复杂应力状态下混凝土强度细观机理及其代表体定量研究

Representative volume element (RVE), which is the smallest volume linking the meso-structures with the macro properties, is the basisi of mesomechanics. However, most of the current researches on RVE were focused on the elastic behavior of concrete, and there are very few reports about the concrete RVE based on strength. The projects are intended to research on the mechanism of concrete strength at meso level employing mesonumerical method and experimental method to explore volume element which strength under complicated loading equal to the strength of concrete material in terms of statistics. The relationship would be established between representative volume element with characteristic length of concrete meso-structure. The expected results of the project are as follows: to build a mechanical computating model which simulate the meso-structure more accurately; to discuss the relationship among the consists, microstrucutures and properties of concrete; to find a method to determin RVE size of concrete strength at complicated stress conditions based on the experimental results and simulating results; to build quantitative relationship between the RVE size and the characteristic size of concrete meso-structure according to the above method. The project intends to build a numerical platform for studying concrete properties on multi-scale to provide a scientific basis for the construction of high concrete dam on the combination of concrete micro-structure with its macro strength. The current study focuses on the strength mechanism of concrete under complex stress condition and on the combination between the macro-strength and micro-structure. The mechanism study on concrete strength as well as the expected results can provide reference for the dam construction, dam design and safety evaluation of high concrete dam.

代表体作为将细观研究结果应用于宏观的最小体元，是细观力学研究的基础。目前关于代表体的研究多集中于材料的弹性性能的研究，而对于混凝土材料强度代表体尺寸的研究较少。本申请项目拟结合数值模拟和试验方法，在细观层次上研究混凝土强度机理，采用统计分析方法确定在复杂应力条件下混凝土的代表体。采用细观试验方法研究混凝土内部初始微裂纹分布，建立更加符合混凝土真实结构的复杂应力条件下强度细观计算模型。结合数值模型与细观材料性能试验的研究结果，建立混凝土组成、结构和性能之间的联系。统计分析混凝土强度数值模拟结果，提出复杂应力条件下混凝土强度代表体的确定方法。分析混凝土宏观强度和细观结构之间的定量关系，建立强度代表体与细观组分之间的联系，搭建混凝土研究的多尺度平台。课题研究重点在于复杂应力条件下混凝土强度机理、强度与细观结构定量联系，预期成果可为高混凝土坝的结构设计和安全评定等提供理论基础。

代表体是细观力学的基础，为了研究混凝土宏观性能的细观机理，有必要对混凝土代表体进行定量分析。本项目采用试验研究、理论分析、数值仿真相结合的手段，对混凝土数值仿真方法、强度机理、混凝土强度代表体定量分析方法等问题进行了深入研究。主要结果如下：（1）试验研究了混凝土内部初始缺陷分布，对比了不同颗粒形状、不同水灰比的混凝土内部微裂纹分布，结果表明高强混凝土中初始微裂纹少于玻璃珠增强复合材料。（2）统计混凝土内部微裂纹、孔隙等初始缺陷含量，在混凝土三相模型的基础上，考虑初始缺陷，建立了混凝土四相复合材料模型，模拟了单轴和双轴加载情况下混凝土的破坏过程和强度，结果表明该模型适用于普通强度混凝土强度模拟。（3）将本模型数值模拟结果与已有的双轴试验结果和双轴破坏包络线对比，数值模拟结果与Kupfer的包络线形式上较接近；该数值模型在拉拉区模拟结果与文献试验结果较接近，双轴受拉强度约为0.9倍的单轴拉强度；压压区计算结果强度提高幅度较小，偏于安全；在拉压区则稍高于已有试验结果。（4）采用该模型系统分析了混凝土各相组分对其强度的影响，结果表明混凝土强度随砂浆强度的增加呈线性增加，是对混凝土强度影响最显著因素；混凝土强度与界面强度亦呈线性相关性，且随着界面与砂浆相对强度的增加而呈线性增加；粗骨料、界面厚度、砂浆和界面的弹性模量对混凝土强度值均影响较小。（5）给出了混凝土强度代表体定义，基于数值仿真方法和统计分析方法，对混凝土强度代表体进行了定量分析，给出了不同荷载作用下混凝土强度代表体尺寸：单轴荷载作用下，强度的代表体尺寸不小于6倍最大骨料粒径；双轴荷载作用下强度代表体尺寸不小于最大骨料粒径的9倍；荷载工况对代表体尺寸影响较大，不同工况下代表体尺寸的规律为：单拉<双轴受压 <单压<双轴拉压 <双轴受拉。研究成果为结构设计和工程安全评价提供技术和理论依据，已在多项混凝土工程中得到应用，具有显著经济和社会效益。