基于能量及细观应力分析的混凝土动强度变化规律研究
混凝土作为最常用的建筑材料，广泛应用于各种民用、军用建筑物中，如高层住宅楼、隧道、桥梁、水电站、军事掩体等。在进行重要建筑物设计时，必然要考虑到地震、冲击、爆炸等动态荷载作用下的稳定性，而混凝土材料的动态力学特性与静态相比有很大差别，因此，对混凝土在动态荷载作用下力学特性的研究具有重要的意义。 本文基于能量转化的基本原理，分析了动态破坏过程中混凝土的能量转化过程，提出了混凝土动态强度提高机理，并通过动态试验验证以及数值试验分析的方法，验证了所提机理的合理性及适用性，最后进一步分析了细观非均匀性对混凝土动态强度的影响。 主要的研究工作可以总结为以下几个方面： （1）从微观层面分析了混凝土动态破坏过程中的能量转化机理，确定了弹性应变能为输入能与耗散能之间转化的桥梁，通过进一步分析弹性应变能的变化过程，确定了弹性应变能转化率与混凝土强度的关系，提出了混凝土动态强度的提高是由“能量释放的滞后效应”引起的。在此基础上讨论了混凝土细观非均匀性对其动态强度的影响机理，认为裂纹遭遇骨料会导致混凝土能量释放的滞后效应提高，从而提高混凝土的动态强度。 （2）利用SHPB试验装置进行了混凝土的巴西圆盘动态劈裂试验，研究了不同冲击速度下混凝土的动态破坏过程，验证了“能量释放的滞后效应”对解释混凝土动态抗拉强度提高机理的适用性；通过纯砂浆、不同骨料体积率的混凝土以及纯骨料的动态劈裂试验，研究了骨料体积率对混凝土动态抗拉强度的影响。结果表明，冲击速度越高，能量的输入速率越大，裂纹的扩展更加滞后于能量的输入，从而导致混凝土内储存的能量增多，混凝土动态抗拉强度提高；骨料体积率越高，裂纹扩展路径更长，且遭遇骨料时会发生止裂，使能量积蓄过程更长，积蓄能量更多，动态抗拉强度更高。 （3）由于混凝土动态受拉与动态受压时的力学机理不同，因此对动态受压时混凝土动态强度的提高机理也需进行研究。利用SHPB试验装置进行了混凝土的动态压缩试验，研究了冲击速度以及骨料体积率对混凝土的动态压缩特性的影响，验证了“能量释放的滞后效应”及细观非均匀性对混凝土动态抗压时的适用性。结果表明，动态受压破坏时由于摩擦作用以及破坏模式的影响，转化为动能的能量较小，导致应力-应变曲线存在平缓段；冲击速度越高，输入能的转化率越高，耗散能更加滞后于能量的输入，从而使能量继续储存在混凝土内，提高了混凝土的动态抗压强度；骨料体积率升高，由于应力波传播至骨料时发生反射，部分能量储存于混凝土内未能及时释放，因此应力-应变提升时刻更晚，但提升速度更快，混凝土更难于发生变形。 （4）由于动态试验中能量并不能得到较好的统计，因此在动态试验研究的基础上，利用数值计算方法进行了混凝土的动态劈裂试验，研究了不同冲击速度下混凝土内能量的转化过程，并建立了混凝土随机骨料模型，对骨料粒径、位置以及形状对混凝土动态力学特性的影响。结果表明，输入能转化率与消耗能转化率相交时刻与混凝土峰值应力相同；应变率越高，输入能转化率越高，耗散能转化率虽然有所提高，但仍旧滞后于能量的输入，导致混凝土强度提高；骨料体积率一定时，骨料粒径越小，裂纹扩展面积越大，混凝土动态强度越高。 （5）为了更好的揭示动态劈裂试验时混凝土内部的动态破坏过程，利用CT图像进行了混凝土试样的二维重建，并对重建后的混凝土细观模型进行了动态劈裂试验，研究了不同应变率、不同骨料体积率以及各细观组分不同抗拉强度下混凝土的动态破坏过程。结果表明，动态荷载作用下混凝土的能量转化过程可以分为四个阶段，分别为弹性应变能完全储存阶段，裂纹起裂、断裂耗能增加阶段，应力达到峰值、部分弹性应变能转化为动能阶段以及加载完成、弹性应变能全部释放阶段；混凝土的弹性模量是由各细观组分的弹性模量及其体积率所综合决定的；应变率越高，裂纹直接穿过骨料扩展的情况越多；骨料体积率越高，止裂情况越多，继续开裂所需时间更长，强度越高；低密度区（包括孔洞及部分薄弱区域）体积率越高，直径越大，离试样中心越近，混凝土的起裂时刻越早，强度越低；工程中，如需进一步提高混凝土的动态抗拉强度，在混凝土制备过程中，首先应提高砂浆的强度，其次在制备时要保证界面的材料强度，最后，骨料的抗拉强度只需高于砂浆即可，没有必要选取强度更高、质量更好的材料作为骨料。 （6）对CT重建的混凝土细观模型进行动态压缩试验，从能量的角度验证了“能量释放的滞后效应”对解释混凝土动态抗压强度提高机理的适用性，并研究了混凝土各细观组分不同含量对混凝土动态抗压特性的影响。研究发现，混凝土动态抗压强度以及弹性模量随骨料体积率的提高而提高，随低密度区体积率的提高而降低。
混凝土;动态荷载;力学特性;能量释放;应力分析
西安理工大学
博士
岩土工程
党发宁
2018
中文
TU528.01
2019-09-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）