再生骨料混凝土在荷载-冻融条件下的多场耦合数值模拟.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(、)江西省主要学科学术和技术带头人培养计划领军人才项目()作者简介:雷斌()男教授博士博士生导师研究方向为再生混凝土:.雷斌黄威武王时彦等.再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟.南昌大学学报(工科版)():.()():.再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟雷斌黄威武王时彦徐震寰(南昌大学工程建设学院江西 南昌)摘要:由于混凝土服役时通常处于多因素耦合环境单一的冻融循环场不能反映服役混凝土的工作状态 考虑了不同新、老界面渗透率、不同降温速率和是否存在外加荷载等因素分析了再生混凝土第一主应力分布、孔隙水压力、各细观成分应变参数的变化 通过 编写再生混凝土的二维随机骨料模型利用 对 进行二次开发从细观层面上分析了荷载冻融循环作用下再生混凝土的性能 结果表明:新、老界面渗透率过高会导致试件第一主应力下降导致砂浆发生受拉破坏降温速率过快导致孔隙水结冰速率提高并使结冰量增大水相变引起的体积膨胀导致孔隙壁受到更大压力外加荷载的存在加快了冻融过程中老砂浆与新水泥基质的剥离关键词:再生混凝土数值模拟冻融模拟随机骨料多场耦合中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:由于我国城镇化进度的加快老旧房屋及老旧构筑物的拆除所产生大量的建筑废料对环境造成了较大的污染 有研究表明大约有 的粗骨料和细骨料用于混凝土中将建筑废料中的再生粗细骨料用于制造再生混凝土可以带来显著的经济与环境效益 再生混凝土是指利用再生粗骨料完全或者部分取代天然骨料浇筑成的混凝土 再生混凝土技术不仅缓解了我国天然砂石紧缺的问题同时实现了建筑垃圾资源化并推动了我国建筑行业转型为国家碳中和目标的实现提供了巨大帮第 卷第 期 年 月 南昌大学学报(工科版)().助我国幅员辽阔许多处于寒冷环境下的混凝土结构都受到不同程度的冻融破坏再生混凝土在冻融环境下的性能表现成为了国内外学者关注的热点问题 由于再生混凝土的细观结构比传统混凝土复杂其细观结构中存在 个界面过渡区分别是再生骨料与老旧砂浆的老界面过渡区以及再生骨料与新砂浆的新界面过渡区而旧砂浆是再生混凝土的薄弱部分 由于再生混凝土的初始缺陷导致再生混凝土的耐久性能不如天然骨料混凝土 不仅如此在实际工程中混凝土时常处于多因素耦合的环境条件多因素耦合作用下混凝土的破坏机理较单一因素作用下更为复杂 等研究了再生混凝土在复杂盐溶液中经重复荷载和冻融循环耦合作用下的耐久性能试验发现经过盐溶液浸泡后受到相同循环加载条件下的再生混凝土抗冻融性能比天然混凝土高 等研究了碳化、干湿、冻融循环的耦合作用对再生骨料混凝土耐久性的影响及其机理碳化和干湿循环可以改善孔隙结构降低孔隙连通率冻融循环碳化和冻融循环耦合以及碳化、干湿循环和冻融循环耦合 种耦合工况下可显著破坏孔隙结构 上述试验研究主要通过分析多因素耦合作用下再生混凝土试块的微观形貌、砂浆及界面过渡区的显微硬度和孔隙率等参数来探讨其破坏机理 但试验研究无法准确判别再生混凝土内部骨料、基体以及新、老界面等组分破坏的初始位置及其损伤演化过程随着计算机技术的发展有学者使用仿真软件建立混凝土模型通过模拟混凝土各组分之间的相互作用从而分析混凝土的破坏机理 等通过 脚本建立混凝土随机骨料模型采用 分析冻融条件下气孔含量及骨料级配对混凝土性能的影响结果发现混凝土中气孔含量越高骨料级配越不均匀冻融循环后的强度损失越大且气孔含量对混凝土抗冻融性能的影响比骨料级配大 等通过建立二维混凝土数值模型分析其冻融性能结果表明界面过渡区的渗透率对混凝土的抗冻融性能有重大影响而界面过渡区的热膨胀性能对混凝土的抗冻融性能几乎没有影响 虽然上述文献对混凝土的冻融破坏机理进行了模拟分析但是还未有相关文献对再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟进行深入研究本文通过 程序建立再生混凝土随机骨料模型利用 软件对多因素耦合作用下再生混凝土的冻融破坏进行数值模拟实现了模型建立和数值分析的有效应用并从细观层面上分析了再生混凝土在冻融条件下的多场耦合后的性能表现 随机骨料模型的结构建立.混凝土细观结构再生混凝土与天然混凝土的性能差异主要是再生粗骨料表面包裹着一层老旧砂浆使得各个再生粗骨料的性能不尽相同附着在再生粗骨料表面的砂浆会明显影响再生混凝土界面过渡区性能再生混凝土在细观结构上由天然骨料、包裹老旧砂浆的再生骨料、新砂浆、新界面区、老界面区五相结构组成.骨料级配再生骨料与天然骨料相同由于骨料粒径不同被划分为粗骨料和细骨料两部分 骨料级配是指粗骨料和细骨料之间的数量比例骨料级配会影响混凝土硬化后的各种力学性能 世纪初美国学者富勒基于最大密度理论提出了富勒最大密度级配曲线方程 富勒方程如下:()()式中:()为骨料粒径为 以下的质量百分比为最大骨料粒径 由于富勒方程只适用于三维空间的级配曲线而本文随机骨料模型为二维空间结构于是利用瓦拉文公式将富勒方程进行转换使其适用于二维空间 瓦拉文公式如式()所示被用来建立富勒级配曲线与二维级配曲线的联系则混凝土内部任意一点落在粒径小于 的骨料内部概率为:()每次骨料投放后都需进行相交性判断使得所有骨料都互不相交符合投放要求的骨料如图 所示xyOO0R1O1R0图 符合投放要求的骨料.再生混凝土模型参数 本文采用有限元分析软件 中的固体力学模块模拟计算再生混凝土试件冻融循环过程中的应力场达西定律模块计算孔隙水结冰过程及其水压力多孔介质传热模拟温度场变化 本文采用尺寸为 水灰比设置为.骨料体积分数为 且骨料取代率为 的正方体再生混凝土试件 根据文献设置骨料、老界面、老砂浆、新界面、水泥砂浆的密度、弹性模量、泊松比、比热容、导热系数、热膨胀系数根据文献设置水和冰的弹性模量、体积模量、导热系数、比热容、流体可压缩性、密度 由于混凝土内部存在各种微裂缝和孔隙在冻融过程中会伴随着孔隙水的相变孔隙水结冰产生的压力也是混凝土冻融破坏的成因之一 根据文献设置多孔骨架体积模量、水与冰界面张力及水的动力黏度本文应力场采用固体力学模块底部采用固定约束防止模型内部压力发生位移两侧采用辊支撑考虑重力作用重心在试件几何中心 渗流场采用达西定律模块初始水压和初始水头均为 有限元中网格的划分本质是将分析对象整体离散为多个连续性单元的过程 本文网格单元总数量为 个以单元偏斜度衡量单元质量单元平均质量为.质量较好可以达到计算精度要求其中最大单元大小为.位于水泥砂浆单元中最小单元大小为.位于新老界面单元处 再生混凝土的多场耦合模拟.新老界面及砂浆渗透率对再生混凝土抗冻融性能的影响设定 为一个完整升温降温的冻融循环冻融循环初始温度为 每次模拟包含 个冻融循环 新老界面渗透率是砂浆渗透率的 倍设置新老界面渗透率分别为.、.、.的再生混凝土研究新老界面砂浆渗透率对再生混凝土抗冻融性能的影响 从图 中可以看出随着渗透率的减小无论处于温度升高状态或是温度降低状态孔隙水压力逐渐升高孔隙水相变点处的孔隙水压力达到的峰值应力也随之大幅度提高说明再生混凝土的界面性能对抗冻融性能有很大影响降温段在温度刚开始降低的前.时 种试件的孔隙水压力变化和彼此差异都不大且 种试件的孔隙水压力数值都偏小 从.时孔隙水开始发生相变此时 种试件的孔隙水压力都开始升高其中渗透率为.、.种试件的孔隙水压力近乎以突变的方式增长而渗透率为.试件的孔隙水压力呈缓慢上升趋势增长的数值并不大 造成此现象的原因推测可能是因为渗透率大的试件水分迁移难度较低即使水结冰也不会对孔隙壁造成过大的孔隙水压力 随着冻融循环的进行降温段的孔隙水第 期 雷斌等:再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟压力的变化趋势基本不变但是峰值压力会随之降低 出现此现象的原因是随着冻融循环次数增加试件内部孔隙结构由于过大的孔隙水压力导致损伤使得孔隙逐渐连通导致孔隙水迁移难度下降当温度到达最低点时对试件造成的峰值孔隙水压力逐渐下降1209060300-30-60302010040渗透率1.102 510-18m2渗透率1.102 510-19m2渗透率1.102 510-20m2p/MPa/图 不同渗透率试件孔隙水压力变化.升温段 种试件的孔隙水压力都开始降低其中渗透率为.、.种试件的孔隙水压力降低的幅度较大而渗透率为.试件的孔隙水压力下降的幅度较缓 此阶段由于冰开始融化水分开始逆迁移对孔隙产生拉力 在冰融化的前期冰融化对孔隙造成的拉力小于冰晶对水的阻碍造成的压力所以此时孔隙中还是受到压力作用随着温度逐渐降低到达相变点处渗透率为.试件的孔隙水压力逐渐恢复到初始压力阶段 而渗透率为.试件的孔隙率在第 次冻融循环同样恢复到初始压力状态但随着冻融循环次数的增加试件在相变点处的孔隙水压力下降到负数试件处于受拉状态 推测可能的原因是孔隙出现微裂缝裂缝的增加导致孔隙水迁移的过程增加导致孔隙水对试件造成的持续拉力增大从而导致了多次冻融循环后回到初始温度时孔隙水压力呈负值表 中的试件在渗透率为.、.、.下的孔隙水压力是再生骨料混凝土在第 次最低温点时的峰值分别为.、.、.由达西定律可知压力与渗透率成反比 随着渗透率的增大水分迁移的难度减小导致孔隙水压力也相应降低这一结论与 等的结论一致表 不同渗透率试件最大孔隙水压力.试件渗透率/最大孔隙水压力/.如图 所示从左到右分别为渗透率为.、.、.试件的第一主应力分布图 可以看出随着渗透率的降低试件水泥砂浆面上应力明显增大 渗透率为.试件水泥砂浆处应力大约在 渗透率为.试件水泥砂浆处应力大约在 渗透率为.试件水泥砂浆处应力大约在 从应力的分布来看应力主要集中在骨料密集区的界面层处而其他部位的应力相对较小 此现象出现的原因是界面渗透率与水泥砂浆基质渗透率差异过大水分在迁移过程中产生较大的压力梯度造成应力的集中应力集中在渗透率低的试件上尤为明显图 不同渗透率试件最低温点第一主应力分布.图 所示为循环结束后()的应力分布图 渗透率为.试件上下边界应力为负呈受压状态而试件中部应力为正呈受拉状态越靠近试件中部应力越大 渗透率为.南昌大学学报(工科版)年试件上边界中部及下边界应力为负试件中心部分应力为正且越靠近中心部位应力越高渗透率为.试件受压部分主要集中在下边界以及靠近下边界的试件两侧位置中心部位以及试件上边界都为受拉状态 随着渗透率的下降试件受压区域逐渐下移且随着渗透率的下降试件中部区域逐渐由受拉状态变为受压状态并且冻融循环结束后水泥砂浆受到的拉应力逐渐减小因此减少界面和老砂浆的渗透率可以提高冻融后试件的性能结合孔隙水压力变化和主应力分布可以发现渗透率对再生混凝土抗冻融性能有较大影响图 不同渗透率试件循环结束时间点第一主应力分布.温度变化速率对再生混凝土抗冻融性能的影响本节将讨论冻融循环过程中温度降低速率对再生混凝土抗冻融性能的影响 由于折线温度曲线更能简明地反映温度变化的速率所以本节使用折线温度变化曲线来模拟冻融过程中温度的变化 设置降温速率分别为、初始温度为 最低温度为 从再生混凝土 个边界同时降温 降温方式如图 所示100-10-20504030060降温速率4 h-1/1020/()100-10-203020040降温速率6 h-1/10/()100-10-2020030降温速率8 h-1/10/()图 降温函数.表 所示的是不同降温速率下试件的最大孔隙水压力可以看出随着试件降温速率的提高试件中最大孔隙水压力也随之升高 根据图 中孔隙水压力随时间变化曲线可知最大孔隙水压力出现点都是在试件达到最低温度处表 不同降温速率试件最大孔隙水压力.试件降温速率/()最大孔隙水压力/.从图 中可以看出 以上时 种试件孔隙水压力都偏小 种试件基本没有差距 当达到相变点时开始进入 以下 种试件的孔隙水压力都向正方向发生一定量的突变随着温度的降低种试件的孔隙水压力都随之增大 此时不同温度变第 期 雷斌等:再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟化率试件的孔隙水压力随时间变化的趋势开始发生改变温度变化速率越高试件孔隙水压力也越高当温度从最低点上升时 种试件的孔隙水压力都开始下降温度变化速率为 曲线的下降速度最快温度变化速率为 曲线次之温度变化速率为 曲线最慢过于快速的温度变化速率会导致混凝土内部孔隙水结冰速率提高单位时间内产生的冰晶数量会增多对混凝土孔隙结构造成较大损伤冰晶膨胀迫使孔隙水进行迁移从而进一步对孔隙结构造成损伤 在渗透率一定的情况下孔隙水压力增高会导致砂浆拉应力增大会导致再生混凝土的破坏100806040200-201284016温度变化速率4 h-1温度变化速率6 h-1温度变化速率8 h-1p/MPa/图 第 次冻融循环各温度变化速率孔隙水压力变化.图 为 种工况下试件随温度变化的边界及中心温度试件的边界及中心温度变化变化趋势也是一次函数式降温与设置的降温方式相同 中心温度的变化趋势与边界温度变化趋势一致在达到最低温度点前的降温段同时间点中心温度高于边界温度边界温度达到最低温度点后随即开始升温此时边界温度为.而中心温度仍然在继续降低当中心温度降低到最低温度为.时中心温度开始上升整个降温过程中中心温度与边界温度最大的差值为.此现象出现是由于固体传热需要时间且会有热量损耗导致中心温度的变化趋势相对于边界温度有滞后现象同时使得中心温度的最低温度高于边界温度 由数据发现无论是边界温度还是中心温度最低值都没有达到我们预设的 这是因为水冰相变过程中会释放潜热 潜热中的热量传导到边界与降温散发的热量相互抵消一部分导致边界温度略高于环境温度 而中心温度与环境温度的差异不仅仅是相变潜热的影响还包括水泥砂浆、界面、骨料导热系数的影响使得中心部分温度偏高20100-10-201284016边界温度中心温度/()降温速率 20100-10-20842010边界温度中心温度/6/()降温速率 20100-10-2064208边界温度中心温度/()降温速率 图 降温速率分别为、试件边界和中心一个冻融循环内温度变化.降温速率为 及 试件边界及中心温度变化趋势与 试件的变化趋势相似 由表 可以看到 种试件的边界和中心最低温度以及最大绝对温度差通过对比 种试件可以发现随着降温速率的提高边界最低温度在逐渐降低中心最低温度逐渐升高最大绝对温度差也逐渐升高 由表 可知 种试件在外界最低温度时试南昌大学学报(工科版)年件边界中心绝对温差与冻融结束后试件边界中心绝对温差 可以看到 种绝对温差都随着降温速率的提高而提高 种试件在最低处的温差是由于降温时长不同热量传导量不同所导致冻融结束后绝对温差是由于在升温过程中冰晶融化吸收热量导致中心温度低于边界温度可以看出温度变化率高的试件吸收的热量远大于温度变化率低的试件 这个现象说明降温速率不仅会影响再生混凝土内部孔隙水的结冰速率还会影响其结冰量 戈雪良等分析不同降温速率对混凝土的影响发现降温速率越快冻结应力增幅越大验证了本节结论 温度变化率越大结冰速率以及结冰量都会相应的增大对试件造成更为严重的冻融损伤这同时也从另外一个角度解释了各试件孔隙水压力变化的原因表 不同降温速率试件温度表.试件降温速率/()边界最低温度/中心最低温度/最大绝对温度差/.表 不同降温速率试件特定时间点的温度差.试件降温速率/()在外界温度最低时试件边界中心绝对温差/冻融结束后试件边界中心绝对温差/.外加荷载对再生混凝土抗冻融性能的影响为更真实地模拟再生混凝土在实际冻融情况下的性能演变本节在试件上施加了一个大小为 方向垂直向下的均布荷载冻融循环设定条件同.节 图 为有、无荷载作用的试件孔隙水压力随时间变化曲线表 为有、无荷载作用下试件最大孔隙水压力可以看出试件在承受向下的均布荷载后试件的孔隙水压力有明显的增大 相比于无荷载试件荷载试件由于外部荷载原因试件已经存在较大初始水压力随着温度的降低孔隙水压力持续升高直到温度降到最低()孔隙水压力才逐渐回落 随着冻融循环次数的增加 种试件的峰值孔隙水压力差逐渐减小 在前 次冻融循环中单次冻融循环结束段处(对应图中的.和.个时间段)有荷载试件的孔隙水压力小于无荷载试件 而在后 次冻融循环的交界处 种工况下试件的孔隙水压力相差不多 出现上述差异的原因是外部荷载的存在导致试件内部存在对孔隙的初始压缩作用降低了试件的孔隙率增加了内部水分迁移的难度导致孔隙水压力上升 而后期荷载的存在导致试件受到荷载和冻融循环的耦合作用使得试件内部孔隙破坏的速度快于单纯受冻融循环作用的试件因其内部孔隙破坏导致各孔隙连通增大了孔隙率导致试件中孔隙水迁移的难度降低和水压力逐渐下降即便水达到相变点结成冰也不会对孔隙壁产生较大孔隙压力最终导致随着冻融循环次数的增加不论最大或是最小孔隙水压力都越来越接近1501209060300-30-60302010040荷载试件无荷载试件p/MPa/图 有、无荷载作用孔隙水压力变化.表 有、无荷载作用下试件最大孔隙水压力.有、无荷载作用最大孔隙水压力/有.无.由.节中骨料的应力云图发现试件砂浆部分应力分布主要为横向所以选取试件各组分在 轴方向的应变分别探究有荷载及无荷载条件下冻融作用对骨料、老砂浆、水泥砂浆基质的影响 图、图 分别为有、无荷载试件各细观成分应变变化从图中老砂浆及水泥砂浆基质的应变变化趋势可以看出:有荷载试件中的老砂浆应变始终大于水泥砂浆应变而无荷载试件中的老砂浆应变和水泥砂浆基质应变在冻融循环过程刚开始时处于同步变形状态此时的老砂浆与水泥砂浆基质还有一定的第 期 雷斌等:再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟黏结作用随着温度的降低直到孔隙水开始发生相变时两者开始产生相同的突变应力此时黏结能力大幅减弱很快就丧失了黏结能力此时老砂浆基质应变出现高于水泥砂浆基质应变现象 说明外加荷载的存在会导致老砂浆与水泥基质丧失彼此间的黏结能力使结构发生损伤的时间大大提前导致再生混凝土试件更容易受到破坏0.003 00.001 50-0.001 584012骨料应变老砂浆应变水泥砂浆基质应变/图 有荷载试件各细观成分应变变化.0.003 00.001 50-0.001 584012骨料应变老砂浆应变水泥砂浆基质应变/图 无荷载试件各细观成分应变变化.从表 可以看出:受荷载试件的骨料最大应变略大于无荷载试件受荷载的老砂浆最大应变大于无荷载试件受荷载的水泥砂浆基质部分应变小于无荷载试件 造成这种差异的原因是在有荷载试件中荷载的存在使得再生混凝土试件中的孔隙更加密实使得孔隙率下降在冻融过程中孔隙水含量也会相应减少当孔隙水发生相变时对水泥砂浆造成的拉应变会相应降低而水泥砂浆因为荷载的存在本身便存在一个初始压应力二者共同作用的情况下导致无荷载试件的水泥砂浆基质应变大于有荷载试件 李细涛通过实验对比分析多种加载模式下多因素耦合再生混凝土的耐久性能结果发现 再生混凝土试件在有荷载作用下的强度损失率为负值荷载的存在将再生混凝土压实提高了试件强度与本文的模拟结果相符表 试件各成分最大应变.细观成分无荷载试件有荷载试件骨料.老砂浆.水泥砂浆基质.结论 通过 软件编写再生混凝土随机骨料二维模型结合 软件对随机骨料模型进行多场耦合分析 对荷载冻融循环作用下再生混凝土中的孔隙水压力变化以及各组分应变进行模拟分析得出主要结论如下:)新老界面渗透率对再生混凝土抗冻融性能有较大影响 新老界面渗透率过高会导致再生混凝土冻融循环结束时第一主应力急剧下降导致老砂浆处产生较为严重的受拉破坏现象 为此在实际工程中可通过选择合适强度的水泥砂浆降低新老界面渗透率从而提高再生混凝土的抗冻融性能)降温速率对再生混凝土抗冻融性能影响较小 随着温度快速升高导致孔隙水结冰速率提高并使结冰量增大水相变引起的体积膨胀导致孔隙壁受到更大压力温度快速变化会降低再生混凝土的抗冻融性能)外部荷载的存在对再生混凝土抗冻融性能有较大影响 在初期试件经受冻融循环作用时由于荷载的存在降低了试件的孔隙率使试件更为密实反倒提高了试件的抗冻性 但试件在荷载与多次冻融循环耦合作用下荷载加速了试件内部水泥砂浆基质与老砂浆的剥离从而降低了试件的抗冻性能 因而在工程设计阶段需要考虑荷载对建筑抗冻融性能的负面影响参考文献:.:.:.南昌大学学报(工科版)年 :.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.().:.:.():.:.:.():.:.施惠生孙丹丹吴凯.混凝土界面过渡区微观结构及其数值模拟方法的研究进展.硅酸盐学报():.姚泽良段东旭党发宁等.基于随机骨料模型的再生混凝土单轴压缩数值模拟.西安理工大学学报():.肖建庄李文贵刘琼.模型再生混凝土单轴受压性能细观数值模拟.同济大学学报(自然科学版)():.段安.受冻融混凝土本构关系研究和冻融过程数值模拟.北京:清华大学.肖建庄刘琼李文贵等.再生混凝土细微观结构和破坏机理研究.青岛理工大学学报():.张鸿儒.基于界面参数的再生骨料混凝土性能劣化机理及工程应用.杭州:浙江大学.曾强李克非.冻融情况下降温速率对水泥基材料变形和损伤的影响.清华大学学报(自然科学版)():./.:.黄康桥赵程周伟等.基于多场耦合模型的混凝土冻融三维细观研究.浙江大学学报(工学版)():.():.戈雪良陆采荣梅国兴.降温速率对混凝土冻结应力的影响及机理研究.材料导报():.李细涛.再生混凝土多因素耦合作用的实验室模拟方法研究.南昌:南昌大学.第 期 雷斌等:再生骨料混凝土在荷载冻融条件下的多场耦合数值模拟