骨料对混凝土力学性能的影响分析.pdf

第 l 9 卷第 1 期 2 0 1 6年 2月 建筑材料学报 J OURNAL 0F BUI LDI NG MATE RI ALS Vo 1 1 9 ， No 1 Fe b ， 2O 1 6 文 章 编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 1 4 3 0 6 骨料对 混凝土 力学性 能 的影 响分析 周 尚 志 ， 谌 林 ， 刘 明群 ( 1 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ； 2 中国交通建设集团第二公路局有 限公 司，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 ) 摘要 ：利 用颗粒 流 方法 ， 实现 了相 同条件 下 混凝 土 的 骨料 大 小 和 空 间位 置 对其 破 坏 形 态 、 应 力一 应 变 曲线 、 峰 值 应 力和 割线模 量 的影 响规律 研 究 通过 对 比砂 浆与 骨料 的不 同质 量 比 ( 5：5 ， 4： 6 ， 3： 7 ， 2： 8 ) 以及 不 同级 配( 一 级 配 、 二级 配 、 三级 配 、 四级 配) 骨料 的混 凝 土单 轴 压 缩仿 真 试 验 结果 ， 发 现骨料有 阻止混凝土裂纹扩展的作用， 且骨料越 大， 阻止混凝 土裂纹扩展 的作用越 强， 而微裂纹多 绕骨料产生和发展 ； 砂浆 中加入 骨料对混凝土强度和 变形特性具有 明显的改善作用， 相对于砂 浆 的峰值 应 力 5 2 MP a 和 割 线模 量 3 O 7 GP a而言 ， 在 砂 浆与 骨料 质 量 比为 5： 5和 4：6时 ， 不 同级 配 混凝 土 的峰 值 应 力 约 增 加 2 2 4 8 、 割 线 模 量 增 加 一 8 9 9 ， 其 平 均 值 基 本 维 持 在 6 5 MP a 和 7 2 MP a ， 3 7 4 GP a和 4 2 6 G P a ； 在砂 浆与 骨料 质量 比 为 3： 7和 2： 8时 ， 不 同级 配 混 凝 土的峰 值应 力 急剧 增加 4 O 2 2 8 、 割 线模 量 急剧 减 小 7 9 9 2 ， 其平 均值分 别 为 9 2 MP a 和 1 5 4 MP a ， 1 5 8 GP a和 4 4 GP a 当砂 浆 与 骨料 的质 量 比相 同时 ， 骨料 级 配越 高， 越 容 易形成 架 空结构， 造成局部不稳定 ， 影响骨料 增强效果 ； 级配相 同时， 混凝土强度 随骨料质量 占比的增大而 增大， 且其应力一 应变曲线呈现 出单峰到双峰再到单峰 的变化趋势， 这说 明骨料空间结构的稳定程 度 决定 了混 凝土应 力一 应 变曲线 的形 状 变化 关键 词 ： 颗 粒流 ；混凝 土 ；骨料 ； 峰 值 应 力 ；割 线模 量 中 图分类 号 ： O3 1 9 5 6 文献 标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 2 4 Ana l y s i s o n Ef f e c t o f Ag g r e g a t e o n M e c ha ni c a l Pr o p e r t y o f Co n c r e t e ZH OU Sh an gz h i ，CH EN Li n ，L U M i n gq u n ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Co n s t r u c t io n En g i n e e r i n g，Ch a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 4 ，C h i n a ；2 C CCC S e c o n d H i g h wa y En g i n e e r i n g Co ，Lt d ，Xi a l l 7 1 0 0 6 1，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n f l u e n c e l a ws o f f a i l u r e s h a p e ，s t r e s s s t r a i n c u r v e ，p e a k s t r e s s a n d s e c a n t mo d u l u s a f f e c t e d b y s i z e a n d s p a t i a l l o c a t i o n o f a g g r e g a t e i n c o n c r e t e we r e s t u d i e d u n d e r s a me c o n d i t i o n b a s e d o n p a r t i c l e f l o w c o n c r e t e Th r o u g h a n a l y z i n g t h e r e s u l t s o f u n i a x i a l c o mp r e s s i o n s i mu l a t i o n e x p e r i me n t o f t h e c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t mo r t a r a n d a g g r e g a t e ma s s r a t i o s ( 5：5， 4 ：6 ， 3：7， 2 ：8 ) a n d d i f f e r e n t g r a d a t i o n s ( g r a d a t i o n 1 ， g r a d a t i o n 2 ，g r a d a t i o n 3 a n d g r a d a t i o n 4 ) ，i t i s f o u n d t h a t a g g r e g a t e h a s t h e e f f e c t o f p r e v e n t i n g c r a c k p r o p a g a t i o n，t h e l a r g e r t h e a g g r e g a t e ， t h e g r e a t e r t h e e f f e c t o f p r e v e n t i n g c r a c k p r o p a g a t i o n，mi c r o c r a c k s wa s f o u nd t o o c c ur a t a r o und t he a g gr e g a t e a nd pr o pa ga t e I t i s p r o v e d i n ma ny m i c r o t e s t s，t ha t a dd i ng a g g r e g a t e i n mo r t a r c a n g r e a t l y i mp r o v e c o n c r e t e s t r e n g t h a n d d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t i c s Co mp a r i n g t o p e a k s t r e s s 5 2 MPa a n d s e c a n t mo d u l u s 3 0 7 GPa o f mo r t a r ，t h e p e a k s t r e s s o f d i f f e r e n t g r a d a t i o n s wi t h 5： 5 a n d 4： 6 o f ma s s r a t i o i n c r e a s e s b y 2 2 一4 8 9 6 a n d s e c a n t mo d u l u s i n e r e s e s b y一8 一 9 9 wi t h a v e r a g e v a l u e b e i n g 6 5 MPa a n d 7 2 MPa ，3 7 4 GP a a n d 4 2 6 GPa ，t h e p e a k s t r e s s o f d i f f e r e n t g r a d a t i o n s 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 0 2 ；修订 日期 ： 2 0 1 4 1 1 - 0 4 基金项 目： 桥梁工程湖南省高校重点实验室开放基金资助项 目( 1 3 KA0 1 ) ； 长沙理工大学土木工程重点学科创新性项 目( 1 3 Z DX K0 9 ) 第一作者 ： 周 尚志( 1 9 6 O 一) ， 男 ， 湖南常德人 ， 长沙理工大学副教授 ， 博士 主要从 事结构 工程抗震数 值计算 与实验 的研 究 E - ma i l ： z h o u s h a n g z h i 一 1 2 3 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 l 9 卷 wi t h 3：7 a n d 2：8 o f ma s s r a t i o s h a r p l y i n c r e a s e s b y 4 0 一2 2 8 a n d s e c a n t mo d u l u s d r a ma t i c a l l y d e c r e a s e s b y 7 9 9 6 9 2 wi t h a v e r a g e v a l u e b e i n g 9 2 MPa a n d 1 5 4 MP a ，1 5 8 GP a a n d 4 4 GPa ，wh i c h p r o v e s t ha t und e r t he s a m e m a s s r a t i o，t he hi g he r t he a g gr e g a t e g r a d a t i o ns，t he e a s i e r i t i s t o f o r m s t r u c t u r e bu i l t o n s t i l t s ，c a u s i n g l o c a l i n s t a b i l i t y a n d a f f e c t i n g t h e e n h a n c e me n t e f f e c t ；u n d e r t h e s a me g r a d i n g，t h e s t r e n gt h o f c o nc r e t e i n c r e a s e s wi t h t he i nc r e a s e of t he ma s s r a t i o，a nd t he s t r e s s s t r a i n c u r v e f i r s t l y c h a n g e s f r o m u n i mo d a l t O b i mo d a l a n d t h e n b a c k t o u n i mo d a l ，wh i c h s u g g e s t s t h a t t h e s t a b i l i t y o f a g g r e g a t e s pa t i a l s t r uc t ur e de t e r mi ne s c ha n ge o f s t r e s s s t r a i n C U r Ve Ke y wo r d s ：p a r t i c l e f l o w；c o n c r e t e ；a g g r e g a t e ；p e a k s t r e s s ；s e c a n t mo d u l u s 影响混凝土工程特性的因素很多 ， 试 验结果 的 离散性往往较大 这种离散性有材料本身的问题 ， 同 时也是 由于未在相 同基准下进行试验所造成 ， 如实 物混凝土的骨料数量 、 大小 、 空间位置往 往差异较 大 要在相同条件下研究混凝土的力学性质 ， 数值仿 真无疑是一条途径 这其 中包括 ： ( 1 ) 骨料 的数值仿 真 ； ( 2 ) 混凝土数值试验 文献 1 6 研究 了凸多面体 骨料模型算法 ， 也尝试采用块 体切割方法来研究混 凝土骨料二维模型 的建立 问题 文献 7 1 0 利用有 限元分 析 系统 MF P A2 D 和 MA TL AB， Au t o C AD 及 ANS YS混合 编程 ， 建立了多种形状骨料有 限元 网格模型 ， 模拟 了混凝土在单轴受压状态下 的破坏 过程 使用 该 方法 可较 好地 满足 混 凝 土动 、 静 力 学 性 能细观数值分析 的要求 ， 但对于破坏问题 的描述不 好 ， 即破 裂和 裂纹 扩展模 拟 不好 本文在颗粒流软件 ( P F C) 平 台下 ， 编写 了砂浆 与骨 料 质量 比( ： m ) 不 同及 骨料 级 配不 同 的 随 机生 成 和投放 程 序 ， 利 用 团簇 c l u mp使 得 骨 料 可 以 开裂 ， 实现了数字混凝土的单轴压缩试验 目的是利 用数 字 混 凝 土 虚拟 试 验 ， 研 究 骨 料 、 质量 比 、 级配 对 混凝土宏细观力学行为 的影响规律 ， 探索影 响混凝 土 破损 机制 的宏 细 观 因素 ， 为不 同 目的和 控 制要 素 的混 凝 土改 性指 明方 向 1 基 于 P F C的混凝 土数值仿真方 案 1 1 混凝土数值模型及输入参数 为了给相应的数值试验提供输人参数 ， 分别设 计了骨料及砂浆 的弹模 ( E) 试验 、 抗压强度 ( f ) 和 抗拉强度( 厂 ) 试验 ； 砂浆与骨料岩石界面的黏接抗 拉强度 ( f ) 和摩擦角 ( ) 试 验 此次试验 的原材料 除粗骨料外 ， 其他材料均 由西北水利水 电研究院实 验室提供 粗骨料采用 由长沙理工大学提供 的 l 0 1 5 mm 花 岗岩人工破碎石 ； 水泥采用三峡牌 5 2 5中 热水泥 ； 细骨料采用灞河河砂 ； 为解决混凝土泌水大 的问题 ， 使用渭河 工级粉煤灰作为掺和料 ； 应 长沙理 工大学 要 求 ， 混 凝 土 不 使 用 外 加 剂 加 载 设 备 为 I n s t r o n 1 3 4 2型压力 机 ， 未 加 围压 ， 共 分 4次 加 卸 载 ， 每次平均加荷速率为 1 3 x l O k N s ， 到试样破坏 为止 试验参数和结果统计列于表 1 表 1 混凝土性 能试验 结果 Ta b l e 1 Ex p e r i me n t r e s u l t s o f c o n c r e t e p r o p e r t i e s 颗粒 流砂浆模 型为颗粒 半径 0 1 5 mm， 高度 1 0 0 mm， 宽 度 5 0 mm， 共 5 9 4 1 7个 颗 粒 ， 是后 续 混 凝土模型的初始模型 在此基础上 ， 按照相似级配法 分别设 计 了一 级 配 、 二 级配 、 三 级 配 、 四级 配 等 4种 混凝土， 如表 2所示 由 c l u mp +r a n g随机 生成 骨 料 ， 砂浆与骨料质量 比( ： ) 不 同的 4种级 配 混凝 土 其 骨 料 数 量及 空 间位 置 如 图 1 所 示 同步 指 定混凝土数值模型 中骨料试验所得参数， 颗粒容重 2 3 0 k N m。 ， 其他参 数 见表 1 ， 粒 间接触本 构 采用平 行 黏结模 型 表 2不同设计级 配下的颗粒分布 Ta b l e 2 Pa r t i c l e d i s t r i b u t i o n s u n d e r d i f f e r e n t g r a d a t i o n s Gr a d a t i o n P a s s i n g r a t i o ( b y ma s s ) Y 0 t ype 0 6 2 52 5mm 2 55mm 51 0m m 1 01 5m m 1 2 计 算 工况 在上述数值试件的基础上 ， 虚拟实现 了混凝土 单轴压缩试验 ， 采用顶部和底部同步加载， 自由侧面 边界 ， 加载通过位移实现 ， 分步进行 2 骨料对混凝土宏细观力学行 为 的影 响规律 2 1 骨 料对破 坏 形态 的影 响规律 在虚拟单轴压缩试验条件下， 对纯砂浆和 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 周 尚志 ， 等 ： 骨料对混凝 土力学性能 的影 响分析 一 震 。 鬻 5：5 4 ：6 3：7 2：8 m m ：m a 7 0 0 6 0O 5 0 0 4 00 0 3 0 0 2 00 1 0 0 O 5：5 4：6 3：7 2：8 m ： m a ( b ) E 图 6 级配 与质量比不同的混凝 土峰值 应力及割线模量 Fi g 6 P e a k s t r e s s a n d s e c a n t mo d u l u s o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t g r a d a t i o n s a n d ma s s r a t i o s 3 混凝土宏观承 载和变形性能 的细观 机 制探析 骨料 的加入 ， 阻碍 了砂浆 中微裂纹原有 的扩展 路径 ， 提高了混凝土的峰值应力所表示 的承载性能 及割线模量所表示 的抗变形特性 ， 当骨料质量 占比 较小时 ， 这一提高 比例为 2 O 4 0 ， 尚未发 生量 级的改变 但 当砂浆与骨料质量比中骨料质量超过 7 成之后 ， 混凝土应力一 应变曲线在达到初始峰值之后 出现了抬升和强化趋势 ， 使最大峰值应力急剧增加 ， 相应 的割线模量 急剧减小 ， 即后续强化峰值 的出现 是以变形增加 为代价 的 可以认为这是 由骨料的空 间稳定程度所决定的， 其变化是超越量级的， 而且是 承载性能和抗变形特性反 向变化 ， 即承载性能增加 、 变形特性 降低 综上所述 ， 相对于砂浆而言 ， 混凝土工程特性 的 提高可以分为两个部分 ： ( 1 ) 砂浆和骨料 自身性质的 提高， 骨料加人所 引起 的量级 内变化 ； ( 2 ) 骨料空间 分布 的稳定程度所引起的超越量级 的变化 级配、 砂 浆与骨料 的质量 比对混凝土力学行为的影响通过骨 料空 间稳定程度来体现 4 结 论 ( 1 ) 骨料会增强混凝土的受力和变形特性 ( 2 ) 骨料对混凝土中的裂纹扩展有阻止作用， 骨 料越大该作用越明显 ； 裂纹多绕骨料发生 ， 裂纹贯通 与骨料结构及其稳定性有关 ( 3 ) 不论砂浆与骨料的质量 比和级配怎么变化 ， 混凝土 的力学行为均在砂浆应力一 应变曲线和骨料 结构稳定性超强的混凝土应力一 应变 曲线所形成 的 下 限和上 限内变 化 ( 4 ) 砂浆与骨料质量 比中骨料质量的 占比增加 时 ， 会改善由混凝土峰值应力所表示的承载性能 ， 但 是相应 的抗变形能力则相对减弱 级配 的增加会削 弱混凝土峰值应力的增幅 ， 但会提高其抗变形能力 ( 5 ) 混凝土的工程特性 由其组成材料的性质和 骨料空间结构 的稳定性控制 ， 前者 的增强作用是量 级内变化 ， 后者的改变是超越量级的 ， 其中承载性能 是增强， 变形特性是降低 参考 文献 ： 1 马怀发 ， 芈 书贞 ， 陈厚群 一种 混凝 土随机 凸多边形 骨料模 型 生成方 法 J 中 国水 利水 电 科学 研 究 院学 报 ， 2 0 0 6 ， 4( 3 ) ： l 9 6 - 2 0 1 M A Hu a i f a ， M I S h u z h e n。 CHEN Ho u q u n A a p p r o a c h o f g e n e r a t i n g r a n d o m c o n v e x p o l y g o n a g g r e g a t e mo d e l J J o u r n a l o f Ch i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Re s o u r c e s a n d H y d r o p o we r Re s e a r c h， 2 00 6 ， 4( 3) ： 1 9 6 2 O 1 ( i n Ch i ne s e ) 2 严兆 ， 汪卫 明 全级配混凝土随机骨料 二维模型生成 的块体切 割方法 J 武汉大学学报( 工学版) ， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 4 ) ： 4 8 4 - 4 8 8 YAN Zh a o， W ANG W e i m i n A m e t h o d f o r g e ne r a t i n g t WO d i me ns i o n a l r a n d o m a g g r e g a t e m o de l o f f u l l y g r a d e d c o nc r e t e： B l o c k c u t t i n g me t h o d J J o u r n a l o f Wu h a n un i v e r s i t y ( En g i ne e r i n g )， 2 0 1 3， 4 6 ( 4 )： 4 8 4 - 4 8 8 ( i n Ch i n e s e ) 3 孙立 国， 杜成斌 ， 戴春霞 大体积混凝 土随机骨料数值模拟E J 河海大 学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 3 ) ： 2 9 1 2 9 5 SUN Li g u o， DU Ch e n g b i n， DAI Ch u nx i a Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f r a n d o m a g g r e g a t e mo d e l f o r ma s s c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ho ha i Un i v e r s i t y( Na t u r a l Sc i e n c e s )， 2 0 0 5， 3 3( 3 )： 2 9 1 - 2 9 5 ( i n Ch i n e s e ) 4 高政 国， 刘光廷 二维混凝土随机骨料模 型研究 E J 清华 大学 学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 5 ) ： 7 1 0 7 1 4 GAO Zh e n g g u o， LI U Gu a n g t i n g Two - d i m e ns i o n a l r a n d o m a g g r e g a t e s t r u c t u r e f o r c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ts i n g h u a Un i v ( S c i& Te c h )， 2 0 0 3， 4 3( 5 ) ： 71 0 7 1 4 ( i n Ch i ne s e ) 5 刘光延 ， 高政 国 三维凸型混凝土骨料 随机投放 算法E J 清华 大学学报 ( 自然科学版) ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 8 ) ： 1 1 2 0 1 1 2 3 LI U Gu a n g t i n g，GAO Zh e ng g uo Ra nd o m 3 - D a g g r e g a t e s t r u c t u r e J J o u r n a l o f T s i n g h u a U n i v ( S c i &T e c h ) ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 8 )： 1 1 2 0 1 1 2 3 ( i n Ch i n e s e ) 6 郝 书亮 ， 党发宁， 陈厚群 ， 等 基于 C T图像 的混凝土三 维微观 加 8 4 O 日 、 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 8 建筑材料学报 第 1 9 卷 7 8 结 构在 ANS YS中的实现 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： I 3 - I 5 HA O S hu l i a n g， DANG Fa n i n g， CHEN Ho uq u n， e t a 1 Thr e e d i me n s i o n r e c 0 n s t r uc t i o n o f c o n c r e t e me s o s t r u c t ur e b a s e d o n C T i ma g e s b y AN S YS J C o n c r e t e ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 3 - 1 5 ( i n C h i n e s e ) 唐春安 ， 朱万成 混凝 土损伤与断裂一数值 试验 M 北京 ： 科 学出版社 2 0 0 3 ： 5 5 7 7 TANG Ch u n a n，ZH U W a n c he n g Da ma g e a n d f r a c t u r e o f c o n c r e t e - T e s t o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n M B e i fi n g ： S c i e n c e Pu b l i s h i n g 2 0 0 3： 5 5 7 7 ( i n Chi n e s e ) 朱浮声 ， 徐爽 ， 唐春安 ， 等 混凝 土骨料 级配对抗压强 度影响 的 数值模拟E J 混凝士 ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 8 - 1 0 ZH U Fu s h e n g， XU S h ua n g， TANG Chu n a n， e t a 1 Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o n a f f e c t i o n g r a d a t i o n t o c o nc r e t e c o m p r e s s i v e 9 E l O s t r e n g t h J C o n c r e t e ， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 8 - 1 0 ( in C h i n e s e ) 宋来忠 ， 姜袁 ， 彭刚 混凝土 随机参 数化 骨料模 型及加 载 的数 值模拟 J 3 水利 学报， 2 0 1 0 ， 1 5 ( 2 ) ： 1 2 4 1 1 2 4 7 S ONG La i z h o ng， J f ANG Yu a n， PENG Ga n g Nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f c o n c r e t e r a n d om p a r a m e t e r i z e d a g g r e g a t e mo d e l a n d l o a d t e s t J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ， 1 5 ( 2 ) ： 1 2 4 1 1 2 4 7 ( i n Ch i n e s e ) 郑建东 ， 肖丽君 碎石不 同级配 比例对混凝 土性能 的影响 J 宁波大学学报( 理工版) ， 2 0 0 2 ， 1 5 ( 2 ) ： 6 4 6 7 Z HE NG J i a n d o n g ， X I A0 L ij u n R e l a t i o n s h i p b e t we e n g r a v e l a g g r e g a t e p r o p o r t i o n s a n d wa t e r c o n s u mp t i o n s r a t e a n d e o m p r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ni n g b o Un i v e r s i t y ( NSEE)， 2 0 0 2， 1 5 ( 2 )： 6 4 6 7 ( i n Ch i n e s e ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m