基于微观力学模型对轻骨料混凝土及其界面过渡区的微观结构特征的识别外文翻译资料

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基于微观力学模型对轻骨料混凝土及其界面过渡区的微观结构特征的识别

摘要

为了描述轻骨料混凝土(LWAC)的弹性性能，一种结合了试验手段和微观力学模型的方法被研发出来。在这其中有超过300多种LWAC试样参与了测试，试样由多种不同类型（5种）的轻型骨料组成，它们具有不同的体积分数以及三种不同的砂浆基质（正常，高强度，超高强度）。这个模型基于迭代均质化方法的使用，还包括运用电子扫描显微镜对ITZ特征的观察。为了与试验结果相比对，混合料配合比设计参数以及界面过渡区对混凝土力学性能的影响都被定量化分析。与试验测试结果相冲突，是由于考虑到轻骨料的弹性模量的影响，而它又是很难通过试验测量出来的。这种基于微观力学模型的计算方法对于轻骨料混凝土弹性性能的预测与最终试验测量结果吻合良好，反之，传统的经验公式则不够精确。

【关键词】轻骨料混凝土（LWAC） 界面过渡区（ITZ） 弹性模量 复合材料 模型

1.绪论

近年来，随着高强混凝土科技的发展，轻骨料混凝土借助于它的众多优点如：轻质、加强后的隔热和隔音功能、更强的抗霜冻和抗火性又重新获得了人们浓厚的兴趣。轻骨料混凝土被应用于以下几个方面^[1]，比如：高层建筑、大跨度桥梁^[2]、海上平台^[3]以及房屋的保温和隔音构件。生产的轻骨料由天然材料制成，这些材料有粘土、页岩、板岩、蛭石、珍珠岩等，甚至还有一些工业副产品，比如：高炉矿渣、粉煤灰或发泡聚苯乙烯。在法国，最常用的LWAs是人造膨胀粘土或膨胀页岩。这些骨料的弹性性能难以通过实验手段测定，因为像单轴压缩和超声波这样的力学测试，它需要抛光颗粒。而抛光则除去了颗粒的外层保护壳，进而造成了轻骨料弹性性能的缺失。所以其弹性性能通常由骨料的干体积密度来评定，但相应的杨氏模量又不够精确，从而导致错误的预测混凝土的宏观性能。

因此，为了在其密度/力学性能比上优化配合比设计，很有意义去改进对于不同组分对LWACs力学性能的影响（质量、比例）的认识。一种双重方法是在耦合试验研究与数值模拟的条件下进行。根据微观结构试验观察到的特异性，一种针对于LWACs的多尺度模型被开发出来了。联合方法的意义在于将不同组分的质量和比例同LWACs的强度和刚度相联系起来。此外，仿真手段对于减少试验配合比设计研究的费用与耗时很有意义。再者，多尺度模型还将考虑到识别LWAC的微观结构特性（LWA的杨氏模量，界面区的杨氏模量和刚度），而这些特性很难准确的测量出来；这就使得一些固有内力的计算有了更好的精确性，从而在试验中能够更好的预测其宏观性能。我们将在此项工作中应用到迭代均匀化方法^[1,4]。均匀化方法被广泛运用于预测许多复合型材料的性能^[5-7]，特别是对于混凝土^[8-10]。通过逆方法，它们也被用于区确定各相的局部性能^[11,12]。尽管许多参考文献上都运用到这种方法，但仅限于胶凝材料^[13,14]，很少用于轻骨料混凝土。均匀化方法包括定义混凝土的等效均匀性能，主要根据以下两个方面：一是根据砂浆基质、骨料和ITZ的特性，二是根据它们各自的占比。均匀化模型需要知道微观结构的特性，而且它对于掺入的强化物配合比以及各相性能的不同点十分敏感。

三种类型的膨胀粘土骨料，两种类型的膨胀页岩骨料还有三种不同的砂浆基质，正常、高强（HP）、超高强（VHP），都被用于实现混凝土试样的制作。对于所有被研究的混凝土试样，它们各自组分的弹性特征都会被测出，并且会呈现在第一部分。配合比设计的一个例子被明确制定好了。在第二部分，这些已测的宏观弹性性能会跟预测结果相比对，而这些结果是基于双组分方案通过传统的均匀化模型而得到的^[15,16]。文献中各种不同精密的模型都得到实施^[17–20]。它们对于LWAC性能的预测结果显示了不同方法之间的巨大差距。特别是当掺入的强化物的体积分数超过40%时，还有就是当各相之间的对比差异加大时。为了扩大对于LWAC性能预测有效性的范围，一种迭代程序与传统的均匀化模型相耦合^[1,4]。由此产生的改进后的数值模拟工具对于LWAC的有效性能来说是一种独一无二的预测手段，而且它的效率是显而易见的。此外，为了在此模型中引入更为准确的参数，迭代均匀化法还通过逆向方法用于去确定轻骨料的杨氏模量。文中将谈及一个反演，这个反演是由一个基于双组分模型的识别引出^[21]。为了去预测试验中LWAC的性能，以及开发一个确定微观结构特性的程序，在已选的模型中引入界面过渡区（ITZ）的概念看起来似乎很有必要。界面过渡性能可以通过渐近方法介绍^[22]（界面没有厚度），或是通过三相模型的方法^[12,23]，再或者是通过基于材料不连续的有限元数值程序来介绍^[24]。过渡区在LWACs中位于骨料和水泥浆之间，而关于它的描述是通过电子扫描显微镜的观察来研究进行的，这些会在第三部分呈现。根据这些实验观察，微观力学模型和识别策略的改进将会在第四部分和最后一部分介绍说明。改进后的迭代均匀化法是基于三相模型构想，并用于将LWA 和ITZ 的特征视作为微观结构的特征。最终，根据与实验结果的冲突，将会揭示和讨论三相迭代方案和微观结构识别的各自贡献。

2.试验中参与测试的轻骨料和混凝土

在这个试验研究中共用到了五组轻骨料，它们分别是：三种准球形的膨胀粘土骨料（0/4650A,4/10550A,4/10430A）和两种不规则形状的膨胀页岩骨料(4/10520 S, 4/8 750 S)。三种用到的砂浆（分别被称为：M8、M9和M10）是由CEM I 52.5的波特兰水泥砂浆和0/2 mm的普通沙制成。该系列ϕ 16times;32 cm的圆柱形试样是由类似的基质制作，但是所用到的轻骨料是不同的。骨料的体积分数（C_a）由0.125到0.45不等，相应的混凝土被称作：C_0.125、C_0.25、C_0.375和C_0.45，因此C₀代表的就是砂浆基质。混合比和试验步骤的相关细节在参考文献[25]都找得到。样品将在水中养护27天，而在第28天，所有的试样将会进行单轴压缩试验。根据LCPC^[26]的建议，样本会承受循环交替荷载三个周期，荷载大小从0.5 MPa到极限荷载的三分之一。砂浆和轻骨料混凝土的杨氏模量是通过第二个和第三个荷载周期曲线的斜率确定的。所有测试的公式和试验结果在[1]中都能够找到。接下来的段落将会揭示一些详细的内容，这些包括：混合配比、轻骨料的特性以及测量的LWAC的弹性性能。

2.1.组分和配合比的介绍

对于所有用给定基质制成的混凝土来说，关于配合比，W/C、W/(C SF)和S/C（W：水；C：水泥；S：砂；SF:硅粉）将保持为常量（表 1），S/C等于1.4。为了确保对于所有的LWACs有相同的衰减程度，添加到M9和M10砂浆当中的减水剂的比例会相应的有所改变。对于M10基质，所添加的硅粉是水泥使用质量的10%。例如，在表1中写到了LWAC的配合比，LWAC是由骨料4/10 550 A制成。

三种砂浆基质的杨氏模量是通过试验确定的，其中M8的为28.6 GPa，M9的为33.2 GPa，M10的为35.4 GPa（表 3）。它们各自测量的抗压强度值分别为40 MPa、64 MPa和86 MPa^[27]，从而相应的砂浆被称为正常强度、高强度（HP）、超高强度（VHP）。

2.2.试验结果

总的来说，试验共研究了63组（共计300多个试样）LWACs，相应扩展的结果会在[1]中找到。通常应用与LWAs粒子干密度rho;_a相关的经验关系来估计骨料的杨氏模量。其上下限由试验测量结果确定，而限值之间的平均值由下列的式子（式（1））给出：

E_a = 8000 times; rho;_a² （1）

表2中给出了粘土和页岩骨料的干密度，还给出了弹性模量的上下限值和平均值(式(1))。

为了确定砂浆和LWACs的杨氏模量，所有的试样都会进行单轴压缩测试。所有LWAC杨氏模量的特性描述会考虑到研究它们对于各种不同的骨料和各自的体积分数的敏感度。对于每种C _j材料都有三件试样参与测试。表3中给出了相应的平均值。

随着骨料体积分数的增大，混凝土的杨氏模量随之下降：普通强度的M8从28,600 MPa下降至15,700 MPa；高强的M9从33,200 MPa下降至17,200MPa；超高强的M10会从35,400 MPa下降到20,100 MPa。对于一个给定百分比的骨料，无论是什么砂浆基质，4/8 750 S类型骨料的混凝土有更高的弹性模量。对于0/4 650 A类型骨料的混凝土，当它的基质为M8时具有最低的弹性模量。然而，随着砂浆基质刚度的增大（M9和M10），4/10 430 A骨料的混凝土拥有最低的弹性模量。这些测量结果会在接下来用于去研究一些经典均匀化模型的精准性，模型针对于LWAC弹性性能的特异性。

3.运用几种均匀化方案对试验结果的分析

在材料力学中，均匀化法的步骤就是利用等效均质材料去替换不均匀材料，而等效均质材料对宏观荷载各向响应相同。基于非均匀材料各相组分在微观层次上的性能定律，在宏观层次上等效性能定律才得以成立。对于混凝土材料，在微观层面砂浆基质和骨料是相互割裂开来的两部分，然而在宏观层面上，混凝土可以看作是均匀的，是一体的结构（混凝土梁或柱）。

50多年来，人们提出了许多均匀化方法，而它们的基本思路是一致的^[29–31]。非均匀材料的总体发展可以在参考文献[6,7,15,32,33]中找到。某些文稿如[9,34–37]，对于周期性的均匀化处理的更为具体。其中[38,39]需参考形态学方法。关于胶凝材料的具体引用可以在[10,12,40,41]中找到。近来，大量学者提出了针对非均匀多孔介质传输的多尺度进展^[42–44]。在接下来，我们将会把通过一些经典均匀化法得到的预测结果与在试验中得到的混凝土弹性模量相互比较（表3）。然后我们会借助迭代均匀化法^[21]手段并通过改进轻骨料弹性模量估计方法来减少观察到的不同点（表2）。

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