基于微观结构混凝土早期动态力学响应机理研究

The dynamic behavior of roadway support structure at the early age under blasting loading is much different from stability aged-dynamic behavior. An important influential factor is the microstructure of early age concrete varying with ages. In order to predict the early stage aged-dynamic behavior of concrete accurately under dynamic loading, the variation of microstructure need to be taken into consideration in analytical and numerical simulation. The experiments of uniaxial compression test performed on Split Hopkinson pressure bar equipment include the observation of mechanical properties and failure mode of different age concrete. Given the variation characteristics of the mechanical property of concrete and our investigation on its microstructure by scanning electron microscopy and theoretical analysis, the viscous characteristics will be obtained via a viscous coefficient determination method, which is established in this project using three dimensional P-wave and one-dimensional longitudinal wave theories of ultrasonic wave. The numerical simulation is herein conducted to investigate the influence of strain rate, viscosity, inertia and Stefan in dynamic mechanical properties of concrete when the microscopic structure changes. Finally, the reveal of the response mechanisms by theoretical analysis and summarizes of the influences of the variation of microstructure in mechanical properties of the early age concrete under the dynamic load, is bound to provide a theoretical and technical support for application of concrete in roadway.

爆破开挖等动载荷作用下早期混凝土巷道支护结构的动态响应不同于稳定混凝土。其中一个重要的影响因素是混凝土早期微观结构随龄期变化。为了准确分析动荷载下早期混凝土响应特征，在分析和数值模拟中需要对微观结构变化的影响加以考虑。本课题拟利用分离式霍普金生压杆试验平台对早期混凝土进行单轴压缩试验，观察和分析不同龄期混凝土力学特性和破坏特征。针对混凝土早期微观结构变化特点，以电镜扫描和理论分析获取混凝土早期微观结构特征为基础，结合超声波三维纵波和一维纵波理论建立即时粘性系数测试方法，获得基于微观结构的混凝土早期粘性特征。采用数值模拟手段，探究不同微观结构下应变率效应、粘性效应、惯性效应和Stefan效应对混凝土动态力学特性的影响。在试验和数值模拟的基础上，通过理论分析总结归纳微观结构变化对动载荷下混凝土早期力学特性的作用机制，揭示动荷载下混凝土早期力学响应机理，为巷道工程支护设计和施工提供理论依据。

爆破开挖等动载荷作用下早期混凝土巷道支护结构的动态响应不同于稳定龄期混凝土。其中一个重要的影响因素是混凝土早期微观结构随龄期变化。为了准确分析动荷载下早期混凝土响应特征，在分析和数值模拟中需要对微观结构变化的影响加以考虑。本课题拟利用分离式霍普金森压杆实验平台对早期混凝土（C30、C40和C50）进行冲击试验，观察和分析不同龄期混凝土力学特性和破坏特征。研究表明，不同龄期下混凝土动态强度和变形随着应变率的增加而增加，动态强度随应变率呈乘幂函数关系增长，随着龄期的增长和混凝土强度的提高，乘幂指数均下降；混凝土在7天前具有粘弹性，变形能力好，对入射能的敏感性低。之后混凝土开始表现出准脆性材料的特性，并且对入射能的敏感性随着龄期的增长而提高。早期冲击入射能对养护后稳定龄期混凝土力学影响的阈值随着龄期的变化而变化：龄期7天以前，阈值为临界破坏能量的50％，而7天后为75％；不同龄期混凝土破坏模式相近，均为拉伸破坏为主，且裂纹出现、扩展和贯通时间相近，龄期7天以前，呈现碎而不裂的现象，龄期7天以后剪切裂纹增多；提出了快速测量混凝土粘性系数的方法，并结合力学特性和微观特征，提出了基于Weibull分布的损伤本构模型，该模型能较好的反映混凝土动态力学随龄期变化的特征，并与实验数据相符；在三维球单元DDA力学框架内，引入圆杆作为颗粒之间的粘结单元，在力学计算过程中通过细观层次粘结单元破坏的累积来体现计算模型的宏观破坏，从而形成能够模拟岩体等脆性材料在动载、静载下裂纹萌生逐渐发展到破坏的全过程的数值模型。