利用细观力学模型对轻骨料破坏强度进行微观分析与识别外文翻译资料

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利用细观力学模型对轻骨料破坏强度进行微观分析与识别

摘要

这项工作是基于实验和细观力学模型这两种方法来对轻骨料混凝土破坏性能进行描述。由五个类别的轻骨料混凝土和三种砂浆基质组合的许多种轻骨料(正常、高性能（HP）和非常高的性能（VHP）)混凝土被进行测试。细观力学模型是基于迭代均匀质法和相关局部化：在单轴压缩测试时的局部应力分布可以通过轻集料混凝土的组成及其接触面进行预测，利用人造的16times;32cm的圆柱体模型对其实验抗压强度进行测量。通过细观力学建模和实验测试之间的对比来确定很难去测定的轻骨料的破坏强度和相关方法的不准确性。这些相关的轻骨料破坏值被引入到一个破坏标准模型中:相应的轻骨料混凝土的抗压强度与实验测试的结果基本一致。

1. 介绍

对高性能混凝土技术的探索发展了轻骨料混凝土，这种混凝土由于自重轻而被广泛运用在高层建筑，大跨度桥梁结构或海上平台上。轻骨料混凝土有更好的隔热和隔声性能，同时还有更好的耐冻性和防火性。轻骨料混凝土失效机理不同于普通混凝土的失效机理：轻骨料混凝土的最弱部分基质也不是想对界限区(ITZ)而是其骨料。对于含骨料强度大于基质的混凝土，砂浆的开裂发生在与水泥浆的分离的骨料颗粒的周围。对于大多数轻骨料混凝土，破坏界面通过轻骨料进行扩大，以至于轻集料混凝土的承载力受到轻骨料的质量的强烈影响。

这样的轻骨料混凝土的机械性能不仅受基质的质量，而且还由轻骨料在混凝土中的体积及其力学性能决定。

通过被烘干轻骨料混凝土的密度及其经验关系式去估计抗压强度不能反映引发其破坏的不同机理。这些估计是统计性结论，不能代表混凝土混合料的多样性（体积分数，刚度和轻骨料的强度）或去解释的轻集料混凝土的相应不同失效机理。我们决定在工作中使用多样化方法，这种方法考虑到不同组分的比例以及它们各自的力学性能。除了对已经观察到的宏观性能的预测，这种模型也能建立对轻骨料微观结构性能的鉴别过程，该很难通过实验来测量。

轻骨料的抗压强度能通过不同的实验方法来进行估算。LCPC实验中心发明的压碎实验提供了通用的骨料强度。这个测试测力需要通过压缩器压下颗粒材料20mm得到数据。CSTB实验室通过这种静水压力测试测量对静水压力（爆破压力）的承载力。ARMINES实验室发明的线性测试给出了被劈裂时的拉伸强度。然而，在混凝土中轻骨料的破坏形态（通过压缩测试）不同于其在这些测量方法时的破坏形态，这种不同导致了对轻骨料强度估计的不充分性，因而造成了在用微观力学模型对轻骨料混凝土压缩强度的错误。轻骨料强度的正确修正值帮助改善了对轻骨料混凝土破坏强度的预测。

近五十年来许多均匀化的方法被发明而且关于不均匀材料的经典推论被提出，例如，1957年的Eshelby，1984年的Weng，1992年的Sanchez-Hubert and Sanchez-Palencia和1999年的Nemat-Nasser and Hori均有成果。基于材料的对水泥的多种方法的推论是可行的，如2002年的Hashin and Monteiro , 2007年的Grondin et al，2006年的Dormieux et al，2010年的 Ke et al和2007年的Sanahuja et al等人均进行了分析。一些学者也提出了使用微观层面的方案预测失效混凝土的强度，例如1996年的Mori–Tanaka方法(被Yang and Huang提出）， 或者De Larrard模型(被De Larrard于1995年提出），我们选择运用迭代均匀质法进行试验(Ke et al., 2010; Zouari et al., 2008)。其优点是能够获得处于任何类型荷载下的混凝土成分的详细的微观表现。在这篇论文中，我们首先介绍了被测试的不同种类的轻骨料混凝土，这些轻骨料混凝土由三种类型的砂浆（正常、高强和超高强）同五种类型的轻骨料（三种扩展粘土和两种扩展页岩）组成(Ke, 2008a)。共进行了60种不同类型的轻骨料混凝土的实验测试。对于轻骨料混凝土发明了多尺度建模以配合与实验观察(Ke et al., 2009; Ke et al., 2006）。均匀质方案被运用于在砂浆、骨料以及它们的界面上确定其微观应力分布。宏观单轴压缩局部化是由静力荷载产生的均布应力与单纯的剪切共同作用的结果(Ke, 2008b).。混凝土各组分的特性以及对其各自比例的灵敏度分析正在研究之中。局部应力的不同表现被描绘来描述混凝土中微观结构的破坏过程。再加上屈服法则，通过一个相反的方案，这种被建议的局部方法去鉴别很难通过实验来测定的轻骨料的失效强度。这种内在的值被用来预测所有被研究的轻骨料混凝土的抗压强度。最后将数值模拟和实验结果与其他从书面研究提取的模型进行比较。

1. 对轻骨料混凝土的研究

2.1骨料，砂浆和混凝土的介绍

五种类型的轻骨料被使用：三种类型的准球形形状的膨胀粘土骨料(0/4 650 A, 4/10 550 A, 4/10 430 A)和两种类型的形状不规则的页岩陶粒骨料(4/10 520 S, 4/8 750 S) (Ke et al., 2009)。被使用的三种砂浆(分别被称为M8, M9 和M10) 被波特兰水泥CEM I 52.5 (C)和 0/2毫米的普通砂混合。它们分别对应于正常的基质，高性能的（HP）基质和非常高的性能（VHP）的基质。这三种砂浆基质分别根据不同水胶比（W / C）和硅灰（SF）的百分比含量被加入水泥。(Ke, 2008b)。它们的组成和机械性能见表一。

表一

三种砂浆基质的组成及机械性能

用类似的砂浆基质但不同比例的轻骨料制作这些16times;32厘米的圆柱形样本。骨料的体积分数（CA）从0.125变化到0.45，相应的混凝土被标记为C0.125，C0.25，C0.375和C0.45(C0对应于砂浆基质)。添加到M9，M10砂浆的高效减水剂的比例（SP）应进行调整以确保所有类别的人造轻骨料混凝土有相同的降低。

2.2轻骨料的物理性能

在这一节中，展现了五种类别的轻骨料的密度以及从传统经验公式引申的相应的抗压强度f_a(Arnould and Virlogeux, 1986)。由于轻骨料的几何形状和尺寸，去切割合适尺寸的样本以实现在骨料上的机械测试是不可能的。已经进行了许多的实验来研究混凝土的力学性能特征：如破碎试验、水压试验、钢丝拉伸试验等等(Arnould and Virlogeux, 1986)。在实践中，骨料压碎试验是按规范（EN-13055-1）推荐的程序和唯一广泛使用的试验（因其易于执行）去估算与轻骨料密度相关联的骨料抗压强度f_a。线圈实验是在钢丝上应用一个牵引荷载从而在轻骨料的周围形成一个圈;对该线圈的抗拉强度f_at能通过轻骨料的密度估算出来（见等式2）

(1)

(2)

所研究轻骨料的体积密度、颗粒干密度及其根据经验公式(等式1和2)得到的强度见表2。它们能通过厂商(EN 13055)给的抗压强度值进行比较。

表二

轻骨料的体积密度、干密度和经验强度

2.3轻骨料混凝土的抗压强度

根据EN 12390，对所有的试样进行单轴压缩实验以便于确定60个被研究的轻骨料混凝土的抗压强度f_c。对于每个轻骨料混凝土C_j有三个样本被制造和试验，而且表三给出了三组测试的平均值。这些大量的测量研究包含了对的不同类型轻骨料及它们各自不同体积分数的研究。

存在几个经验关系的联系，例如：混凝土的抗压强度f_c与骨料强度f_a或混凝土的烘干密度之间的联系(Arnould and Virlogeux, 1986)。由于轻骨料类型不同，轻骨料混凝土的强度也多样，其中一种对于轻骨料混凝土抗压强度f_c与组成骨料f_a的联系预测(Lo et al., 2004; Lo et al., 2007)，如阿诺德和virlogeux提出了下列经验公式：

其中f_c[MPa]代表混凝土养护28天的平均抗压强度设计值,f_{a t}代表通过线圈拉伸实验确定的抵抗力（表2），w_2h代表轻骨料在侵水两小时后的吸水率。公式3对五个类别的轻骨料混凝土进行了测试。轻骨料混凝土经验估算的抗压强度（等式3）及由实验测得的抗压强度之间的比较见图1。

w_2h值由实测值中的一个w_30mn通过公式

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