跨原子-连续介质水泥基材料应变率效应形成机制研究

The physical mechanisms for rate effect of the mechanical properties of cement-based materials can not obtained from phenomenological research at macro, meso and micro scale. The relevant research should been carried out on nano-scale (atom state). Based on the quantum mechanics for ab initio, the non-fixed C-S-H gel model is established for describing the mechanical properties of cement-based materials by the molecular dynamics simulations. The controlling mechanisms of thermal activation and phonon damping on atom state for strain rate effects are illustrated. The influencing characteristics of water molecule (Capillary suction and Stefan effect), temperature, porosity, interfacial zone and size effect on strain rate effect are clarified, and the acting rules of inertial effect are investigated in this project. The measuring techniques for dynamic mechanical properties of cement-based materials at nano-scale are developed, and multi-scale dynamic mechanical tests combined with macro test are carried out. The test results are verified with results from numerical simulations. The calculating methods for the dynamic mechanical properties of cement-based materials from multi-scales (macro, meso, micro, submicro, and nano) will be proposed in this project. Based on the above researches, the physical mechanisms for the strain rate effects of cement-based materials is revealed, and multi-scale predicted models for dynamic mechanical properties from atom to continuous medium are presented. This project is an interdisciplinary and fundamental investigation, and can provide a new research method for assessing the dynamic mechanical properties of cement-based materials and damage evolution of civil infrastructure under strong earthquake and wind.

水泥基材料力学性能应变率效应属性的物理机制，无法从宏-细-微观唯像研究中获得，需要从纳米尺度（原子态）开展研究。本项目拟基于量子力学的分子动力学模拟条件下"从头算"，构建适用于描述材料力学性能的无定形C-S-H 凝胶结构模型；阐明原子态热活化、声子阻尼对应变率效应的控制机制；厘清水分子（毛细吸力、Stefan 效应）、温度、孔隙率、界面和尺寸效应对应变率效应的影响机制；探明惯性效应对应变率效应的作用规律；开发纳米尺度材料动态力学性能测试技术，结合宏观试验开展材料跨尺度动态性能测试，并与数值模拟相验证；开发水泥基材料动态力学性能多尺度（宏观、细观、微观、亚微观、纳观）计算方法；基于上述研究，揭示水泥基材料率效应形成的物理机制，建立水泥基材料动态力学性能跨原子-连续介质多尺度计算模型。本课题是一项跨学科基础性研究，为正确评价水泥基材料动态力学性能以及防止重大工程动力灾变探索一种崭新的研究手段。

防止重大工程遭受地震、爆炸、撞击、强／台风等强动载作用导致动力灾变，混凝土材料动态力学性能研究是关键环节之一。混凝土材料力学性能应变率效应的物理机制，需要从原子尺度开展研究。主要研究内容为：构建新型力学性能C-S-H凝胶结构模型，C-S-H凝胶原子态应变率效应形成机制，亚微观、纳观尺度条件下多因素对水泥基材料应变率效应影响机理和规律，以及水泥基材料动态力学性能跨原子-连续介质多尺度计算方法模型。主要研究成果为：. （1）提出了一种新型C-S-H结构模型，化学表达式为(CaO)1.64(SiO2)•(H2O)1.79，结构的钙硅比为1.64，Qn系数为Q0=4.5%，Q1=63.6%，Q2=31.8%，密度为2.55g/cm3，均符合材料性能要求，力学性能模拟与试验结果相吻合。. （2）C-S-H抗拉强度应变率效应是其材料的基本属性，不是仅由惯性效应导致的。快速拉伸C-S-H，弥散式损伤发展使材料结构内部发生显著的应力重分布，局部应力集中得以缓解，结构内部应力状态和变形趋于均匀，可以承受更大荷载，具有更高的强度。. （3）建立了C-S-H吸水后复合体内部水与基体相互作用机理模型，从原子尺度揭示了含水量对C-S-H动强度的影响机理，并基于Morse势函数提出能描述水分对C-S-H影响的动态拉伸本构方程，C-S-H应变率敏感性随着饱和度增加而增强。. （4）开发了一种以微细橡胶颗粒模拟水泥基材料内部不同孔径及孔隙率的试验研究技术，建立一套考虑不同孔径范围的多参数静力强度模型、强度-孔隙率模型和DIF-孔隙率模型。水泥基材料静动态抗压、劈拉强度随着孔隙率增大而下降，但DIF有所上升。. （5）应用分子动力学方法计算水泥浆组分力学常量，采用均匀化方法将各组分力学性能进行跨尺度耦合，获得水泥浆体、砂浆和混凝土的弹性模量、泊松比和抗拉强度，建立了水泥基材料动态力学性能跨原子-连续介质多尺度计算方法及模型。. 本课题是一项跨学科基础性研究，为正确评价水泥基材料动态力学性能提供一种崭新的研究手段。研究成果对防止重大工程动力灾变，保证人民生命财产安全具有重要的理论意义和工程实际应用价值。