极寒环境下陶粒混凝土的冲击力学响应与破坏机理研究

The mechanical behaviors and failure mechanism of ceramsite concrete are different from the ordinary concrete caused by the energy absorption of ceramsite porosity and the expansive force due to freeze in ceramsite bore under impact load and arctic environment (-40 to 0 C). The elastic modulus and intrinsic time of the ceramsite concrete would be measured by the ultrasonic technique in the project. The tensile strength of the concrete would be determined by splitting tensile test. Study the energy absorption contribution of ceramisite in the deformation of ceramsite concrete by means of comparison tests of the ordinary concrete, ceramisite concrete and cement mortar specimens under static and dynamic compression loading. Research the destruct effects of water frozen expansive force within ceramsite pore under dynamic and static tests on specimens with different moisture contents and different arctic temperature. Static and dynamic compression tests on samples subjected to freezing-thawing cycles. Estimate the changes of frozen expansive force caused by water transported from the sample to ceramsite pore. Explore the coupling effect of strain rate effect and the arctic environment on the damage evolution law of ceramsite concrete. Based on the microscopic observations, statistical analysis, combined with the law of stress - strain, the main parameters in the meso-and-macro scale damage evolution model and rate-dependent constitutive equation which taking into account the damage would be determined and optimized by means of numerical simulation. The damage evolution law and failure mechanism of ceramsite concrete under impact and arctic environment would be given. Finally, the rate-dependent constitutive equation of the ceramsite concrete after arctic temperature cycles can be found.

陶粒混凝土在极寒环境（-40~0℃）冲击载荷下的力学行为，由于陶粒多孔性引起陶粒的吸能作用和陶粒内孔水分结冰导致的膨胀力，使得其破坏机理有别于普通混凝土。本项目采用超声波技术测定陶粒混凝土的弹性模量、内禀时间；劈拉试验测定材料的拉伸强度；通过普通混凝土、陶粒混凝土及其砂浆试样的动静态压缩对照试验，研究陶粒在陶粒混凝土变形中的吸能贡献；对不同的含水量和极寒温度下试样的动静态压缩试验，研究陶粒内孔水分冰冻膨胀力对破坏的影响；对确定极寒温度冻融循环后的试样，进行动静态压缩试验，预估试样内水分向陶粒内孔输送后冰冻膨胀力的变化，探究应变率效应和极寒环境对陶粒混凝土破坏的耦合影响；对陶粒混凝土细观观测、统计分析并结合应力-应变曲线进行数值模拟，优化确定细观损伤和宏观损伤演化模型以及计及损伤的率型本构方程中的参数；揭示极寒环境下陶粒混凝土的冲击损伤破坏机理，建立极寒环境下陶粒混凝土的率型损伤本构关系。

对于越来越受到关注的绿色建材--陶粒混凝土的冲击力学性能，特别是冻融循环后的冲击力学响应及其破坏规律研究将对材料的性能改进、健康安全使用提供技术支撑。本项目开展了不同体积陶粒含量的混凝土在不同冻融循环次数和不同应变率下的压缩试验，揭示陶粒混凝土冲击载荷下的损伤破坏规律。主要内容包括：(1)采用超声波技术测定陶粒混凝土的弹性模量变化规律；（2）劈拉试验测定材料的拉伸强度(撰写相关文章1篇)；（3）通过普通混凝土、陶粒混凝土及其砂浆试样的动静态压缩对照试验，研究陶粒在陶粒混凝土变形中的吸能贡献(撰写论文1篇，毕业研究生1位)；（4）对确定极寒温度冻融循环后的试样，进行动静态压缩试验，探究应变率效应和极寒环境对陶粒混凝土破坏的耦合影响(撰写文章1篇，毕业研究生1位)；（5）对陶粒混凝土细观分析并结合实验结果进行数值模拟，给出了三维细观数值模型，较好地展现了陶粒混凝土动态损伤失效的全过程(撰写文章2篇，毕业研究生1位)。模拟表明，陶粒混凝土的损伤失效是从强度较弱的陶粒骨料开始的，裂纹从陶粒区域逐渐向砂浆基体扩展、贯通导致试样整体失效；（6）给出了体积分数、冻融循环次数和应变率相关的经验型陶粒混凝土本构关系(撰写文章1篇，毕业研究生1位)；（7）制作了卧式SHPB束杆，并改善了应变测量与束杆滑动困难等一系列具体实验技术问题，对混凝土类大尺寸试样的冲击力学响应研究做了有益的探索，首次探寻冻融循环后陶粒混凝土的动态力学性能，获得了一大批宝贵的实验结果和分析结果，相关试验装置申请获批实用新型专利3项，申报待批发明专利2项。本项目按照研究目标，开展了大量的理论分析、实验和数值模拟工作，揭示了极寒温度冻融循环后陶粒混凝土的冲击损伤破坏机理，建立了冻融循环后陶粒混凝土的率型损伤经验型本构关系，对陶粒混凝土的应用和工程设计具有指导意义。