水泥基材料内部非均匀应力/应变的表征与模拟及其对裂缝形成与扩展的影响

The internal strain/stress caused by the external loading and self volume deformation is the primary reason for the cracking in cement based materials. However, due to the non-uniform and timeliness characteristics of cement based materials, the distribution of internal strain/stress is also non-uniform and changes with time; further, the internal strain/stress is influenced by the pre-embedded sensors. The previous studies mainly illustrated the influence of internal strain/stress on the cracking in cement based materials from a macro level, and the non-uniform and local strain/stress was seldom investigated. On the basis of the previous investigations about the internal non-uniform volume deformation by applying digital image correlation (DIC) method, the applicant proposed to use the numerical modeling combined with DIC method to analyze the non-uniform strain/stress and illustrate its influence on the formation and development of cracks in cement based materials. Lattice model will be used to simulate the multi-scale structure and internal strain/stress in cement based materials under different external conditions; meanwhile, based on the analysis on the physical properties of cement paste at early age, the propagation principle of cracks in cement based materials will be established. By combined with the non-uniform deformation data derived from DIC method, the relationship among the external conditions, material compositions, internal stress/strain and cracks in cement based materials will be established in order to provide the theoretical guidance for reducing the cracking in cement based materials.

外界荷载和自身体积变形在水泥基材料内部所引起的应力/应变是造成其开裂的根本原因，然而由于水泥基材料具有非均质性、时效性等特点，其内部应力/应变呈现非均匀性分布、随时间变化且易受外加传感器影响。现有研究多从宏观层次阐述水泥基材料内部应力/应变对开裂的影响，缺乏对其非均匀性、局部性的研究。在采用数字图像相关法（DIC）研究水泥基材料内部非均匀变形等前期工作基础上，申请人提出通过数值建模结合DIC技术，研究水泥基材料内部的非均匀应力/应变，探讨其对裂缝形成和扩展的影响。拟采用Lattice模型对水泥基材料的多尺度结构及外界条件下其内部的应力/应变进行模拟；同时通过对早期浆体的物理性质进行分析，建立水泥基材料中裂缝的扩展准则。结合DIC非均匀变形的数据，建立外界条件、材料组成、水泥基材料内部应力/应变和裂缝之间的关系，为减少水泥基材料的开裂提供理论指导。

水泥基材料裂缝的控制是建筑工程中亟待解决的重大课题。外界荷载和自身体积变形在水泥基材料内部所引起的应力/应变是造成其开裂的根本原因。现有研究多从宏观层次阐述水泥基材料内部应力/应变对开裂的影响，缺乏对其非均匀性、局部性的研究。本项目建立了水泥基材料内部非均匀应力/应变定量表征的新方法，结合计算机模拟阐明了水泥基材料内部非均匀应力/应变与微裂缝形成与扩展的交互作用机制，为水泥基材料裂缝的控制提供理论指导。取得的主要进展如下：. （1）采用Lattice模型模拟混凝土内部非均匀应力/应变和微裂缝形成与扩展的动态变化过程，并基于非均匀应变和微裂缝实验数据进行验证、反馈和修正。该项进展为研究水泥基材料内部非均匀应力/应变提供新方法。. （2）基于Mazars混凝土细观损伤模型，分析3D-DIC获得的混凝土内部非均匀应变数据，确定混凝土内部损伤的分布特征，并提出混凝土损伤因子，用于量化混凝土内部损伤。研究表明，损伤因子与Lattice模型模拟的微裂缝面积线性相关，说明损伤因子能较好反映混凝土损伤程度。该项进展为研究水泥基材料内部微裂缝形成与扩展以及损伤提供新方法。. （3）分析了混凝土内部应力/应变集中区域随着微裂缝形成与扩展的动态变化。研究表明混凝土内部应力/应变集中区域易导致微裂缝的形成，而微裂缝的形成会重分布应力，改变应力集中区域，产生新的微裂缝。该项进展为研究水泥基材料内部微裂缝形成与扩展以及损伤提供了新原理。.基于上述研究结果，在Cement and Concrete Composites、Materials and Design、Powder Technology、硅酸盐学报等本行业权威期刊上发表学术论文6篇（SCI收录4篇，EI收录2篇），累计被引用30余次，申请发明专利2项，获得软件著作权1项。水泥基材料内部非均匀应力/应变表征新方法等进展受到荷兰代尔夫特理工大学Microlab实验室Erik Schlangen教授、中交四航工程研究院有限公司、西卡中国有限公司等著名专家与企业高度认可，并合作开展混凝土裂缝控制的研究，具有较强的工程应用价值。