基于细观力学行为的再生混凝土破坏机理与裂缝演变规律研究

Recycled Aggregate Concrete (RAC) is one kind of recyclable low-carbon green concrete. However, due to the complex materials composition, the mechanical properties of RAC seem to exhibit somewhat deterioration and discrete characteristics, which eventually hinder the extensive application of RAC in the structural level. Therefore, it is essential to fundamentally investigate the deterioration of mechanical properties and the mesoscopic failure mechanism and crack evolution of RAC. In this project, the RAC specimen is ideally modeled in order to conduct mesoscopic digitized experimental study on the failure mechanism of RAC. A three-dimensional Digital Image Correlation (DIC) technique is applied to real-time record the initiation, propagation and coalescence processes of the surface microcrack of RAC under uniaxial loading, then an in-depth analysis are carried out on the mesomechanical properties and the whole failure process to further reveal the failure mechanism and the crack evolution of RAC. Meanwhile, the local deformation, cohesive debonding, and strain-softening mesomechanical behaviors under different loading stages will effectively be simulated using the Moving-Window Generalized Method of Cells program to establish the internal relationship between mesomechanical properties distribution characteristics and the macromechanical performances for the RAC. Based on the mesoscale failure mechanism investigation on RAC in term of digitized experimental studies and numerical simulating, this program will provide a significant instruction for the mixing optimization and modification methods of RAC.

再生混凝土是一种可循环利用的绿色低碳混凝土。但是由于材料组分复杂，再生混凝土的力学性能发生劣化且具有离散性，一定程度上阻碍再生混凝土在结构层次上的广泛应用。因此，需要从本质上分析再生混凝土的力学性能劣化原因和细观破坏机理。本项目拟采用再生混凝土模型化的研究方法，对再生混凝土的破坏机理和裂缝演变规律进行全过程细观数字化试验研究。采用三维数字图像相关技术实时观测加载过程中微裂缝产生、扩展和贯通等裂缝演变规律，深入分析再生混凝土细观力学反应和破坏全过程，揭示再生混凝土的细观破坏机理和裂缝演变规律。通过基于移动窗口技术的广义细胞法仿真分析，有效地模拟再生混凝土在不同荷载下的局部变形、粘结失效和应变软化等细观力学行为，建立细观力学分布特性与宏观力学性能之间的内在联系。基于数字化试验和数值仿真相结合的细观破坏机理和裂缝演变规律研究，该项目研究将对再生混凝土的配合比优化和改性方法具有指导意义。

发展再生混凝土是解决建筑废弃物并节约骨料资源的有效途径，但由于相对于普通混凝土而言再生混凝土性能较差，其推广工作收效甚微。微观破坏机理的研究以及基于此的改进工作是促进再生混凝土运用的重要突破口，而目前国内外均未对其进行深入分析。针对相关研究工作的不足，对再生混凝土的破坏机理和裂缝演变规律进行了研究。采用三维数字图像相关技术实时观测加载过程中微裂缝产生、扩展等演变规律，并借助纳微观分析仪器及先进的纳米技术对微观结构进行表征及改性处理。之后，对纳米改性再生混凝土以及钢管约束再生混凝土两种推广再生混凝土的形式进行了从准静态到高应变率下的系列试验以验证推广的可行性。综合试验及模拟手段，对微观结构，细观力学特性，以及宏观力学性能进行了多尺度研究并建立了其内在联系。相关工作表明，裂纹发展主要起源于新老界面过渡区；采用某些纳米材料如纳米二氧化硅可以有效的改善微结构并提高再生混凝土从准静态到动态的宏观力学性能；钢管再生混凝土也是推广再生混凝土的有效途径，且其尤为适应于高温冲击等极端环境。相关研究工作丰富了再生混凝土纳微观，到细观，再到宏观的相关理论，并为工程实际改进及运用再生混凝土提供了思路。