多尺度再生隨機骨料混凝土材料及梁試件分析

再生骨料混凝土梁細(xì)觀部分采用蒙特卡羅方法和填充算法生成隨機骨料位置信息的再生骨料混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu).根據(jù)Walraven公式,由三維級配曲線轉(zhuǎn)換為試件截面上任意點具有骨料直徑D<D₀的概率P_c(n=D₀/D_max)為

式中:P_k為骨料體積占總體積的百分比; P_c是骨料在再生骨料混凝土中某一部分的任何點上D<D₀的粒徑的概率; D₀是篩子尺寸,D_max是最大粒子的直徑; P_k是再生骨料混凝土中所有骨料的體積百分比.根據(jù)塑性損傷的本構(gòu)關(guān)系,參考郭夢歡^[9]關(guān)于多尺度梁分析時,對于各項彈性力學(xué)參數(shù)的確定以及姚澤良等人試驗研究,對再生骨料混凝土五相材料(新舊硬化水泥砂漿、內(nèi)外界面、天然骨料)和宏觀混凝土賦予相應(yīng)的材料參數(shù),各相材料參數(shù)^[8,13]如表1.

表1 各相材料參數(shù)
Tab.1 Material parameters of each phase

通過計算機語言MATLAB自編算法,先確定再生骨料位置隨機信息,若確定了分布在該部分中的骨料位置和粒徑,就會在骨料周圍生成舊的ITZ,并在舊的ITZ周圍生成老硬化水泥砂漿圓,最后,新的ITZ圓圍繞新硬化水泥砂漿基體中的舊硬化水泥砂漿生成. 再生粗骨料外圍附著舊砂漿,內(nèi)外砂漿層界面區(qū)域(ITZ)厚度均為0.5 mm,老砂漿厚度為1.2 mm,如圖1所示.

圖1 再生骨料混凝土網(wǎng)格模型
Fig.1 Recycled aggregate concrete grid model

通過有限元分析軟件DIANA構(gòu)建1 600 mm×250 mm二維多尺度再生骨料混凝土梁模型,如圖9所示.

圖9 多尺度再生骨料混凝土梁網(wǎng)格模型
Fig.9 Multi-scale recycled aggregate concrete beam grid model

其中在梁跨中部分采用中尺度模型研究分析,大小為400 mm×250 mm,兩邊采用宏觀角度研究分析,大小分別為600 mm×250 mm.中尺度部分考慮是基于細(xì)觀考慮的再生骨料混凝土,由新砂漿、外界面、老砂漿、內(nèi)界面、再生骨料組成.并且各相組分材料參考表1各項參數(shù); 宏觀部分材料采用均質(zhì)單一屬性的混凝土材料屬性.并在中尺度區(qū)域底部預(yù)設(shè)細(xì)小窄裂縫,裂縫寬度為2 mm,深度為45 mm.對于不同區(qū)域網(wǎng)格劃分精細(xì)程度不同,細(xì)觀區(qū)域采用精細(xì)的網(wǎng)格劃分,單元大小選用5 mm,靠近中尺度區(qū)域選用單元大小為15 mm的網(wǎng)格,最后兩端網(wǎng)格采用單元大小20 mm的網(wǎng)格,共生成24 195個網(wǎng)格單元.宏觀區(qū)域與中尺度區(qū)域采用剛性連接耦合在一起,對于荷載施加處可以采用頂點加載的方式施加在鋼板中點,采用三彎點實驗加載方式,支座約束采用合并的方式將鋼板與梁耦合起來,需要定義鋼板與梁接觸面材料性質(zhì),再生骨料混凝土模型試件幾何尺寸和加載方式.將位移荷載0.05 mm/s施加到模型鋼板中點,荷載步為5(99),平衡迭代最大迭代次數(shù)為10,如圖 10所示.

圖 10 三彎點加載方式隨機骨料模型荷載以及約束方式
Fig.10 Load and restraint method of random aggregate model under three points bend loading mode

通過模擬分析計算得到的混凝土梁加載點荷載-位移曲線如圖 11所示,此時梁加載點處最大荷載為11.119 45 kN,位移大小為0.094 12 mm.研究了不同取代率下(0%,25%,75%,100%,CC表示天然混凝土,RAC25表示取代率為25%的再生骨料混凝土,以此類推)多尺度再生骨料梁破壞及其裂縫擴展情況.不同分析步時所對應(yīng)的裂縫寬度開展情況如圖 12所示.

圖 11 多尺度再生骨料混凝土梁荷載-位移曲線
Fig.11 Load-displacement curve of Multi-scale recycled aggregate concrete beam

圖 12 受彎情況下不同取代率下的再生骨料混凝土裂縫開展對比(Ecw1表示裂縫寬度)
Fig.12 Comparison of crack development of recycled aggregate concrete with different replacement rates under compression(Ecw1 represents the crack width)

在三點受彎荷載作用下,提取步長5、16和50情況下裂縫寬度發(fā)展情況,在預(yù)設(shè)裂縫口尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,最先在新砂漿處觀察到裂縫產(chǎn)生,隨著位移荷載不斷加大,裂縫由外界面?zhèn)鬟f到老砂漿-內(nèi)界面區(qū)域,并沿著主裂縫不斷發(fā)展,最終形成一條貫穿整塊梁的豎直裂縫.裂縫經(jīng)第一顆骨料時,分成兩支沿著不同方向發(fā)展,隨著位移荷載不斷加大,最終沿著主裂縫發(fā)展,主要由底部缺口處不斷沿著新砂漿-外界面-老砂漿-內(nèi)界面并繞過骨料不斷攀升,直至貫穿整個梁形成一條沿著y方向的主裂縫,周圍環(huán)繞著許多細(xì)微裂縫.取代率越高,外界面出現(xiàn)裂紋越早,除了天然骨料外,各相材料內(nèi)部均出現(xiàn)損傷裂紋.

采用基于有限元思想耦合宏觀與中尺度區(qū)域二維多尺度建模的方法,運用MATLAB隨機生成基于塑性損傷本構(gòu)關(guān)系的隨機骨料程序確定隨機骨料的位置信息,利用有限元軟件DIANA構(gòu)建二維再生骨料混凝土隨機骨料模型和多尺度再生骨料混凝土梁模型.研究再生骨料混凝土單軸拉伸和壓縮以及再生骨料混凝土梁在三點受彎下裂縫開展路徑和損傷機理,并與已有實驗結(jié)果進(jìn)行比較得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)再生骨料混凝土受拉與受壓時,均為內(nèi)界面最先出現(xiàn)裂紋,之后沿著內(nèi)界面向老砂漿、外界面擴展,依次傳遞給新砂漿,隨著荷載不斷延伸擴展最后貫穿形成主裂縫.有所不同的是,受拉時形成一條沿著x方向的裂縫,受壓時形成一條沿著對角線方向約45°方向的主裂縫.并且除了天然骨料外,各相材料內(nèi)部均出現(xiàn)損傷裂紋;

(2)多尺度耦合再生骨料混凝土梁在三點受彎狀態(tài)下時,再生骨料取代率較低時,外界面最先出現(xiàn)裂縫,并隨著荷載的加大,裂縫寬度不斷加大并沿著Y方向由外界面、新砂漿不斷擴展延伸形成開裂路徑.當(dāng)取代率大于25%時,內(nèi)界面最先產(chǎn)生裂縫,并且取代率越高,裂縫形成得越早,之后沿著老砂漿向外界面、新砂漿不斷發(fā)展最終形成一條貫穿Y方向的主裂縫.由于本文所采用多尺度耦合再生骨料混凝土梁是基于細(xì)觀與宏觀角度考慮,梁中各項材料參數(shù)來源多篇

參考文獻(xiàn) References,并經(jīng)過一定試驗驗證,具有一定實驗依據(jù).但本文所采用耦合多尺度梁模型由于再生骨料尺寸大小、位置信息以及制備試件等較難實現(xiàn),尚未進(jìn)行試驗驗證分析.

結(jié)果表明:采用隨機骨料模型建立的再生骨料混凝土模型對于研究其損傷破壞以及裂縫發(fā)展具有很好的模擬效果,所建立的多尺度再生骨料梁數(shù)值模型為再生骨料混凝土材料及結(jié)構(gòu)分析提供了可行的研究途徑.