考虑砂浆-骨料界面高温力学行为的混凝土细观数值模型研究

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混凝土抗火性能和火灾后混凝土剩余承载能力的研究一直是一个热点方向。而砂浆和骨料之间的界面是混凝土最薄弱的部分,其力学行为直接影响着混凝土宏观力学性能。从界面力学性能的角度出发,探究高温下混凝土开裂机理具有重要意义。本文将试验研究和数值分析结合起来,分析了高温下界面力学性能的劣化规律,阐述了高温下混凝土细观结构开裂演化机理,为混凝土的抗热性能优化设计和火灾后混凝土性能评估以及修复提供更有力的依据,具体研究内容如下:(1)开展了不同温度下砂浆-骨料界面力学性能试验研究。首先对砂浆-骨料试件进行高温加热试验,然后进行界面直剪试验和界面劈裂抗拉试验,得到了温度对砂浆-骨料界面力学行为的影响规律。进一步探究了水胶比、骨料表面粗糙度、加热时长等对界面强度和界面断裂能演化规律的影响。建立了砂浆-骨料界面的抗拉强度、抗剪强度和断裂能等力学性能参数随加热温度变化的计算模型,给出了水胶比分别与界面的抗拉强度、抗剪强度和断裂能演变之间的函数关系。(2)建立了考虑界面高温力学行为的混凝土细观数值模型。基于Python语言优化了椭圆形骨料和多边形骨料干涉判断技术,提出了一种新的多边形骨料干涉判断方法——“点线法”,有效地提高了骨料的投放率。基于此方法完成孔隙的生成;选用零厚度内聚力单元来模拟界面,通过将温度场中的最高节点温度作为应力场的初始条件,考虑高温下界面力学性能随温度的演化规律,进而建立高温下混凝土随机骨料细观计算模型。(3)基于界面参数计算模型和细观数值模型,分析了在拉伸荷载作用下混凝土的开裂过程,阐述了高温下细观混凝土开裂演化机理,探究了不同界面性能对高温下混凝土抗拉性能的影响。高温下界面性能的大幅度退化是导致混凝土的抗拉承载能力下降的主要原因;提升界面性能,可使高温下的混凝土抗拉性能提高。(4)基于相同的界面性能,探究了粗骨料含量、粗骨料形状和孔隙率对高温下混凝土抗拉性能的影响,建立了混凝土抗拉强度和弹性模量与孔隙率、加热温度、粗骨料含量之间的关系,对比分析了不同情况下高温下混凝土的破坏形态和应力-应变曲线。高温下混凝土的裂缝形成的主导因素是界面力学性能显著劣化,粗骨料的含量和形状是次要因素,而孔隙的存在仅仅加快了裂纹的扩展和贯通。
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