1 3 0 8 4 8 0 ) 。 图 1界 面过 渡 区 电 镜 图 I T Z细观数值模 型进行 了概 括 ; 但还没有对 I T Z动 态数值模 拟参数选择 、 研究方法进行系统地总结。 本文将 阐述 I T Z力学性能 的试验与数值模 拟的研 究 现状 ,并 就 I T Z影 响混 凝 土 宏 观 动 态 力 学 性 能 的参数 进行归纳 。在第二部分 中首先 对 I T Z实验 研 究 的 典 型 数 据 进行 整 理 ,为数 值 模 拟模 型参 数 的确定提
11、供依据 ;在第 三部分 中对 I T Z动态数值 模拟方法及参数取值范 围进行概括 ;最终在结论 部 分 对 所 列 参 数 的影 响 进 行 总 结 ,为 后 续 相 关 研 究 指 明方 向。 一 1 9 张 书 , 卢玉斌 细观层次混凝土动态性能的影响因素研究综述 董芸等l 1 8 1 通过 C T、 S E M、 E D S 、 MH等多 尺度测 试技 术 , 就 混 凝 土 骨料 对 I T Z的影 响 进行 了试 验 研 究 , 结 果表 明虽 然 不 同骨 料 所 形成 的 I T Z水化 产 物 形 态 基 本 类 似 , 但 I T Z水 化 产 物 的 数量 、 尺 寸 等
12、 特 性 均有 差异 A k c a o g l u等 I l 9 I 研究 了混凝 土 中骨 料 尺 寸 对 I T Z强 度 的影 响 , 结 果 表 明 , 当骨 料 越 大 , I T Z 的抗 拉 强 度 越 低 。H o n g等 通 过 分 析 混 凝 土 试 样 中 骨料 粗糙 度对 I T Z和混 凝 土 力 学性 能 的 影 响 , 得 出 I T Z与 混 凝 土强 度 、 弹 性 模 量 、 泊 松 比随 着 骨 料 粗糙 度 的增 大而 增 大 的结论 。E r d e m 等 l 2 1 分别 对 以 粉层骨料与碎石骨料制备的试样进行落锤 冲击实 验研 究 , 发
13、现 在 冲击 加 载下 含不 同骨 料 的混 凝 土 最 终呈 现 出不 同 的破坏 形 态 , 其 中粉 层 骨 料混 凝 土 的 弯曲抗拉强度 和动态弹性模量 比碎石骨料 混凝土 的要 小 。 1 2 动态试验研究 目前 , 关于 I T Z动态性能的研究结果较少 , 仅 限 于在低应变率加载下 的动态试验研究 。王瑶等E 2 2 1 N 用 MT S试 验 机 对 含 I T Z的试 样 ( 如 图 4所 示 ) 进 行 测试 ,发现 随着 应变 率 在 5 2 x 1 0 - 6 4 x 1 0 S 的范 围 内增大 时 , I T Z的动 态抗拉强度也 随之增 强 从 2 0 3 M
14、P a增加到 4 0 3 MP a 。 陈兴等 借助散斑图像采 集系统并考虑试样 的不同直径 、不 同砂浆强度 、 不 ( a ) 试样 钢板 水泥基体 I T Z 骨料 钢 板 ( b) MT S加 载 装 置 图 4 I T Z直接 托伸 试样 图 同长径 比、 不同应变率及花 岗岩骨料表面不 同粗糙 度等多种因素对劈裂试验 中 I T Z抗拉强度的影 响, 采用 正 交 分析 法 对实 验 数据 进 行 了 系统 的分 析 , 发 现砂 浆 一 花 岗岩 界 面劈 裂 抗拉 强 度 随着 砂浆 强 度 的 增大而明显增大 :并且 I T Z的抗拉强度在劈裂试验 中也具有 应 变率效 应
15、。 2数 值模 拟研 究 目前 I T Z的试验研究 已取得一些成果 , 但这些 试 验 难 以准 确 反 映 出混凝 土 三 相 材 料 之 间 的 相 互 影响关 系。基 于数值模拟方法 , 三相材料之 间的相 互影响关系能在数值模型中得到体现 , 有利于揭示 I T Z的破 坏机 理 。 在数值模拟中,有多种方法处理 I T Z与砂浆基 体的关系,如 B a z a n t 等 考虑骨料与砂浆基体间 I T Z的影响并采用随机粒子生成程序来反映骨料在 模型中的粒子分布 : 也有学者在有限元数值模型 中 假定骨料与砂浆基体之间为理想黏接 ,即 I T Z的力 学性能与砂浆取为一致2 5 -
16、 2 8 1 。 此外 I T Z模型 的建 立方式 有 多种 针对 I T Z的 几何模型 , L i p e z 等捌基于断裂准则 , 生成零厚度 的 I T Z单元 , 并对其进行二维静态分析 ; L i 等 删 提出一 种 A E M ( A g g r e g a t e E x p a n s i o n Me t h o d ) 的方 法 在 骨 料 周 围生 成厚 度 为 5 0 1x m 的 I T Z。进 行 细观 层 次 的 三 维静 态 分析 ; 而在 混凝 土 表 面数 字 图形 处 理 技术 方面, 于庆磊等l3 】 】 将数字图形转换为有 限元 网格 , 建 立了
17、混凝土 的三相模型 : Z h o u等 2 7 1 将 I T Z的厚度设 置在 O 2 0 8 m m这个范围内进行分析 。 混凝土细观层次 的数值研究还涉及 到多个 方 面 如姚勇等l 3 2 对混凝土细观组成在 弹体正侵彻过 程 中的影 响 开展 了参 数分 析 : F a b r i c e 等 3 3 】 通 过 三 维 有 限元模 型 针 对 I T Z对 砂浆 抗压 强度 等 的影 响展 开 分析 。 就 I T Z的本构关系而言 D u等E 2 8 与方秦等 采 用混凝土损伤塑性模型对 I T Z进行细观层次的数值 模拟研究 :而 Z h o u等 l 玎 1 利用分段线性
18、D r u c k e r P r a g e r 模型确定 I T Z的本构关 系。并对混凝土进行 动态 加载下的数值模 拟研究 : Y a o等l3 5 J 利用 刚性块 弹簧 方法进行 弹性 定义并考虑损伤 和失效等来表 征岩 石界 面 的变形 与失 效 尽 管 现有 I T Z模 型 所 采 用 的研 究方 式 不 一 且 其可行性在一定程度上均能得到肯定 。 但是 目前缺 乏有效的试验数据 ,因而 I T Z特性还有待进一步 的 验 证 。 然 而 , 利 用这 些 I T Z模 型对 I T Z力 学性 能进 行 参 量分 析 ,能够 定性 地研 究各 物理参 数 对 I T Z力
19、学 性 能 的影 响程 度 , 从 而 提 高混凝 土 材 料 的动 态 力 学 一 21 2 0 1 5年第 1 2期 混 凝土 与水 泥制 品 总第 2 3 6期 性 能 。可 能影 响 I T Z动 态力 学 性 能 的 因素 包 括 I T Z 的几何尺寸和 I T Z的静动态力学参数 , 如弹性模量 、 强度 、 泊松比和 D I F等。 2 1弹性模 量 X i a o等l 1 5 在 随机 再 生 骨料 混 凝 土模 型 中 , 将 旧 I T Z的弹性模量取为 2 0 G P a( 旧砂浆基体 的弹性模 量 为 2 5 G P a ) , 新 I T Z的 弹 性模 量取 为
20、1 8 G P a ( 新 砂 浆基体的弹性模量为 2 3 G P a ) ; 在于庆磊等 3 】 J 的模 型 中 , I T Z的弹性模量为 1 5 G P a , 砂浆基体 的弹性模量 为 2 8 G P a ; 在方秦等【 蚓的模型 中将 I T Z的弹性模量 设为 2 2 G P a , 而砂浆基体的弹性模量设为 3 0 G P a : 杜 成斌等 与刘光廷 等 在模 型中将 I T Z的弹性模量 设为 2 5 G P a ,而杜成斌文中砂浆基体 的弹性模量设 为 2 5 0 G P a , 刘光廷文中砂浆基体的弹性模量设为 2 7 8 G P a I 刀 ; A g i o u t
21、 a n t i s 等 3 8 1 假设 I T Z的弹性模量 分 别为砂浆基体弹性模量 的 2 5 、 5 0 、 7 5 和 1 0 0 并进行压缩试验的数值分析 ,结果发现 I T Z的弹性 模量越低 , 则集中在 I T Z区域的应力越高 : 类似 的方 法也出现在 Z h o u等I2 7 的研究中, Z h o u等12 7 在模型中 将 I T Z的剪 切 弹性 模 量 分 别取 为 2 0 8 G P a 、 4 1 6 G P a 和 6 2 4 G P a等值 ,而砂浆基体 的剪切弹性模量 为 8 3 G P a ,即取 I T Z的剪切弹性模量大约为砂浆基体 的 2 5
22、 、 5 0 和 7 5 进行动态劈裂试验的数值模拟 分 析 。 2 2抗 拉强 度 Z h o u等l 2 7 l将 I T Z静态抗拉强度分别取 0 9 MP a 、 1 8 MP a 、 2 7 MP a和 3 6 MP a ( 砂浆基体的抗拉强度为 3 6 MP a ) , 研究 其 对混凝 土 动态 抗拉 强 度 的影 响 结 果表明 I T Z的静态抗拉强度越高 ,则混凝土的动态 抗拉强度也越高; D u等 的研究 中则将 I T Z的静态 抗拉强度取 为与砂浆的一致 ( 3 6 MP a ) : 于庆磊等3 j I 考虑将 I T Z的静态抗拉强度取 为 5 0 MP a 、 6
23、 5 MP a 、 8 0 MP a 、 9 5 MP a 、 1 1 O MP a 、 1 3 O MP a和 1 5 O MP a等不 同情况 , 对混凝土的单轴抗拉试验进行数值模拟分 析 结 果表 明混凝土 的直 接抗 拉强 度受 I T Z强度 的 影响 。 在一 定范 围 内随着 I T Z强度 的增 大而 增大 , 呈 现 非 线 性 的 关 系 : 姚 勇 等 f。 2 1 与杜 成斌 等 3 6 1 的研 究 中 设置 I T Z的静态抗 拉强度为 2 0 MP a( 而参考文献 3 2 1 中砂浆基体 的抗拉强度为 3 0 MP a , 参考文献 3 6 中砂浆 基体 的抗拉
24、强度为 2 5 MP a ) ; 刘光廷等 将 I T Z的静态 抗拉 强度 设为 1 5 MP a 、 2 0 MP a 和 2 5 MP a ( 砂浆基体的抗拉强度为 4 2 5 MP a ) J行的有 限元分 析 发现 I T Z的抗拉强度为影响 昆 凝土力学性能 的 重要力学参数之一 , 直接影响材料的开裂方式与裂 缝形 态 。 一 2 2 2 - 3 泊 松 比 I T Z的泊松 比在 不 同的数 值模 型 中也被 赋 予不 同的值 , 如 X i a o 5 1 与 R a me s h等 1 在模型 中将 I T Z 的泊 松 比取 为 0 2 , 参考 文 献 1 5 中砂 浆
25、 基 体 的泊 松 比为 0 2 2 , 而 参 考 文 献 3 9 1 中砂 浆 的 泊 松 比为 0 2 ; 于庆磊等 设 I T Z的泊松 比为 0 1 9 ( 而砂浆 的泊松 比为 0 2 0 ) : L i 等 在模型中将 I T Z的泊松 比取 为 0 1 7 , 与砂浆基体 的泊松 比一致 ; 姚勇等3 2 1 、 杜成斌 等 p 叫 与 刘 光 廷 等 【。 7 将 I T Z泊 松 比均 设 为 0 1 6 , 而 砂 浆 基体 的泊 松 比为 0 2 2 ; A g i o u t a n t i s 等f 8 将 I T Z的泊 松 比设 为 0 2 ,砂浆 基 体 的泊
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- 层次 混凝土 动态 性能 影响 因素 研究 综述
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