混凝土硬化过程中细观应力和微裂纹的演化机理及影响

Mesoscopic stress and micro crack produced in the process of concrete hardening contribute significantly to its mesoscopic heterogeneity. The distribution of mesoscopic stress and micro crack governs concrete’s macro strength and failure pattern, making the evolution mechanism to be one of the challenging issues in the field of concrete meso-mechanics research. This proposal plans (1) to scan the shape of real coarse aggregates with the 3D laser scanner, then to establish a digital aggregate database; (2)to construct the digital concrete specimens by a new digital casting manner based on 3D DDA method; (3) to obtain the thermal and mechanical parameters of coarse aggregates and motar through material tests, so as to simulate the mesoscopic time-dependent temperature, deformation, stress and micro crack propagation during the hardening of concrete; (4) to explore the effect of concrete hardening on its macro strength at different age. This research is expected to explain the evolution mechanism of mesoscopic stress and micro crack propagation in the process concrete hardening, to clarify its effect on macro mechanical characteristics of concrete, and to reveal the mesoscopic mechanism of concrete cracking. This study will deepen the understanding of macro cracking mechanism and mechanical principle of concrete, and further extend the theory and method of concrete meso-mechanicals. It is also practically important to technically support the optimizing design of concrete mix portion and enhancing the capability of anti- cracking of concrete so as to ensure dam safety.

混凝土硬化过程产生的细观应力和微裂纹是细观不均匀性的重要来源，其分布决定了混凝土宏观强度，其演化机理是混凝土细观力学研究的关键科学问题之一。本项目拟(1)采用三维激光扫描仪扫描真实粗骨料形状，建立数字骨料库；(2)研究基于三维DDA的数字试件成型方法，建立混凝土数字试件；(3)通过室内试验取得骨料和砂浆的力学热学参数，采用损伤有限元法模拟混凝土硬化过程中细观温度、变形、应力的时变过程和微裂纹的扩展过程，(4)进而研究硬化过程对混凝土不同龄期宏观强度的影响规律。通过本研究，阐明混凝土硬化过程中细观应力和微裂纹的演化机理，明确硬化过程对混凝土宏观力学特性的影响，揭示诱发混凝土开裂的细观力学机制。本研究将有助于深入理解混凝土开裂规律及宏观强度特性，丰富并发展混凝土细观力学理论和方法，具有重要的科学意义；同时也为优化混凝土配合比设计、提高混凝土抗裂能力、保证大坝安全等提供科技支撑，具有重要应用价值

混凝土是一种典型的硬化性材料。在混凝土硬化过程中，水泥浆体的收缩变形会在混凝土内部产生自生应力和微裂缝。开展混凝土硬化过程中细观应力和微裂纹的演化机理及影响研究，可以从形成机理上探索细观层面不均匀性的成因，进而深入理解混凝土开裂规律和宏观强度特性。本项目围绕这一主题开展研究，在混凝土细观几何模型建立、细观力学计算参数取值、混凝土细观尺度硬化过程模拟方法等方面提出了相应的解决方法，并开发了相关程序。在此基础上，研究了混凝土自生微裂缝对混凝土宏观力学特性的影响。本项目的主要成果和结论有：（1）本项目提出了基于非连续变形分析方法（DDA）的混凝土细观数字试件构型方法。结合骨料生成技术、DDA骨料投放技术和网格剖分工具开发了数值混凝土建模平台。通过二维和三维投放算例，证明了该投放方法可以实现全级配、复杂形状骨料的高含量投放，其中二维骨料投放含量可达0.85以上，三维骨料投放含量可达0.75以上，超过了传统随机投放的最高值。（2）本项目通过将混凝土温度应力计算理论与细观力学理论相结合，提出了混凝土细观硬化损伤的数值模拟方法，给出了有限元计算公式，并开发了相关计算程序。通过早龄期温度应力试验、徐变断裂试验和干缩微裂缝试验等一系列试验，验证了计算方法的适用性。（3）开展了混凝土硬化过程数值模拟研究。研究发现砂浆界面上自生应力的概率分布基本呈正态分布形式，应力系数的标准差基本稳定在0.22左右，而应力系数的均值与骨料含量、砂浆-骨料弹模比密切相关。混凝土自生微裂缝的数量与长度基本呈指数型关系，短缝的数量远多于长缝，界面微裂缝的分布密度远大于砂浆微裂缝的分布密度。自生微裂缝的分布密度与自生变形大小基本呈线性关系。自生微裂缝对混凝土的破坏模式有明显劣化影响，降低了混凝土的强度和弹模。混凝土自生微裂缝分布密度随龄期增长而增长，界面强度、徐变和自生体积变形对微裂缝的增加或减少有显著影响。