粗集料對混凝土強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)的研究結果。作為混凝土兩種主要構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。從兩相復合材料角度分析，混凝土是一種非常特殊的兩相復合材料，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?；w的強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，基體的強度和剛度在一定齡期還將超過集料分散相。對于高強混凝土，特別是超高強混凝土這種變化將遠比普通混凝土明顯。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度發(fā)展影響是比較大的。因此，研究兩相之間強度和彈性模量的協(xié)調(diào)性及兩相之間強度和彈性模量差異隨時間變化

3、對混凝土強度可能產(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)外有關這方面的系統(tǒng)研究結果很少。 本文在教育部博士點基金項目《粗集料對混凝土強度影響的數(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度的影響，根據(jù)研究結果，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度和彈性模量差異較大的粗集料，在試驗設計時盡可能保持其他因素

4、相同，特別選擇高強、中強和低強三種強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-基體力學協(xié)調(diào)性對混凝土強度的影響。由于混凝土材料試驗結果通常離散性較大，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)混凝土材料的細觀結構模擬，為了適應有限元分析和數(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-基體力學協(xié)調(diào)性對混凝土強度的影響進行數(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)性對混凝土強度和強度發(fā)展具有重要影響，粗集料要在混凝土中起到增強作用，應在有約束的條件下，而且粗集料的強度和彈性模量應高于基體，但當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度，而且抗折強度還顯著降低。粗集料強度低于基體時，單純提高基體強度并不能有效提高混凝土抗壓強度。 2) 研究發(fā)現(xiàn)在消減約束的情況下，混凝土的抗壓強度測試結果比有約束時顯

6、著降低，而且這種情況下集料-基體協(xié)調(diào)性對混凝土抗壓強度影響更為明顯，當粗集料彈性模量超過基體時，混凝土抗壓強度降低，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)了對混凝土細觀結構數(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，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程序進行直接調(diào)用和動態(tài)連接，實現(xiàn)了混凝土細觀結構數(shù)值模擬和計算結果的可視化。 4) 通過數(shù)值模擬較好地揭示了粗集料與基體在強度、彈性模量上的協(xié)調(diào)關系，揭示了不同粗集料混凝土的強度發(fā)展規(guī)律和輕集料混凝土早期強度發(fā)展較快的實質，數(shù)值模擬與試驗結果反映的規(guī)律性吻合較好。 本文研究結果有助于從力學角度更為科學地揭示混凝土中集料的作用，可對高強高性能混凝土材料設計提供理論依據(jù)，對人造輕集料的開發(fā)和輕集料