粗集料對混凝土強(qiáng)度影響的試驗研究與數(shù)值模擬.pdf

1、粗集料是混凝土的重要組成部分，可占混凝土體積的一半以上，但相當(dāng)長時期以來，人們對混凝土組分的研究，一直將重點放在水泥的水化、混凝土外加劑和礦物摻合料方面，以期望更大程度地提高混凝土強(qiáng)度，而對于集料在混凝土中所起的作用，特別是從定量或半定量的角度，并沒有系統(tǒng)的研究結(jié)果。作為混凝土兩種主要構(gòu)成材料的膠凝材料和集料，在膠凝材料的作用已發(fā)揮得比較充分的時候，集料的作用顯得越來越重要。從兩相復(fù)合材料角度分析，混凝土是一種非常特殊的兩相復(fù)合材料，表

2、現(xiàn)在粗集料和砂漿基體兩相之間的性能存在差異，且這種差異隨著齡期的變化而發(fā)生非常大的變化。基體的強(qiáng)度和彈性模量從零開始增加，到一定齡期后接近集料分散相，對于輕集料混凝土，基體的強(qiáng)度和剛度在一定齡期還將超過集料分散相。對于高強(qiáng)混凝土，特別是超高強(qiáng)混凝土這種變化將遠(yuǎn)比普通混凝土明顯。尤其是這種差異隨時間的變化對混凝土性能，特別是對混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展影響是比較大的。因此，研究兩相之間強(qiáng)度和彈性模量的協(xié)調(diào)性及兩相之間強(qiáng)度和彈性模量差異隨時間變化

3、對混凝土強(qiáng)度可能產(chǎn)生的影響具有非常重要的理論價值。從已有的報道看，國內(nèi)外有關(guān)這方面的系統(tǒng)研究結(jié)果很少。 本文在教育部博士點基金項目《粗集料對混凝土強(qiáng)度影響的數(shù)值模擬》的資助下，首先研究了粗集料形貌、粒徑、級配和用量對混凝土強(qiáng)度的影響，根據(jù)研究結(jié)果，考慮到粗集料的特性是多方面的，粗集料對混凝土的影響也是多方面的，因此選取碎石（卵石）、鋼、砂漿、頁巖陶粒、加氣混凝土等五種強(qiáng)度和彈性模量差異較大的粗集料，在試驗設(shè)計時盡可能保持其他因素

4、相同，特別選擇高強(qiáng)、中強(qiáng)和低強(qiáng)三種強(qiáng)度和彈性模量差異較大的砂漿基體，突出主要因素，試驗研究集料-基體力學(xué)協(xié)調(diào)性對混凝土強(qiáng)度的影響。由于混凝土材料試驗結(jié)果通常離散性較大，而且難以固定某一試驗條件，變化因素之間難免形成交互影響，所以本文還運(yùn)用數(shù)值模擬的手段，采用蒙特卡洛方法來實現(xiàn)混凝土材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模擬，為了適應(yīng)有限元分析和數(shù)值模擬的需要，本文還研究了Delaunay三角網(wǎng)格自動剖分方法，以就集料-基體力學(xué)協(xié)調(diào)性對混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行數(shù)值模

5、擬。取得了如下創(chuàng)新性成果： 1) 通過系統(tǒng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，粗集料與基體協(xié)調(diào)性對混凝土強(qiáng)度和強(qiáng)度發(fā)展具有重要影響，粗集料要在混凝土中起到增強(qiáng)作用，應(yīng)在有約束的條件下，而且粗集料的強(qiáng)度和彈性模量應(yīng)高于基體，但當(dāng)粗集料彈性模量超過基體一定值后，不僅不能提高混凝土強(qiáng)度，而且抗折強(qiáng)度還顯著降低。粗集料強(qiáng)度低于基體時，單純提高基體強(qiáng)度并不能有效提高混凝土抗壓強(qiáng)度。 2) 研究發(fā)現(xiàn)在消減約束的情況下，混凝土的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果比有約束時顯

6、著降低，而且這種情況下集料-基體協(xié)調(diào)性對混凝土抗壓強(qiáng)度影響更為明顯，當(dāng)粗集料彈性模量超過基體時，混凝土抗壓強(qiáng)度降低，粗集料彈性模量越高，降低幅度越大。 3) 提出了一種快速生成Delaunay三角網(wǎng)的簡便算法，采用一些編程技巧，較好地實現(xiàn)了對混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的三角網(wǎng)格自動剖分。采用Visual C＃與Visual Fortran混合編程技術(shù)，通過將Visual Fortran計算程序改編為動態(tài)鏈接庫，使Visual C＃對

7、Visual Fortran程序進(jìn)行直接調(diào)用和動態(tài)連接，實現(xiàn)了混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬和計算結(jié)果的可視化。 4) 通過數(shù)值模擬較好地揭示了粗集料與基體在強(qiáng)度、彈性模量上的協(xié)調(diào)關(guān)系，揭示了不同粗集料混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律和輕集料混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展較快的實質(zhì)，數(shù)值模擬與試驗結(jié)果反映的規(guī)律性吻合較好。 本文研究結(jié)果有助于從力學(xué)角度更為科學(xué)地揭示混凝土中集料的作用，可對高強(qiáng)高性能混凝土材料設(shè)計提供理論依據(jù)，對人造輕集料的開發(fā)和輕集料