基于统计损伤理论的绿色再生混凝土多尺度损伤断裂机制及本构模型研究

Garbage surrounding cities is becoming more severe，and the resource utilization is increasingly paid great attention by the country. Development of green recycled concrete is an effective measure to deal with waste concrete. The accurate description to the mechanical properties and the deformation and failure law of concrete material，is the theoretical basis to the development of high performance concrete and the safety evaluation for concrete projects. In this project, the multi-scale methods of macro-micro combined would be used for the study on the green recycled concrete, such as the experimental observation, the statistical damage theory and the numerical simulation. The meso-damage evolution mechanism and local failure law of different types of concrete materials would be studied, and the influence mechanism of additives type and content on the mechanical properties of concrete would be revealed. The relationship between the meso-damage evolution mechanism and the macroscopic nonlinear mechanical behavior would be set up. A unified concrete damage constitutive model with meso-damage mechanism would be developed. Through the implementation of the project, the technology of green high performance recycled concrete would be developed, and it will promote the resource utilization of construction waste in the field of eco-hydrology engineering. A novel research framework of the concrete damage theory and the concrete structural safety evaluation system based on the micro-macro interactive mechanism would be preliminary established, which would provide new ideas for the research on the disaster simulation analysis of concrete structures.

建筑垃圾围城现象日益严峻，建筑垃圾的资源化治理工作日益受到国家的高度重视，发展绿色再生混凝土技术是处理废弃混凝土的有效措施。准确把握混凝土材料力学性能及变形破坏规律，是制备高性能混凝土以及保证混凝土工程结构安全的理论基础。本项目采用宏-细观多尺度研究方法，通过试验观测、理论分析、数值模拟等多种研究手段，以绿色再生混凝土作为切入点，研究混凝土材料细观损伤演化机制和局部破坏规律，揭示添加物质类型及含量对混凝土力学性能的影响机制；构建宏观非线性力学行为同细观损伤机制之间的联系，建立反映细观损伤机制的混凝土损伤本构模型，发展混凝土结构精细化数值模拟技术。通过本项目的实施，发展绿色高性能再生混凝土技术，促进建筑垃圾在生态水利工程中的资源化利用；构建基于微结构与宏观性能互动原理的混凝土多尺度损伤理论和混凝土结构安全评价体系，为混凝土结构灾变全过程仿真分析及灾害机理研究提供理论基础。

通过“材料试验——理论分析——数值模拟”的技术路线，以再生混凝土作为切入点，研究不同类型混凝土材料的渐进损伤破坏规律，分析各种类型添加因素对混凝土基体力学性能的影响机制以及对宏观本构行为的影响规律，发展混凝土非线性破坏过程精细化数值模拟技术。理论研究方面，进一步完善了统计损伤理论体系，将混凝土变形破坏过程理解为材料系统通过自身潜在力学性能不断释放以适应外界荷载环境变化的自组织行为。提出“天花板”理论，用于分析复杂环境和多因素影响下混凝土细观损伤演化机制；建立了考虑硫酸盐侵蚀、高温、围压、应变率等多因素影响的混凝土细观统计损伤模型，通过考虑断裂和屈服两种细观损伤模式（分别与微结构的“劣化”和“强化”效应相对应），构建了统一的损伤本构形式。材料试验方面，开展了再生混凝土力学性能试验，研究了再生骨料、粉煤灰、硅粉、龄期、动态应变率、冻融循环等因素对再生混凝土力学性能的影响规律，观测再生混凝土变形破坏特征，获得应力-应变全曲线；利用声发射、核磁共振等技术观测再生混凝土微结构组成、孔隙特征和微裂纹扩展规律。结合统计损伤理论分析多因素所引起的物理化学机理、细观损伤机制与宏观非线性本构行为之间的联系。开展了再生混凝土透水性能试验，研究了再生骨料替代率、水泥含量、搅拌工艺对混凝土孔隙率和透水性能的影响规律。开展纤维改性再生透水混凝土的强度、透水性和耐磨性试验，建议了聚丙烯纤维、碳纤维的最优掺配比。数值模拟方面，通过本构模型二次开发，建立混凝土有限元精细化分析模型，通过记录细观断裂、屈服损伤的非均质演化过程，准确描述混凝土损伤累积阶段复杂的本构行为。通过开展混凝土梁变形破坏过程的数值模拟，验证模型的合理性；最后开展了大坝结构变形破坏过程数值模拟，分析了坝体损伤机制合破坏路径。通过本项目的研究，为绿色高性能混凝土技术的发展以及混凝土结构破坏过程仿真分析提供有效的分析方法和理论基础。