不同试件尺寸界面过渡区对混凝土准静态力学性能的影响

吴 萍 兰文斌 韩 莉

（1.中国矿业大学银川学院，宁夏 银川 750021； 2.银川能源学院，宁夏 银川 750021）

1 引言

近年来，学者们在有限的混凝土验证试验的基础上，采用数值分析的方法，模拟了混凝土的力学性能。张普、李耀宗等通过ABAQUS对FRP型材-超高性能混凝土组合梁进行数值模拟研究，发现界面应力在荷载作用下的分布规律，界面最大剪应力为抗剪强度的80.5%。在实验验证的基础上，刘海峰、周姝航等对不同应变率作用下混凝土与沙漠砂混凝土的破坏过程进行了数值模拟，但忽略了界面相对混凝土的静态力学特性。

本文采用数值模拟的方法，对界面相混凝土的准静态单轴压缩试验进行了研究，结果表明：随着界面相的厚度增加，混凝土抗压强度降低；界面相混凝土也表现出明显尺寸效应；随着粗骨料体积含量不断增加，混凝土在体积含量为40%时，出现最值；随着粗骨料最大粒径范围的不断增大，当粒径为5～20mm时，抗压强度达到最大值。

2 数值方法与理论模型

2.1 试验过程

在北京大学地球物理系实验室的YS-2000微机伺服岩石三轴材料试验机上进行了准静态单轴压缩试验，该试验采用位移控制方式，加载速率为0.05mm/min，应变率约为1.2×10-5/s。

2.2 计算模型

随机骨料模型的基本原理是把混凝土看作由粗骨料、水泥砂浆及界面相组成的三相复合材料。二维模型中借助三维富勒骨料级配曲线、瓦拉公式，确定粗骨料的各粒径骨料颗粒数，利用蒙特卡罗方法控制试件内骨料面积，随机分布含界面的圆形骨料模型。中间部分为混凝土试件，上、下均为刚体部分，在上刚体施加0.1m/s的冲击速度模拟混凝土准静态破坏，下刚体起约束作用。为了体现ITZ层的几何和力学特性，需要对其进行有限元网格划分，因此，水泥砂浆、圆形骨料和界面相均采用自由网格法，单元采用LS-DYNA Explicit 2D Solid（Plane 162）；刚性板一般采用映射网格划分。

2.3 模型参数

表1 模型参数表

3 计算结果分析

3.1 准静态下混凝土破坏模式

在准静态破坏过程中，应力波在试件内部频繁透射、反射和叠加，在试件中的传播与分布异常复杂，随着裂纹的产生、扩展，直至试件完全破坏。界面过渡区的厚度为0.03mm，粗骨料体积含量40%时，粗骨料粒径为5～20mm，模型尺寸直径为74mm、高为70mm的圆柱体试件在准静态下破坏过程如图1所示。

图1 混凝土冲击破坏过程

在界面过渡区的强度较低的情况下，沿骨料与砂浆界面扩展的裂缝相互交汇，在试件表面形成明显的裂缝，裂缝的宽度和数量随时间的推移而急剧增加，微裂缝连接成通缝，直至试件失去承载力。在较短时间内，直径为74mm、高度为70mm的混凝土试件裂缝宽度和裂缝数量有明显的规律性增加。由于冲击压缩的能量较小，粗骨料在准静态下均未发生破坏。

3.2 粗骨料最大粒径的计算结果

直径为74mm、高为70mm、界面过渡区厚度为0.03mm的粗骨料冲击速度为0.1m/s时，粗骨料粒径模拟的计算结果如图2所示。保持粗骨料最小粒径为5mm不变，增大粗骨料最大粒径，混凝土的抗压强度呈先增大后减小的趋势。粗骨料均存在粒径效应，粗骨料粒径越大，越容易在混凝土中产生应力集中，且粗骨料、水泥砂浆和界面相弹性模量差异越大，应力集中越明显，混凝土抗压强度越低；连续级配5～20mm，具有堆积紧密、空隙小、比表面积小等优点，此时抗压强度最大。

图2 混凝土粗骨料最大粒径对峰值应力影响

3.3 体积含量的计算结果

随着混凝土粗骨料体积增加，混凝土峰值应力先增大后减小（见图3）。由于水泥砂浆强度小于粗骨料强度，在一定含量范围内，混凝土的抗压强度随骨料数量的增加而提高，当水泥砂浆强度提高到一定程度时，水泥砂浆量减少，导致水泥浆体和粗骨料的界面区粘结，质量下降，混凝土抗压强度下降。因此，当粗骨料体积含量为40%时，混凝土的抗压强度最高。

图3 粗骨料体积含量混凝土对峰值应力影响

3.4 界面过渡区的厚度与混凝土抗压强度的关系

试件尺寸、粗骨料体积含量和粗骨料粒径保持不变，混凝土峰值应力随界面过渡区厚度的增加呈递减趋势，而界面相厚度的影响随试件尺寸的增加呈递减趋势（见图4）。

图4 混凝土峰值应力与界面过渡区厚度关系

3.5 试件尺寸不同的计算结果

混凝土抗压强度随试件尺寸的增加呈下降趋势，尺寸效应表现明显（见图5）。

图5 混凝土峰值应力与试件尺寸关系

4 结语

数值模拟表明：（1）含界面相混凝土具有明显的尺寸效应。（2）随着圆形骨料体积含量的增加，卵石混凝土抗压强度呈先增大后减小趋势。（3）界面相厚度、粗骨料最小粒径和体积百分比保持不变，随着粗骨料最大粒径增大，混凝土承载能力呈先增大后减小趋势。（4）随界面相厚度增加，混凝土承载能力逐渐减小；随着试件尺寸的增加，界面相厚度的影响不断减小，准静态下数值模拟结果为工程应用提供理论依据和技术依据，避免较多事故发生。