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2 0 1 4 年 第 2期 (总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅 助物料 M ATE RI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 4 0 2 0 1 6 粗骨料形状对混凝土力学性质的影响 邢心魁 1 I 2 ，刘晶 。孙冠晓 。闰茂龙 。张坤鹏 ( 1 广西矿冶与环境科学实验中心 ，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ；2 广西岩土力学与工程重点实验室 ，广西 桂林 5 4 1 0 0 4 ) 摘要 ： 混凝土是一种力学行为复杂的多相复合材料。 通过 P F C 2 D模拟， 对 四种不同形状粗骨料混凝土试件的应力一 应变 曲线， 破坏形态及破坏过程中的能量变化进行对比分析 。 结果表明： 混凝土单轴受压开裂裂缝都是绕骨料产生的， 粗骨料本身不发生破坏； 混凝土的单轴受压强度与砂浆基质与粗骨料外边缘有效接触面积有关 ， 非圆形骨料较圆形骨料 的界面接触面积大抗压强度也高， 对 应的峰值应变也越大 ， 应力应变曲线下降段也越陡些。 关键词 ： 颗粒流 ；混凝土 ；骨料 ；能量；形状 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 6 1 0 3 I n f l u e n c e o f d i ffe r e n t s h a p e o f c o a r s e a gg r e g a t e o n c on c r e t e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s X NGXi n k u i 1 , 2 ， LI U J i n g ， SUN Gu a n xi a o ， YAN M a o l o n gX , ZHANG Ku n pe n g ( 1 G u a n g x i S c i e n t i fi c E x p e r i me n t C e n t e r o f Mi n i n g ， Me t a l l u r g y a n d E n v i r o n me n t ， G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a 2 G u a n g x i K e y l a b o r a t o r y o f G e o me c h ani c s and G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u i l i n 5 4 1 0 0 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Co n c r e t e i S a ki n d of mu l t i p h a s e c o mp o s i t e ma t e r i a l s wh o s e me c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i e s a r e v e r y c o mpl e x Fo u r d i ffe r e n t s h a pe s o f t he a g g r e g a t e we r e s i mu l a t e d b y P FC2 D an d c o nc r e t e s t r e s s s t r a i n c ur v e o f t he s p e c i me n s， t h e f a i l ur e p a R e r n and f a i l u r e i n t he p r o c e s s o f e n e r gy c h an g e we r e an a l y z e d T h e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e c o n c r e t e u n d e r un i a x i a l c o mp r e s s i o n c r a c k i n g c r a c k s we r e p r o d u c e d a r o u n d t h e a g gre g a t e， t he c oa r s e a g gre g a t e i t s e l f da ma g e d i d n o t OC C ur Th e un i a x i a l c o mpr e s s i v e s tre ng t h o f c o nc r e t e r e l a t e t o mo r t a r ma t r i x a nd a g gre g a t e o u t e r e d g e o f the e f f e c t i v e c o n t a c t are a， the c i r c ul ar a ggre g a t e a c i r c u l ar a g gre g a t e i n t e rfa c e c o n t a c t a r e a wa s l arg e an d s tre n gt h wa s h i g h， t h e g r e a t e r the pe a k s wa i n an d the c o r r e s po n d i n g， d e c l i ne pe r i od o fs t r e s s a n d s t r a i n C H I V e wa s s t e e p K e y w o r d s ： p a r t i c l e fl O W ； c o n c r e t e ； a g g r e g a t e ； e n e r g y ； s h a p e 0 引 言 混凝 土是一种 由胶凝 材料 、 骨料 、 各类掺合料组成 的 多相复合材料， 其工程力学性质一直是工程界研究的重点 课题。 由于计算机技术的发展， 近年来， 采用数值模拟对混 凝土 的破坏机理 以及混凝 土宏 观力学性 能与细观参数 之 间关系的研 究越来越 多。 张德海 1 、 彭一江圆 模拟 了混凝 土 试件单轴受压破坏的全过程 ， 并分析 了混凝 土材料细观结 构对 其宏 观力学行 为的影 响。 河 海大学 汤书军3 应用 随机 骨料分布的细观有限元模型进行了混凝土单轴受拉、 单轴 受压 、 简支梁受弯等数值试验， 研究了混凝土裂缝产生、 延 伸直至破坏的全过程以及极限强度变化规律。 清华大学刘 光廷 闱 开展 了随机骨料分布模 型研究 ， 利用非线 性有 限元 方法模拟了混凝土受拉破坏机理。 目前混凝土数值模拟的研究工作 ， 大多仅 限于有限元 方法 。 由于有限元方法 的局 限性 ， 混凝土破裂过程中裂纹扩 展模拟效果不佳 ， 而裂缝扩张演化规律是混凝土受力过程 中最重要的现象 ， 因此有限元模拟混凝 土不能得到令人满 意的效果 5 - 8 。 此外 肖辉例 、 黄修 山等基 于离散元原 理利用 颗粒流软件 P F C 2 D u ， 模拟了混凝土的单轴受压破坏试验 ， 选取粗 骨料为单一类 圆形 的情况 ， 与真实混凝土骨料形状 差异较大。 笔者采用颗粒流软件 ， 编写了几种非类圆形粗骨 料生成和投放程序。通过与过镇海模型 曲线对 比， 得到混 凝土材料 的细观参 数 ， 研究不同形状骨料对混凝土破坏形 态和力学行为的影响。 1 混凝土数值模型建立 1 1 骨料的生成 由于混凝土中骨料的大小与分布具有离散性。 因此混 凝土模 型中骨料的大小与分布采用随机分布 。 而粗骨料可 以用不 同形状颗粒来描述 。 不同形状粗骨料 的生成的过程 为 ： 在混凝土模型尺寸 ( 宽 5 0 m mx 高 1 0 0 m m) 范围内随 机生成 l 1 0 个粒径范围为 1 9 4 - - 4 8 6 m i l l 的球形颗粒。 把 第一步生成的球形颗粒的形心位置和颗粒半径储存在一 个数组中， 然后删除所有球形颗粒。 利用 C l u m p 命令对应 的在上一步删除球形颗粒的形心位置生成截面积与球形 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 8 - - 0 3 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 6 8 0 0 4 ) ； 广西岩土力学与工程重点实验室基金项 目( 1 1 - C X 0 3 ) 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 0 三种类型聚羧酸系减水剂样品 GP C图 P C E z的共聚物含量接近 ， 分别为 8 8 5 和 8 8 3 ， 两者残 留的聚醚单体含量远高于 P C E X。 三种聚羧酸系减水 剂共 聚物的重均分子量依次为： P C E M P C E Z P C E x； 而聚羧 酸酯 P C E Z的分子量分布较窄 ， 酰胺型聚羧酸 P C E X的分 测试 结果。 从 中可以看出 ， 酰胺型聚羧酸系减水 剂 P C E X 比传统的聚羧酸酯、 聚羧酸醚减水剂具有更高的减水率、 坍落度保持性能和抗压强度比。 此外， 酰胺型聚羧酸系减 水剂 固含量可 以达到 8 0 甚至更高 ， 有利于降低包装运输 成本。 表 3 三种不同类型聚羧酸系减水剂的混凝土应用性能对比表 3结 论 ( 1 ) 以聚丙烯酸等为主链 、 端氨基聚醚为侧链， 制备了 酰胺型聚羧酸系减水剂。 ( 2 ) 研究了主链分子量、 主链组成、 侧链接枝密度等对 砂 浆减水率 、 砂浆流动度保持性能的影响 ， 表明主链 分子 量约 4 0 0 0 、 主链组成是摩尔 比A A MA A = 3 1 的共聚物 、 侧 链接枝密度为 2 0 时合成的酰胺型聚羧酸系减水剂综合 性 能最好。 ( 3 ) 与聚羧酸醚 P C E M、 聚羧酸酯 P C E Z两类传统聚 羧酸系减水剂相 比，酰胺 型聚羧酸系减水剂 P C E X具有 更高的共聚物有效含量， 其混凝土减水率、 坍落度保持性 能和抗压强度 比更加优秀。 参考文献 ： 1莫祥银， 景颖杰， 邓敏， 等 聚羧酸盐系高性能减水剂研究进展 及评述 J 混凝土, 2 0 0 9 ( 3 ) ： 6 0 6 3 2 2 张克举， 田艳玲， 何培新 国内聚羧酸系高效减水剂的研究进 展 J 胶体与聚合物， 2 0 1 0 ， 2 8 ( 1 ) ： 3 7 3 9 3 1段建平， 吕生华 ， 高瑞军， 等 聚羧酸系减水剂结构与分散性能 研究进展 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 5 9 6 3 【 4 路芳， 王子明， 卢子臣， 等 减缩型聚羧酸系减水剂的研究现 状 J 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 6 9 7 2 5 5 孙振平， 杨辉 国内聚羧酸系减水剂的研究进展与展望J J 混凝 上接 第 6 3页 7 17 B A Z A N T Z P ， T A B B A R A M R， K A Z E M I M T ， e t a 1 R a n d o m p a t t i - c l e mo d e l f o r f r a c t u r e o f a g g r e g a t e o r f i b e r c o mp o s i t e s J En g r g Me s h A S C E ， 1 9 9 0 ( 1 1 6 ) ： 1 6 8 6 1 7 0 5 【 8 X U J i n g ， WU Z i y a n O n p r e d i c t i n g f r a c t u r e ， s t r e n g t h o f c o n c r e t e J J o u rna l of N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 5 ) ： 5 56 - 55 9 9 19 肖辉， 刘忠， 李春月， 等 混凝土单轴压缩破坏试验的二维离散 元数值模拟 J _ 建筑与结构设计， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 6 7 7 0 1 O 】 黄修山， 尹小涛， 丁卫华， 等 不同粒组骨料对混凝土力学性质 土世界 ， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 3 1 3 5 【 6 】 马保国， 谭洪波， 廖国胜， 等 聚羧酸系高性能减水剂的合成工 艺研究【 J 国外建材科技 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 1 ) ： 1 - 3 7 李祟智， 李永德， 冯乃谦 聚羧酸系减水剂结构与性能关系的试 验研究 J 混凝土， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 3 - 6 【 8 8 王子明， 王晓丰， 郝利炜， 等 聚合工艺对聚羧酸高性能减水剂 性能的影D R J 新型建材材料， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 6 7 7 0 9 H O U S h a n s h a n ， K O N G X i ang m i n g ， C A O E n x i a n g ， e t a 1 e ff e c t s o f c h e mi c M s t r u c t u r e o n t h e pr o p e r t i e s o f p o l y c a r b o x y l a t e t y p e S U p e r p l a s t i c i z e r i n c e me n t i t i o u s s y s t e ms J d C h i n C e r a m S o c ， 2 0 1 0， 3 8 ( 9 ) ： 1 6 9 8 1 7 0 1 【 1 o 傅乐峰 聚羧酸超塑化剂的合成、 性能和分散吸附行为研究【 D 上海： 华东理工大学， 2 0 1 0 1 1 】 张志勇， 冉千平， 杨勇， 等 烯丙基聚氧乙烯醚基马来酸酐类减 水剂的合成与性能研究 J 新型建筑材料， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 4 0 4 3 【 1 2 陆跃， 饶炬， 陈建定 酰胺型梳状聚羧酸类高效减水剂的制备及 性能研究f J 1 化学建材， 2 0 o 7 ， 2 3 ( 3 ) ： 4 1 4 3 1 3 1 赵揉 新型酰胺多胺聚羧酸系减水剂的制备与性能 D E 京： 北 京工业大学， 2 0 0 9 1 4 J 振平， 罗琼 酰胺类聚羧酸系减水剂的合成工艺及性能研 究【 J 】 建筑材料学报， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 1 ) ： 2 2 2 6 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 冯中军( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 主要从事 聚羧酸高性能减水剂、 丙烯酸聚合物的合成及应用技 术研究。 E 海市喜泰路2 3 7 号 徐汇功能科技园 1 7 号楼( 2 0 0 2 3 2 ) 】 38 01 8 0 73 5 6 的影D R J 武汉理工大学学报， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 1 9 ) ： 5 1 - 5 4 1 1 I t a s c a C o n s u l t i n g G r o u p I n c P F C ( P a r t i c l e F l o w C o d e )V e rsi o n 3 0 Ma n n u a l M Mi n n e a p o l i s ： I C G， 2 0 0 4 作者简介： 邢心魁( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 博士， 教授， 硕士生导师， 主要从 事地下工程等领域的工程实践、 教学与科研工作。 联系地址： 广西桂林市建干路 1 2号 桂林理工大学土木与建筑 工程学院( 5 4 1 0 0 4 ) 联系电话 ： 1 3 6 0 7 7 3 9 8 6 2 67 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m