混凝土三维细观数值模拟与CT试验研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 1期 (总 第 3 1 3期) N u mb e r 1 1 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 1 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORETI CAL RES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 1 0 0 3 混凝土三维细观数值模拟 与 C T试验研 究 毛灵涛 ， 刘永 亮 ， 薛茹 ( 1 中国矿业 大学 煤 炭资源与安全开采 国家重点实验室 ，北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 中国矿业大学( 北京 )力学与建筑工程学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 3 郑州航空工业 管理学院， 河南 郑州 4 5 0 0 1 5 ) 摘要： 为了研究混凝土材料的细观结构破坏机理 ， 将其视为由骨料 、 界面、 水泥浆和孔隙组成的复合材料。 利用微焦点工业 C T 对试件进行扫描 ， 获得高精度 C T图像 。 通过图像处理与分割， 应用 Mi mi c s 软件建立三维数值模型 ， 采用有 限元软件 A NS Y S进 行数值模拟并与试件单轴压缩 C T原位扫描试验进行对 比。 结果表明： 试件内部界面是其薄弱部位 ， 裂纹首先在界面处产生 ， 沿 界面扩展到水泥浆， 同时裂纹也会穿过部分骨料， 最终贯通形成破裂面。 通过对 比发现数值模拟高应变区的萌生、 扩展 、 联通与 试件单轴压缩 C T试验的破坏过程以及最终的破裂面形状都具有一致性 ， 表明该建模方法是可行性。 该模型能够充分反映试件 内部真实结构特征， 为数值方法研究混凝土材料细观特性提供 了建模手段。 关键词 ： 混凝土； 数值模拟； 细观结构； 工业 C T 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 1 0 0 0 7 0 5 T h r e e di me n s i o n me s os c a l e n u me r i c a l s i mula t i o n a n d c o m p u t e r t omo g r a p h y e x p e r i me n t o n c o n c r e t e M AO Li n gt a o ， LI U Yo n g l i a n g ， X UE Ru ( 1 S t a t e K e y La b o r a t o r y o f C o a l Re s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g ， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Be i j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a 2 S c h o o l o f Me c h ani c s a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 3 Z h e n g z h o u I n s ti t u t e o f Ae r o n a u ti c a l I n d u s t ry Ma n a g e me n t ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 5 ， Ch i n a ) Abs t r a ct ： I n o r d e r t o s t u d y t h e me s os c a l e f a i l u r e me c h a n i s m ， the c o n c r e t e i s c on s i d e r e d a s a c o mp os i t e ma t e ria l c o n s i s tin g o f a g g r e g a t e， i n t e rfa c e， l i q u i d c e me n t a n d p o r e By u s i ng mi c r o f o c u s i n d u s t r i al c o mp u t e r t o mo g r a p h y， t h e s p e c i me n wa s s c a nn e d an d t h e CT i m a g e s i n hi g h r e s o l u t i o n we r e o b t a i ne d Af t e r CT i m a g e pr o c e s s i n g a n d s e g me n t ， t h e t h r e e d i m e ns i o n a l n u me r i c a l mo d e l f o r AN S YS wa s bu i l t wi t h t h e a i d o f M i mi c s s o f t wa r e By c omp a r i n g t h e r e s u l t s o f t h e n u me r i c a l s i mu l a fio n wi m ma t o f u n i a x i a l c o mp r e s s i o n e xp e rime n t by u s i n g CT S C an i n s i t u， i t i s s h o wn tha t the i n t e rfa c e i s the we a k e s t p a r t an d the c r a c k s are g e ne r a t e d f r o m the i n t e rfa c e a t f i r s t Al o ng t h e i n t e rfa c e， the c r a c ks e x t e n d t o the l i q u i d c e me n t ， me an wh i l e the c r a c k s p a s s thr o ug h s o me a g g r e g a t e s c o a l e s c e， an d the n for m the f ail u r e s u r f a c e I t C an b e f o u n d tha t the i n i t i a t i o n a n d de v e l o p me n t o f t h e hig h s t r a i n are a s i n the s a mp l e n u me r i c a l mo d e l are c o n s i s t e n t t o the d e s t r u c t i o n o f the s p e c i me n u n de r u n i a x i a l c o m p r e s s i o n， wh i c h i nd i c a t e s th a t the me tho d p r o p o s e d t o b u i l d mo d e l i s f e a s i b l e Th e r e a l s t r u c t u r e c h ara c t e ris ti c s o f the s a mpl e c a n b e r e fle c t e d i n thi s mo d e l whi c h p r o v i d e s a n e w mo d e l b u i l d i n g me a n t o r e s e arc h me s o s c a l e c hara c t e ris tic s o f t h e c o n c r e t e b y u s i n g n u me ric a l s i mul a t i o n Key wor ds： c on c r e t e； n u me ric a l s i mu l a tio n； me s os c a l e s t r u c t u r e； i n d u s t r i a l CT 0 引言 混凝土是 由骨料 、 水泥浆 、 添加剂及 孔隙组成 的复合 材料 ， 其内部存在着裂 隙、 气泡和孔洞等缺 陷， 这些缺陷及 骨料 的形态 与分布都影 响着混凝 土材料 的宏观力学性能 ， 对混凝土细观力学的研究有助于理解其宏观破坏机理 。 混 凝土 的细观研究起源于 2 0 世纪 7 0年代末 ， 各 国学者从 混凝土的细观结构出发 ， 根据混凝土材料及其力学性质的 非均匀性 ， 建立 了多种数 值模型对其破坏 过程进行研究 。 S c h l a n g e n _ 2 最先应用格构模型对混凝土 的断裂破 坏进行 研究 ， 模拟 了素混凝 土典 型开裂 面 的贯通过 程 和破坏机 理 ； 唐春安等 提出了随机力学模 型 ， 将各 相材料特性按 照给定的We i b u l 1 分布代替正态分布来赋值； 高政国等 提出随机骨料模型 ， 建立 了二维混凝土骨料随机投放 的算 法和程序 ； 李朝红等 提出混凝土三维细观随机骨料 随机 力学参数模型 ， 考虑了骨料在空 间的随机分布 以及材料参 数的随机分布特性。 上述模 型大多是基于随机数学理论建 立的随机模型 ， 在一定程度上能够反映 出混凝 土的非匀质 性 ， 但不能模拟混凝 土中骨料 的真实形状 与空间位置 ， 而 混凝土 中骨料 的形态又影响着混凝土的力学性质 。 。 。 微焦点工 业 C T ( C o m p u t e r T o mo g r a p h y ) 能够无 损检 测材料和结构的内部变化， 同时具有较高的分辨率， 为混 收稿 日期： 2 0 1 5 0 2 0 4 基 金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 7 4 2 1 1 ) ； 国家重大科学仪器设备开发专项项 目( 2 0 1 3 Y Q 2 4 0 8 0 3 ) ； 中央高校基本科研业 务费专项资金 资助项 目( 2 0 0 9 Q M 0 2) 一 7 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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 说明界 面是其薄弱部位 ； ( 3 ) 单轴受压时裂纹会穿过部分 骨料 ， 当剪应力与拉 应力共同作用或骨料强度低时很容易发生； ( 4 ) 骨料对水泥浆 的轴向位移和试件 的轴向变形有抑 制作用 。 4 结 语 ( 1 ) 利用微焦点工业 C T获得了高精度路基混凝土材 料的 C T图像 ， 通过 图像处理对骨料、 水泥浆、 孔 隙和界 面 进行了有效分割。 通过 Mi m i c s 软件把系列位图矢量化， 建 立 了更接近真实结构的混凝土三维数值模型。 ( 2 ) 通过数值模拟 与单轴压缩 C T试 验结果 对 比， 验 证了模型的可行性 。 从细观层次上分析了单轴压缩条件下 混凝土的破坏机理 ， 同时表明此建模方法不仅可以研究混凝 土的细观破坏形式和破坏机理 ， 还可以预测其破裂面形状。 参考文献： 1 Z A I T E V J V， Wr r T MA N N F H C r a c k p r o p a g a t i o n i n a t w o p h a s e ma t e ri a l s u c h a s c o n c r e t e C I n f r a c t u r e ， Wa t e r l o o ， C a n a da， 1 9 77： 1 1 9 71 2 0 3 1 2 l S CHL ANGE N E， GAR BOC Z I E J F r a c t u r e s i mu l a ti o n o f c o n c r e t e u s i n g l a t ti c e m o d e l ： C o mp u t a ti o n a s p e c t s J E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 9 7 ， 5 7 ( 2 3 ) ： 3 1 9 3 3 2 3 T E N G J G， Z H U W C， T A N G C A Me s o m e c h a n i c a l m o d e l f o r c o n c r e t e P a r t I I ： m o d e l d e v e l o p m e n t J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r e h ， 2 0 0 4 ， 5 6 ( 6 ) ： 3 1 3 3 3 0 4 高政国， 刘光廷 二维混凝土随机骨料模型研究 J 清华大学 学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 3 ， 4 3 ( 5 ) ： 7 1 0 7 1 3 I- 5 李朝红， 王海龙 ， 徐光兴 混凝土梁受弯破坏的三维 细观数值 试验r J 中国公路学报， 2 0 1 0 ， 2 3 ( 2 ) ： 5 0 5 4 6 韩宇栋， 张君 ， 高原 粗骨料体积含量对混凝土断裂参数 的影 响 J 工程力学， 2 0 1 3 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 9 1 2 0 5 1 7 l MOGAN I L， e t a 1 E x a mi n a t i o n o f c o n c r e t e b y c o mp u t e ri z e d t o m o g r a p h y J A C I J o u r n a l ， 1 9 8 0 ， 7 7 ( 1 ) ： 2 3 2 7 8 S Y N O L A K I S C E ， L E A H Y R M， S I NG H M B， e t a 1 D e v e l o p 一 上接第 6页 参考文献： 1 余红发， 孙伟， 麻海燕， 等 盐湖地区钢筋混凝土结构使用寿命 的预测模型及其应用 J 东南大学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 4 ) ： 6 3 8 6 42 2 曹文涛 ， 余红发 ， 胡蝶 ， 等 粉煤灰和矿渣对表观氯离子扩散系 数的影响 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 4 8 5 1 3 曾翔超 ， 余红发 ， 胡蝶 矿渣混凝土在海洋环境中的氯离子扩 散系数演变规律r J 硅酸盐通报， 2 0 1 4 ， 3 3 ( 5 ) ： 9 9 3 9 9 8 4 L E N G F G， F E N G N Q， L u x Y A n e x p e ri me n t a l s t u d y o n th e p r o pe r t i e s of r e s i s t a n c e t o d i f f u s i o n o f c h l o r i d e i o ns o f fly a s h and b l a s t f u r n a c e s l a g c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 6 ) ： 9 8 9 9 9 2 5 MI K E O T I E N O， H A N S B E U S H A US E N MA R K A L E X A N D E R Ef f e c t o f c h e mi c a l c o mp os i ti o n o f s l a g o n c h l o rid e p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 4 ， 4 6 ( 2 ) 5 6 6 4 6 MI C H A E L D A T h o ma s ， P H I L B B a mfor t h Mo d e l l i n g c h l o r i d e d i f f u s i o n i n c o n c r e t e ： E f f e c t o f fl y a s h a n d s l a g J C e m e n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 4 ) ： 4 8 7 4 9 5 7 MA N G A T P S ， MO L L O Y B T P r e d i c t i o n o f l o n g t e r m c h l o ri d e c o n c e n tr a ti o n i n c o n c r e t e J Ma t e ri a l and S t r u c t u r e ， 1 9 9 4 ， 2 7 ( 6) ： 3 3 83 4 6 m e n t o f a n a s p h a l t c o r e t o mo g r a p h e r R S t r a t e g i c H i g h w a y R e - s e a r c h P r o g r a m ， Na t i o na l Re s e a r c h Co u n c i l ， W a s h i n g t o n D C ， 1 9 9 3 9 3 WA N G L B， P A R K J Y， F U Y R R e p r e s e n t a t i o n o f r e a l p a r t i c a l s for D E M s i m u l a t i o n u s i n g X r a y t o m o g r a p h y J C o n s t r u c t i o n a n d Bu i l d i n g M a t e ria l s ， 2 0 07， 21： 3 383 4 6 1 0 郝书亮， 党发宁， 陈厚群 ， 等 基于 C T图像的混凝土三维细观 结构在 A N S Y S中的实现 J 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 3 1 5 1 1 田威 ， 党发宁， 陈厚群0 昆 凝土 C T图像的三维重建技术 J 四 川大学学报： 工程科学版 ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 2 1 6 1 2 3 R Z NW Y， Y A N GZ J ， WI T H E R S P Me s o s c a l e f r a c tu r e m o d e ll i n g o f c o n c r e t e b a s e d o n X r a y c o m p u t e d t o m o gra p h y i m a g e s C P r o - - c e e d i n g o f 5 t h As i a P a c i f i c Co n g r e s s o n Co m p u t a t i o na l M e c h a n i c s a n d 4th I n t e r n a t i o n a l S y mpo s i u m o n Co mpu t a t i o n a l M e c h a n i c s M i n i Sy mp o s i u m Ana l y ti c a l a n d Nu me ric a l Me t ho d s f o r Co mp os i t e s ， 1 1 1 4t h De c e m b e r， S i n ga p o r e， 2 0 1 3 1 3 王梦蔚 ， 卢广达， 黄丹 基于 C T扫描试验及数字图像处理的混 凝土宏细观建模研究 J 混凝土 ， 2 0 1 4 ( 1 1 ) ： 2 7 3 0 1 4 毛灵涛 ， 李磊 ， 连秀云， 等 路面底基层材料单轴加载细观破裂 过程的 I C T观测 J 公路 ， 2 0 1 4 ， 5 9 ( 1 ) ： 7 4 7 9 1 5 张培 ， 李梦洁， 孙水发 ， 等 I m a g e J 软件在三维立体 C T图像处 理中的应用r J 电脑开发与应用 ， 2 0 1 2 ， 2 5 ( 1 0 ) ： 7 8 1 7 8 4 1 6 Z H E N G J J ， L I C Q， Z H O U X Z T h i c k n e s s o f i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n e and c e me n t c o n t e n t p r o fi l e s a n d a r o u n d a g g r e g a t e s J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 5 ， 5 7 ( 7 ) ： 3 9 7 4 0 6 1 7 高利甲 自密实轻骨料混凝土力学性能数值模拟 D 湘潭 ： 湖 南科技大学， 2 0 1 1 ： 5 1 8 K O S A K A Y， T A N I G A WA Y， K A WA K A MI M E f f e c t o f c o a r s e a g g r e g a t e o n fr a c t u r e o f c o n e r e t e J J o u rna l o f A I J ， 1 9 7 5 ， 2 ( 2 8 ) ： 1 1 1 第一作者 联系地址 联系电话 ： 毛灵涛( 1 9 7 4一) ， 男， 博士， 副教授 ， 主要从事实验力 学方面的研究。 北京海淀区学院路中国矿业大学( 北京) 煤炭资源与 安全开采国家重点实验室( 1 0 0 0 8 3 ) l 3 81 1 7 6 3 58 5 l 8 l C OS T A A A P P L E TO N J C h l o ri d e p e n e a t i o n i n t o c o n c r e t e i n ma rin e e n v i r o n me ntP a r t I ： Ma i n p a r a me t e r s a f f e c tin g c h l o r i d e p e n e t r a ti o n J Ma t e ri a l a n d S t r u c t u r e ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 4 ) ： 2 5 2 2 5 9 9 J T J 2 7 0 1 9 9 8 ， 水运工程混凝土试验规程 s 北京 ： 人民交通 出版社， 1 9 9 8 1 0 余红发 盐湖地区高性能混凝土的耐久性、 机理与使用寿命预 测方法 D 南京 ： 东南大学 ， 2 0 0 4 1 1 1 I S 0N G H w ， L E E C H， A NN K Y F a c t o r s i n fl u e n c i n g c h l o r i d e tr a n s p o r t i n c o n c r e t e s t r u c tu r e s e x p o s e d t o ma r i n e e n v i r o n m e n t s J Ce me n t a n d C o n c r e t e Co mp o s i t e s 。 2 0 0 8， 3 0 ( 2) ： 1 1 31 2 1 1 1 2 l AN N K Y。 AHN J H RYO U J S T h e i mp o r t a n c e o f c h l o r i d e c o n t e n t a t t he c o n c r e t e s u r f a c e i n a s s e s s i n g th e time t o c o r r o s i o n o f s t e e 1 i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s J J 1 C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i als ， 2 0 0 9， 2 3 ( 1 )： 2 3 92 4 5 第一作者： 宋鲁光( 1 9 8 1 一) ， 男， 博士研究生， 研究方向 ： 主要从 事混凝土结构耐久性研究。 联系地址 ： 江苏省南京市江宁区东南大学九龙湖校区材料科学 与工程学院 联 系 电话 ： 1 3 6 1 1 5 9 9 8 5 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m