基于细观结构的液体橡胶基混凝土破坏机理分析

论文摘要

液体橡胶基混凝土（LRBC）是一种新型混凝土材料,其中液体橡胶基质取代了传统的水泥砂浆。液体橡胶具有很好的机械性能,与骨料之间的力学性能差异远小于普通沥青与骨料之间的差异,因此LRBC将是一种极具潜力的高性能桥面铺装材料。目前,对于LRBC材料的研究还处于探索阶段,要将之作为工程应用材料还需要进行大量的机理研究、测试和优化设计。宏观的均一方法被广泛地运用来描述混凝土类材料的性能,比如弹性模量和泊松比等等,但是,这种宏观的均一方法很难用来描述材料破坏的产生及扩展过程,因此,从细观尺度描述材料的变形和破坏特性是了解混凝土类材料破坏机理和进行材料最优化设计的关键。混凝土类材料的破坏过程是一个非常复杂而又富有挑战的课题,研究LRBC试件的变形与破坏过程对揭示混凝土类材料的力学行为及破坏机理,以及开展该新型混凝土材料性能的优化设计,具有重要的学术价值和工程价值。本文从细观结构出发,将LRBC视为由碎石骨料、液体橡胶基质及二者之间界面组成的三相复合材料,视界面层为环绕于每颗骨料表面的独立材料。通过实验测定橡胶与石料之间的粘结性能,确定界面材料的破坏参数。通过研究界面厚度值对LRBC试件力学性能的影响,确定合理的界面厚度值,建立了LRBC试件的细观结构模型。应用LS-DYNA对LRBC试件进行准静态及动态破坏分析。通过改变准静态加载速度,并将各种加载速度下得到的结果与实验结果相对比,分析了加载速度对模拟计算结果的影响,确定了合理的加载速度,为细观分析LRBC材料的破坏机理提供了途径。针对混凝土类材料宏观力学性能离散性的问题,文中从细观结构出发,通过对同等参数下一系列LRBC试件的仿真计算,研究了LRBC试件性能的离散度。指出骨料在试件内部位置分布的随机性是造成该材料试件宏观力学性能离散性的因素之一,并根据各试件的破坏方式,分析了骨料的位置分布对LRBC材料性能的影响。同时,通过改变骨料多边形边数概率统计参数,研究了骨料几何性质对LRBC材料力学性能的影响,指出了骨料多边形的几何性质对LRBC材料性能影响的规律性。在相同的配合比下,本文分别对含有不同粒径的LRBC材料试件进行了数值计算,分析了骨料粒径对LRBC材料力学性能的影响特性,证实了骨料级配的改变对混凝土类复合材料的力学性质将产生影响。此外,基于传统的级配理论,本文尝试了一系列级配设计,初步分析了级配对LRBC材料力学性能影响的规律,用数值模拟的方式代替传统的配合比实验,为该材料的优化设计打下基础。对LRBC的冲击行为,本文从细观尺度模拟仿真LRBC试件在冲击荷载作用下的变形、破坏过程。分别对惯性效应以及应变率效应对该材料试件的冲击压缩强度、冲击压缩切线模量以及试件的冲击损伤行为等特征给予了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 混凝土类材料细观分析的研究现状
• 1.2.1 细观统计模型
• 1.2.2 细观结构模型
• 1.3 橡胶混凝土的研究现状
• 1.3.1 橡胶集料混凝土
• 1.3.2 液体橡胶基混凝土
• 1.4 有限元算法分析
• 1.4.1 有限元隐式解法
• 1.4.2 有限元显式解法
• 1.4.3 算法比较
• 1.5 本文的主要工作和内容
• 第二章 液体橡胶基混凝土准静态破坏过程2D显式分析数值模型
• 2.1 骨料生成及投放方法
• 2.1.1 骨料生成
• 2.1.2 粘结界面层生成
• 2.1.3 骨料的投放
• 2.1.4 骨料的随机生成图
• 2.2 材料模型及破坏准则
• 2.2.1 材料模型与材料参数
• 2.2.2 破坏准则
• 2.3 有限元网格划分及边界条件
• 2.3.1 网格划分
• 2.3.2 边界条件
• 2.4 有限元显式算法对准静态问题的实现
• 2.4.1 准静态问题显式解法的可行性
• 2.4.2 显式计算中加载速度对准静态模拟结果的影响
• 2.2.3 LRBC准静态破坏过程动态模拟分析实例
• 2.5 本章小结
• 第三章 骨料细观统计参数对液体橡胶基混凝土力学性能的影响
• 3.1 骨料颗粒的几何参数的测量
• 3.1.1 骨料几何参数计算方法
• 3.1.2 多边形拟合的应用分析
• 3.2 骨料多边形边数分布概率拟合
• 3.3 骨料位置分布对LRBC性能的影响
• 3.3.1 拉伸模拟分析
• 3.3.2 压缩模拟分析
• 3.4 骨料几何形状对LRBC性能的影响
• 3.4.1 模拟分析数值模型
• 3.4.2 准静态拉伸模拟分析
• 3.4.3 准静态压缩模拟分析
• 3.4.4 单一多边形边数骨料LRBC试件模拟分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 骨料级配对液体橡胶基混凝土力学性能的影响
• 4.1 骨料级配理论
• 4.1.1 连续级配
• 4.1.2 间断级配
• 4.2 单级配LRBC材料的数值模拟分析
• 4.2.1 单级配LRBC有限元模型
• 4.2.2 拉伸模拟分析
• 4.2.3 压缩模拟分析
• 4.2.4 结论
• 4.3 全级配LRBC材料的数值模拟分析
• 4.3.1 全级配LRBC有限元模型
• 4.3.2 拉伸模拟分析
• 4.3.3 压缩模拟分析
• 4.3.4 结论
• 4.4 本章小结
• 第五章 液体橡胶基混凝土冲击性能的数值分析
• 5.1 LRBC冲击性能的实验研究
• 5.1.1 实验设备及原理
• 5.1.2 实验结果及分析
• 5.2 SHPB系统有限元建模
• 5.2.1 LRBC及SHPB系统数值模型
• 5.2.2 材料参数及破坏准则
• 5.3 LRBC冲击行为数值分析
• 5.3.1 应变率非敏感模型模拟分析
• 5.3.2 应变率敏感模型模拟分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件