水环境中考虑孔隙尺度的混凝土动态力学性能及其机理研究

Concrete is a porous media material, and its pore size difference of more than ten thousand times. Water is attached to the pore structure with different scales when concrete structure in a water environment. Many studies have shown that the pore scale determines the pore water scale, and its effect has a significant effect on the dynamic performance of the concrete. In order to find out the correlation between the pore water scale and the dynamic performance of concrete, this study is based on the pore scale characteristics to verify pore morphology and distribution, then mesoscopic pore network model is established; furthermore water content test is carried out under water pressure, and physical parameters for pore water distribution scale characteristics is calculated; the concrete mechanics test is carried out under water pressure environment, and the mechanical effect caused by pore water is studied. Through mesoscopic simulation and macroscopic mechanical analysis, and the influence of pore water scale on viscous stress and excess pore water pressure was discussed to reveal the interaction mechanical mechanism between water and concrete skeleton; further the pore size parameters were introduced to establish dynamic constitutive model of concrete. So as to solve the key scientific problems such as “analysis method for the mesoscopic pore network model construction of concrete and the pore water parameters under different external water pressure”, and “quantitative description method for the pore water dynamic effect under different loading rates and different scales”. The results can promote the seismic technology in the relevant industry and promote the research for dynamic performance of concrete to the direction of realization and refinement.

混凝土为多孔介质材料，其孔隙大小相差万倍以上。当混凝土处于水环境中时，水会附着在具有不同尺度的孔隙中。研究表明，孔隙尺度决定孔隙水尺度，其效应对混凝土动态性能产生显著影响。为探明孔隙水尺度与混凝土动态性能的关联性，拟从孔隙特征切入，探明孔隙形态与分布状况，构建孔隙网络模型；通过不同体外水压作用下的含水量试验，确定表征孔隙水尺度分布的物理参数；开展有压水环境下的加载试验，研究孔隙水引起的力学效应；通过细观模拟和宏观分析，探明孔隙水尺度对粘滞应力和超孔隙水压的影响，揭示孔隙水与混凝土骨架相互作用的力学机制；引入孔隙尺度参数，建立有压水环境中的动态率型本构模型。从而解决“混凝土细观孔隙网络模型构建和不同体外水压作用下的孔隙水尺度参数确定方法”与“在不同加载速率与不同孔隙尺度下的水力学效应定量描述方法”等关键科学问题。成果可促进相关行业抗震技术进步并推动混凝土动态性能研究向真实化与精细化方向发展。

混凝土为多孔介质材料，其孔隙大小相差万倍以上。当水会附着在具有不同尺度的混凝土孔隙中，不同尺度的孔隙水对混凝土动态性能产生显著的影响，本项目探明孔隙水尺度与混凝土动态性能的关联性。根据项目研究计划，在我校自主研发的“10 MN大型多功能电液伺服静动力三轴仪”上开展了一系列的试验，并结合数值模拟方法研究了孔隙水对混凝土动态力学性能的影响。.（1）开展了不同粉煤灰掺量的混凝土在不同水压力下动态压缩试验，分析了水压力和应变速率对峰值应力的影响；还获得了混凝土在饱水过程中的含水量特征值，分析了含水量特征值与混凝土动态特性之间的关联性，建立了单位体积含水量与混凝土峰值应力增加值之间的关系；结合混凝土的应力-应变曲线分析了孔隙结构与含水量特征值对混凝土力学特性的影响。.（2）开展了不同引气剂掺量的混凝土在不同水压力下动态压缩试验，测定了混凝土的孔隙结构特征，获得了混凝土在大气自然环境和有压水环境中的含水量，建立了不同孔隙结构特征混凝土的含水量与水压力之间的关系；分析了单位体积含水量对不同孔隙结构特征混凝土的动态抗压强度增量值的影响，建立了混凝土动态抗压强度与孔隙结构、水压力、含水量及应变速率之间的关系；总结了水压力环境中混凝土的破坏模式。.（3）在有压水环境中，对历经不同荷载循环次数后的掺粉煤灰混凝土进行了动态压缩试验，分析了应变速率、水压力、荷载循环次数对混凝土强度、峰值应变和弹性模量的影响，建立了应变速率、水压力大小以及循环荷载次数与混凝土动态强度和动态弹性模量的关系；综合考虑应变速率、水压力以及循环荷载次数等因素，构建了水压力作用下混凝土历经循环荷载历史后的常三轴动态损伤本构模型。分析了混凝土破坏模式，发现应变速率和粉煤灰掺量对混凝土的破坏模式有显著影响，同时还观察到经历不同循环荷载次数的混凝土，其破坏模式也略有差异。.（4）对不同孔隙形态的水饱和混凝土开展了单轴受拉数值模拟研究。基于广义特征多项式的解来判别椭圆的位置关系，构建了包含孔隙的二维随机骨料混凝土细观模型；在力学方法方面，实现了孔隙水动态粘滞效应对混凝土力学的影响，引入了双折线损伤本构，分析了孔隙率、孔隙的扁平度对饱和混凝土静动态强度与初始弹性模量的影响，探讨了孔隙特征和应变速率对饱和混凝土破坏模式的影响。