基于分形几何理论的再生混凝土细观损伤及破坏机理研究

Recycled aggregates(RAs) induce the initial damage and mechanical discreteness of recycled aggregates concrete. To solve the problem, the project will investigate microscopic damage and destruction mechanism by using fractal geometry theory and CT image scanning technique. Fractal damage criteria and evolution regularity will be explored based on the fractal damage index from the actual irregular cracks and convex section. The relation between fractal characteristics of RAs, convex section , cracks and damage behavior will be analyzed. Fractal mesoscopic damage model will be put forward considering characteristics of RAs, replacement rate and interface of RAS-cement. furthermore, fractal damage constitutive model will be established based on the energy principle, accordingly, elastic, elastic-plastic and plastic fractal damage constitutive model under simple stress and the complex stress will be developed. This project address the traditional concrete research based on classical Griffith fracture mechanism and improve the assumption of smooth section and the crack to irregular shape and three-dimensional profile. Multi-scale fractal damage constitutive theory is developed and whole process of mesoscopic damage recycled aggregates concrete is accurately described. it can be great significance for mechanical properties and wide utilization of recycled aggregates concrete.

针对再生骨料引起再生混凝土细观初始损伤及宏观力学离散性的问题，本项目拟采用分形几何理论与CT图像扫描技术，对再生混凝土细观损伤与破坏机理进行研究，基于再生混凝土真实不规则裂纹与凹凸断面分形损伤指数，探索再生混凝土分形损伤判别标准与演化规律，分析再生骨料分形特征、材料裂纹和断面分形特性与破坏行为之间的内在规律，提出考虑再生骨料性能、取代率、骨料-水泥基界面性能的分形损伤细观断裂模型，进而基于能量原理建立适用于再生混凝土材料的单轴受力分形损伤本构模型，并发展简单应力与复杂应力作用下弹性、弹塑性及塑性分形损伤本构模型。本项目从本质上改变了基于Griffith经典断裂力学进行的传统混凝土研究，将断面与裂纹平滑的假定发展至不规则裂纹与三维断面状态，进而发展再生混凝土材料宏细观多尺度范围内的分形损伤本构理论，实现材料细观损伤断裂全过程的准确描述，对再生混凝土材料力学性能研究及未来广泛应用具有现实意义。

针对再生骨料引起再生混凝土细观初始损伤及宏观力学离散性的问题，本项目从试验研究、技术研究与基础理论研究三个方面对再生混凝土内部细观损伤及破坏机理展开了研究工作。首先系统总结了X-Ray CT扫描技术在混凝土复合材料细观研究的方法与发展，利用X-ray CT技术对再生混凝土材料内部细观破坏裂纹进行扫描，借助MATLAB编制程序发展了数字云矩阵方法，实现再生混凝土内部破坏裂纹的提取与数字化重建，该方法操作方便，节省数据内存空间，可解决传统灰度阈值提取方法对于细观裂纹提取精度与离散性的局限；其次分析了2D平面图像与3D空间结构的不同尺度细观裂纹特征，通过统计学方法对不同尺度下的细观裂纹数量、长度、宽度、曲折度和密度等特征进行统计分析，进而基于分形几何理论，以分形维数及多重分形谱表征裂纹的分形扩展规律，定量描述了再生骨料取代率与裂纹分形几何特征的物理关系，论证了裂纹形态自相似性与分形几何及多重分形参数的发展规律，探讨了分形维数、多重分形指标与再生粗骨料取代率和再生混凝土破坏强度的关系；最后在Eibl弹簧-摩擦块模型的基础上，建立了再生混凝土弹簧-摩擦块-滑移控制器断裂模型，并发展了弹性、塑性状态下的再生、普通及高强混凝土的不同表达形式，通过定义分形损伤变量，建立了基于能量原理的适用于再生混凝土材料的单轴受力分形损伤本构模型，继而发展了综合考虑强度等级的再生混凝土综合损伤本构模型。项目从本质上改变了基于Griffith经典断裂力学进行的传统混凝土研究，将裂纹平滑的假定发展至不规则裂纹状态，进而发展了再生混凝土材料宏细观多尺度范围内的分形损伤本构理论。实现材料细观损伤断裂全过程的准确描述，对再生混凝土材料力学性能研究及未来广泛应用具有现实意义。