再生混凝土數(shù)值模擬研究

時(shí)建偉

(長(zhǎng)江大學(xué) 湖北 荊州 434100)

引言

和研究普通混凝土一樣，目前針對(duì)再生混凝土的基本力學(xué)性能研究主要還是依靠力學(xué)實(shí)驗(yàn)的手段。首先，按照已經(jīng)計(jì)算得出的混凝土各組分之間的配合比制作若干組試件，然后通過試驗(yàn)測(cè)得與各個(gè)力學(xué)指標(biāo)相關(guān)的一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得出各力學(xué)性能指標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。要得出這些力學(xué)性能指標(biāo)往往需要大量的試驗(yàn)，而這勢(shì)必會(huì)需要大量的原材料，因此這樣做是很不經(jīng)濟(jì)的。現(xiàn)代材料科學(xué)的趨勢(shì)逐漸由宏觀轉(zhuǎn)向微觀，傳統(tǒng)的試驗(yàn)手段已經(jīng)不能揭示材料的宏觀力學(xué)性能與材料微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，因此，要想取得再生混凝土研究領(lǐng)域的突破，就必須嘗試沖出傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的束縛。而隨電腦科技的快速發(fā)展，細(xì)觀計(jì)算力學(xué)理論的出現(xiàn)，使有限元軟件得到廣泛的應(yīng)用。

對(duì)再生混凝土的試驗(yàn)研究，因復(fù)雜試驗(yàn)條件限制、人員誤差等，使試驗(yàn)結(jié)果存在差異，可以借助有限元軟件，通過適當(dāng)方法建立數(shù)值仿真模型，數(shù)值模擬部分或全部試驗(yàn)過程。利用數(shù)值計(jì)算模型可以更直觀模擬再生混凝土內(nèi)部微裂縫萌生、發(fā)展及試件的破壞過程，為分析再生混凝土不同工況下力學(xué)性能提供基礎(chǔ)。

一、再生混凝土

再生混凝土(Recycled Concrete)[1]是利用廢棄混凝土破碎、分揀、清洗等得到再生骨料(Recycled Aggregate)，按照特定的配合比全部代替或部分代替天然骨料配制的新混凝土。它由再生骨料、新水泥砂漿、舊水泥砂漿、新界面過渡區(qū)、舊界面過渡區(qū)五項(xiàng)介質(zhì)組成。

二、再生混凝土物理力學(xué)性能數(shù)值模擬研究

(一)抗壓強(qiáng)度

早在1977年，學(xué)者Frondistou-Yannas[3]對(duì)普通混凝土和建筑垃圾廢料制成的粗骨料替代天然骨料配置的混凝止進(jìn)行了研究，比較了兩者在力學(xué)性能方面的異同，研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量相比普通混凝土都有所下降。1983年，學(xué)者Hansen and Narud[4]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他因素不變時(shí)，再生混凝土的抗壓強(qiáng)度主要受水灰比的影響。當(dāng)普通混凝土的水灰比與再生骨料混凝土相同甚至低于再生骨料混凝土?xí)r，兩者的強(qiáng)度相等或者再生骨料混凝土的強(qiáng)度更高，反之亦然。2009年，我國研究人員也進(jìn)行了大量研究[5-11]，肖建莊根據(jù)再生粗集料的特點(diǎn),建立了再生混凝土隨機(jī)集料模型,進(jìn)而基于格構(gòu)模型理論定義了5種格構(gòu)單元:粗集料單元、新砂漿單元、新界面單元、老砂漿單元和老界面單元.在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上,為不同單元確定了不同的力學(xué)參數(shù)。合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)者吳缽[2]在2013年基于Ansys建立有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了再生混凝土抗壓強(qiáng)度，給出了更可靠的理論值。

(二)抗拉強(qiáng)度

與再生混凝土的抗壓強(qiáng)度數(shù)值模擬相比，國內(nèi)外對(duì)再生混凝土抗拉強(qiáng)度的研究偏少。1988年Kawamura等研究表明再生混凝土的抗拉強(qiáng)度與普通混凝土相差不大。之后，學(xué)者Salem發(fā)現(xiàn)ACI規(guī)范建議的普通混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式也可W用于計(jì)算再生混凝主的抗拉強(qiáng)度。國內(nèi)學(xué)者肖建莊[12]根據(jù)試驗(yàn)獲得的再生混凝土各相材料力學(xué)參數(shù)，通過有限元分析對(duì)再生混凝土進(jìn)行軸心受拉模擬分析，獲取再生混凝土軸心受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(三)細(xì)觀結(jié)構(gòu)力學(xué)

混凝土細(xì)觀力學(xué)這一概念是由Wittmann和Zaitsev[13-17]于20世紀(jì)70年代末首次提出，他們不僅定義混凝土為由多種介質(zhì)組成的復(fù)合材料，而且提出了基于不同層次(宏觀、細(xì)觀、微觀和超微觀)的混凝土非均質(zhì)性。再生混凝土細(xì)觀力學(xué)性能指內(nèi)部微裂縫、水化反應(yīng)化合物、各材料間的界面等用光學(xué)顯微鏡可觀察到的，細(xì)觀上混凝土被視為多相復(fù)合結(jié)構(gòu)，多采用數(shù)值方法探究其性能。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)再生混凝土的數(shù)值研究，目前主要有格構(gòu)模型、M-h模型、隨機(jī)粒子模型、隨機(jī)力學(xué)特性模型、隨機(jī)骨料模型。同濟(jì)大學(xué)肖建莊等通過數(shù)值模擬研究了老砂漿對(duì)再生混凝土力學(xué)性能影響。試驗(yàn)改變新水泥砂漿和老水泥砂漿擴(kuò)散率以及老水泥砂漿厚度，結(jié)果表明老砂漿對(duì)再生混凝土宏觀力學(xué)性能影響較小。羅冬梅等應(yīng)用ANSYS有限元軟件及AUTOCAD繪圖軟件，建立由再生骨料、粘結(jié)界面和水泥砂漿基體的三相復(fù)合材料組成的隨機(jī)分布模型，建立細(xì)觀力學(xué)材料非線性損傷本構(gòu)方程；學(xué)者岳強(qiáng)基于數(shù)字圖像處理技術(shù)提取再生混凝土的骨料邊界，生成真實(shí)的再生混凝土骨料模型，構(gòu)建符合界面厚度要求的有限元分析模型；在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，全過程模擬再生混凝土在軸向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能及破壞全過程，探討裂縫的擴(kuò)展演化規(guī)律。

三、再生混凝土結(jié)構(gòu)性能數(shù)值模擬研究

(一)再生混凝土梁

梁作為建筑結(jié)構(gòu)中經(jīng)常出現(xiàn)的構(gòu)件，隨著再生混凝土的推廣，使用再生混凝土梁也會(huì)越來越廣。對(duì)于再生混凝土梁，國內(nèi)外學(xué)者也做了大量研究[19,20]。對(duì)梁的受彎性能，Ishill等人進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：在極限承載力方面，再生混凝土梁與普通漏凝土梁基本相同，但是與普通混凝土梁相比，再生混凝土梁有著較大的燒度和裂縫寬度；Mahdi Arezoumandi等人對(duì)6根100%取代率的再生骨料混凝土梁和6根普通混凝土梁進(jìn)行了抗剪性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，再生骨料混凝王梁的抗剪強(qiáng)度比普通混凝王梁低12%。我國學(xué)者肖建莊、王曉菡[18]等人利用數(shù)值分析，對(duì)梁的結(jié)構(gòu)性能也取得了一定成績(jī)。

(二)再生混凝土柱

近年來，對(duì)于再生混凝土柱的研究主要集中于鋼管再生混凝土[21-23]。2007年，楊有福在確定鋼管與再生混凝土本構(gòu)關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用有限單元法對(duì)鋼管再生混凝土軸壓短柱、純彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的破壞模態(tài)和荷載-變形關(guān)系曲線進(jìn)行了全過程分析，研究了靜力荷載下鋼管與再生混凝土的截面應(yīng)力分布規(guī)律、鋼管與再生混凝土之間的相互作用等工作機(jī)理。2014年，王緒湘等人基于有限元分析研究了再生鋼管混凝土抗震性能，建立有限元模型如下圖。陳宗平2016年也基于Abaqus開展了不同設(shè)計(jì)參數(shù)下37個(gè)足尺試件的有限元拓展分析，揭示了變化參數(shù)對(duì)柱滯回性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

四、結(jié)語

綜上所述，數(shù)值模擬在再生混凝土的研究中應(yīng)用的較為廣泛。基于計(jì)算機(jī)的模擬和試驗(yàn)，得到了一些復(fù)雜條件下的再生混凝土的力學(xué)性能，為再生混凝土的力學(xué)研究及應(yīng)用提供理論支持。但是，由于我國再生混凝土的研究工作起步較晚以及有限元軟件開發(fā)程度有限，目前對(duì)于再生混凝土研究還有以下缺陷：

1.目前針對(duì)再生混凝土的研究還基本停留在試驗(yàn)水平，尤其是針對(duì)在再生混凝土中摻入摻合料的研究，更是沒有數(shù)值模擬的手段加以扶持。而力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果在很大程度上局限于該批再生粗骨料的性能，如果骨料的性能改變了就得另行試驗(yàn)，說到底，這樣的做法是十分不經(jīng)濟(jì)的。而細(xì)微觀數(shù)值模擬方法，克服了許多試驗(yàn)的弊端，如隨機(jī)性和不穩(wěn)定性，工況數(shù)量也可以大大增加。但目前對(duì)于基于有限元的實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)于較少，理論分析也較為薄弱。

2.目前再生混凝土細(xì)觀數(shù)值分析仍處于探索研究階段，關(guān)于界面過渡區(qū)網(wǎng)格精細(xì)劃分、初始微裂縫和氣孔模擬以及有效增強(qiáng)方法等領(lǐng)域需進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)和完善，以期更真實(shí)實(shí)現(xiàn)再生混凝土細(xì)觀數(shù)值分析。

3.目前對(duì)于約束再生混凝土以及再生混凝土改性研究相對(duì)于較為薄弱，而且基本上是基于試驗(yàn)，缺乏數(shù)值模擬驗(yàn)證，僅有少數(shù)學(xué)者在鋼管約束混凝土和粉煤灰改性混凝土上取得一定成果。

4.隨著再生混凝土在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的增多，對(duì)于再生混凝土多災(zāi)害條件下的力學(xué)性能需要跟進(jìn)，但目前由于試驗(yàn)條件以及再審混凝土研究的不足，此類研究成果還很少。