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1、多尺度再生随机骨料混凝土材料及梁试件分析近年来，众多学者基于不同研究尺度构建不同类型的细观力学模 型，用以研究再生骨料混凝土各项材料的力学性能1-4.同济大学肖 建庄教授课题组5-7做了大量的研究，采用格构模型模拟轴心拉压 条件下再生骨料混凝土各相力学性能以及再生骨料混凝土的各相细 观组分对整体性能影响.党娜娜等研究学者8-9认为再生骨料混凝 土由五种不同材质构成，采用随机骨料模型从细观层次上分析其损伤 破坏及裂纹开展情况.于勇等10利用界面元技术建立中尺度模型研 究影响再生混凝土拉伸性能的因素，结果说明新旧界面过渡区以及旧 砂浆附着量对其都有显著影响.随着电子显微镜(SEM)和X射线断层 扫
2、描技术进步，再生混凝土微观结构特征得以被发现，对于寻求再生 骨料混凝土破坏的真正原因大有裨益11-12.基于以上学者研究，运用MATLAB随机生成基于塑性损伤本构关系的 随机骨料程序确定随机骨料的位置信息，考虑再生骨料混凝土细观结 构特点以及多相夹杂的再生骨料信息，采用有限元软件DIANA分别构 建二维随机骨料再生混凝土模型和多尺度耦合再生骨料混凝土梁模 型，分析再生混凝土模型单轴拉伸压缩下混凝土应力应变关系以及裂 统开展路径和损伤机理,并分析了三点受弯下再生混凝土梁的断裂行 为，梁中心局部是考虑界面单元的细观模型，在细观尺度区域采用蒙 特卡罗方法和填充算法，采用递进的网格划分，梁两侧局部的宏
3、观区 参考文献References,并经过一定试验验证，具有一定实验依据.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 制备试件等较难实现，尚未进行试验验证分析.结果说明：采用随机骨料模型建立的再生骨料混凝土模型对于研究其 损伤破坏以及裂缝开展具有很好的模拟效果，所建立的多尺度再生骨 料梁数值模型为再生骨料混凝土材料及结构分析提供了可行的研究 途径.域采用均匀弹性参数的线弹性模型，并就不同骨料取代率对再生骨料 混凝土梁整体性能影响以及损伤破坏展开分析.1再生骨料混凝土细观模型再生骨料混凝土梁细观局部采用蒙特卡 罗方法和填充算法生成随机骨料位置信息的再生骨料混凝土细观结 构.
4、根据Wal raven公式，由三维级配曲线转换为试件截面上任意点具 有骨料直径DDO的概率Pc(n=DO/Dmax)为式中：Pk为骨料体积占总体积的百分比；Pc是骨料在再生骨料混凝土 中某一局部的任何点上DDO的粒径的概率；DO是筛子尺寸,Dniax是最 大粒子的直径；Pk是再生骨料混凝土中所有骨料的体积百分比.根据 塑性损伤的本构关系，参考郭梦欢9关于多尺度梁分析时，对于各项 弹性力学参数确实定以及姚泽良等人试验研究，对再生骨料混凝土五 相材料(新旧硬化水泥砂浆、内外界面、天然骨料)和宏观混凝土赋予 相应的材料参数,各相材料参数8,13如表1.表1各相材料参数Tab. 1 Material
5、parameters of each phase通过计算机语言MATLAB自编算法，先确定再生骨料位置随机信息，假设 确定了分布在该局部中的骨料位置和粒径，就会在骨料周围生成旧的 ITZ,并在旧的ITZ周围生成老硬化水泥砂浆圆，最后，新的ITZ圆围绕 新硬化水泥砂浆基体中的旧硬化水泥砂浆生成.再生粗骨料外围附 着旧砂浆，内外砂浆层界面区域（ITZ）厚度均为0. 5 mm,老砂浆厚度为 1. 2 mm,如图1所示.图1再生骨料混凝土网格模型ecycled aggregate concrete grid model2再生骨料混凝土分析再生骨料混凝土的本构模型选用DIANA软件混凝土结构裂缝模型中的
6、总应变裂缝模型.受压情况 下，选用由Saenz提出单轴受压时的应力应变曲线关系公式为式中：E0是混凝土初始弹性模量；Es是混凝土割线模量；a是应力- 应变曲线参数；6 c是应力到达峰值时的应变.DIANA（如图2所示）设 定fc/3是当应变到达ec时应力到达峰值,fc是混凝土抗压强度 值,Gc/h表示裂缝处单位宽度的断裂能，是由横纵坐标与曲线围成的 面积表示.采用Mazars提出的单轴受拉损伤模型，当e （:时，。- 呈线性关系；当 c时，。-呈指数规律下降，全曲线公式为 式中：E0是线弹性阶段的弹性模量；AT、BT是材料常数,指数模型情 况下应力-应变本构关系曲线如图3所示.同样，曲线与横纵
7、坐标围成 的面积是单位宽度断裂能Gif/h.图2单轴压缩下应力-应变关系Stress-strain relationship under uniaxial compression图3单轴拉伸下应力-应变关系Stress-strain relationship under uniaxial tension2.2单轴拉压下结果分析使用有限元软件DIANA构建如图4、5所示150 mniX150 mm单轴拉压 加载为边界条件的100%取代率再生骨料混凝土二维模型，一共生成8 177个网格单元，在内外界面ITZ处进行局部加密.图4单轴拉伸下随机骨料模型Random aggregate model un
8、der uniaxial tension图5单轴压缩下随机骨料模型Random aggregate model under uniaxial compression该模型采用刚性位移加载，单轴拉压加载位移大小为0. 05 n)m将位移 荷载0.1 mm/s施加到模型顶部设置的参考点上，参考点与试件绑定. 模型底部的材质点在x和y方向固定.荷载步为1.0(100),平衡迭代 最大迭代次数为10.如图6、7,当再生骨料混凝土受拉时，内界面最先出现裂纹，之后沿着 内界面向老砂浆、外界面扩展，依次传递给新砂浆，随着荷载不断延伸 扩展最后贯穿形成一条沿着x方向的裂缝.并且除了天然骨料外，各 相材料内部均
9、出现损伤裂纹.当再生骨料混凝土在受压时，内界面最 先出现裂纹，之后沿着内界面向老砂浆、外界面扩展，依次传递给新砂 浆，随着荷载不断增大，裂纹不断延伸扩展最后贯穿形成一条沿着对 角线方向约45方向的主裂缝，周围环绕着许多细微裂舞.并且除了 天然骨料外，各相材料内部均出现损伤裂纹.图8为再生混凝土细观 模型在拉压作用下应力-应变关系图，参考试验结果(刘琼13)研究 发现再生骨料混凝土应力-应变关系与试验结果拟合较好.图6受拉情况下再生骨料混凝土裂缝开展Crack development of recycled aggregate concrete under tension 图7受压情况下再生骨料
10、混凝土裂缝开展Fig. 4 Crack development of recycled aggregate concrete under compression图8模拟结果与试验结果-应力应变关系Fig. 5 Simulation results and test results-stress-strain relationship3多尺度再生骨料混凝土梁数值模拟分析通过有限元分析软件DIANA 构建1 600 mmX250 mm二维多尺度再生骨料混凝土梁模型，如图9所 示.图9多尺度再生骨料混凝土梁网格模型Multi-scale recycled aggregate concrete bea
11、m grid model其中在梁跨中局部采用中尺度模型研究分析，大小为400 mmX250 mm, 两边采用宏观角度研究分析，大小分别为600 mmX250 mm.中尺度部 分考虑是基于细观考虑的再生骨料混凝土，由新砂浆、外界面、老砂 浆、内界面、再生骨料组成.并且各相组分材料参考表1各项参数；宏 观局部材料采用均质单一属性的混凝土材料属性,并在中尺度区域底 部预设细小窄裂健，裂缝宽度为2 mm,深度为45 mm.对于不同区域网 格划分精细程度不同，细观区域采用精细的网格划分，单元大小选用5 mm,靠近中尺度区域选用单元大小为15 nlm的网格，最后两端网格采用 单元大小20 mm的网格，共生
12、成24 195个网格单元宏观区域与中尺 度区域采用刚性连接耦合在一起，对于荷载施加处可以采用顶点加载 的方式施加在钢板中点，采用三弯点实验加载方式，支座约束采用合 并的方式将钢板与梁耦合起来，需要定义钢板与梁接触面材料性质, 再生骨料混凝土模型试件几何尺寸和加载方式.将位移荷载0. 05 mm/s施加到模型钢板中点，荷载步为5(99),平衡迭代最大迭代次数 为10,如图10所示.图10三弯点加载方式随机骨料模型荷载以及约束方式Load and restraint method of random aggregate model under three points bend loading m
13、ode通过模拟分析计算得到的混凝土梁加载点荷载-位移曲线如图11所 示，此时梁加载点处最大荷载为11. 119 45 kN,位移大小为0.094 12 mm.研究了不同取代率下(0%,25%,75%,100%,CC表示天然混凝 i,RAC25表示取代率为25%的再生骨料混凝土，以此类推）多尺度再 生骨料梁破坏及其裂缝扩展情况.不同分析步时所对应的裂缝宽度开 展情况如图12所示.图11多尺度再生骨料混凝土梁荷载-位移曲线Load-displacement curve of Multi-scale recycled aggregate concrete beam图12受弯情况下不同取代率下的再生骨
14、料混凝土裂缝开展比照 （Ecwl表示裂缝宽度）Comparison of crack development of recycled aggregate concrete with different replacement rates under compression（Ecwl represents the crack width）在三点受弯荷载作用下，提取步长5、16和50情况下裂缝宽度开展情 况，在预设裂缝口尖端处产生应力集中现象，最先在新砂浆处观察到 裂缝产生，随着位移荷载不断加大，裂缝由外界面传递到老砂浆-内界 面区域，并沿着主裂缝不断开展，最终形成一条贯穿整块梁的竖直裂 缝.裂缝
15、经第一颗骨料时，分成两支沿着不同方向开展，随着位移荷载 不断加大，最终沿着主裂缝开展，主要由底部缺口处不断沿着新砂浆- 外界面-老砂浆-内界面并绕过骨料不断攀升，直至贯穿整个梁形成一 条沿着y方向的主裂统，周围环绕着许多细微裂缝.取代率越高，外界 面出现裂纹越早，除了天然骨料外，各相材料内部均出现损伤裂纹.4结论采用基于有限元思想耦合宏观与中尺度区域二维多尺度建模 的方法，运用MATLAB随机生成基于塑性损伤本构关系的随机骨料程 序确定随机骨料的位置信息，利用有限元软件DIANA构建二维再生骨 料混凝土随机骨料模型和多尺度再生骨料混凝土梁模型.研究再生骨 料混凝土单轴拉伸和压缩以及再生骨料混凝
16、土梁在三点受弯下裂缝 开展路径和损伤机理，并与已有实验结果进行比拟得到如下结论：(1)当再生骨料混凝土受拉与受压时，均为内界面最先出现裂纹，之后 沿着内界面向老砂浆、外界面扩展，依次传递给新砂浆，随着荷载不断 延伸扩展最后贯穿形成主裂缝.有所不同的是，受拉时形成一条沿着x 方向的裂缝，受压时形成一条沿着对角线方向约45方向的主裂健. 并且除了天然骨料外，各相材料内部均出现损伤裂纹；(2)多尺度耦合再生骨料混凝土梁在三点受弯状态下时，再生骨料取 代率较低时，外界面最先出现裂缝，并随着荷载的加大，裂缝宽度不断 加大并沿着Y方向由外界面、新砂浆不断扩展延伸形成开裂路径.当 取代率大于25%时，内界面最先产生裂缝，并且取代率越高，裂缝形成 得越早，之后沿着老砂浆向外界面、新砂浆不断开展最终形成一条贯 穿Y方向的主裂缝.由于本文所采用多尺度耦合再生骨料混凝土梁是 基于细观与宏观角度考虑，梁中各项材料参数来源多篇