资源描述：
《混凝土材料组成非均匀性复合体的弹性模量数值预测》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、混凝土材料组成非均匀性复合体的弹性模量数值预测//.paper.edu.cn-1-混凝土材料组成非均匀性复合体的弹性模量数值预测姚婷河海大学工程力学系,南京(210098)摘要:本文把混凝土看成是由骨料、水泥浆基体和界面所组成的三相复合材料。这样，混凝土的宏观性能在很大的程度上取决于这三相组分的面积百分数、力学性能和物理性能及其相互作用。所以，研究各个组分的结构特性及对混凝土弹性模量的影响对于进一步了解混凝土宏观性能具有重要的理论意义和现实意义。本文主要通过二维有限元四结点等参元的基本理论并结合均匀化理论,考虑骨料形状为圆形和任意多边形时弹性模量的预测，并与实验结果进行对比
2、。可以肯定骨料形状为任意多边形时与实际情况较为接近。关键词：混凝土；界面；结构特性；弹性模量；均匀化理论中图分类号：TB31.引言以往对于混凝土弹性模量的预测，都把混凝土看成是由骨料和水泥浆组成的两相复合材料[1]。但事实上在混凝土骨料和水泥浆之间，有一种特殊的结构--界面[2~4]。尽管界面厚度很小，介于10μｍ到μｍ之间，我们不能说它对混凝土性能没有影响。所以我们把混凝土看成是由骨料、水泥浆基体和界面所组成的三相复合材料。长期以来，在混凝土应用的各个领域里，人们对混凝土的力学特性进行了大量的研究。以往对混凝土材料力学性能的研究多偏重于从宏观角度进行研究，忽略了混凝土材料
3、内部复杂的细观结构，难以揭示材料变形和破坏的物理机制。而如何充分利用混凝土的力学性能，建造出更经济、更安全和更合理的建筑物或工程结构，一直都是结构工程设计领域研究的重要课题。事实上，混凝土的内部组成及构造相当于事物的内因，其宏观力学性能受其细观结构的控制，宏观的破坏行为也是由于细观尺度上的损伤和断裂行为的累积和发展的结果，因此如何由细观各组分的力学性质来预测整体的力学性能(如有效模量等)成了本论文的一个重点。本文主要通过二维有限元四结点等参元的基本理论并结合均匀化理论[5~8]，以及将混凝土看成是由骨料、界面和水泥基体组成的三相复合材料,计算混凝土弹性模量，并与实验结果进行
4、对比。2.均匀化公式的有限元列式下面主要介绍有限元和均匀化理论的有机结合,以计算考虑界面的单胞结构的弹性模量。由均匀化公式:klpiiijpqijklyYYqjjvyvyEdYEdY,vVyyyχ?aname=baidusnap7><6??6??6?=?6?6∈?6??6??6?∫∫（）（）（2.1）1klpHijklijklijpqYqE(x)EEdYYy?6??6??6?=?6??6??6??6??6??6??6?∫χ（2.2）且通过有限元法的转换公式得到均匀化理论的有限元列式为[][][]{}[][]11TTeee,ne,n??BDBdABDdAχ===∑∑∫∫,v?
5、6?6（2.3）//.paper.edu.cn-2-[][][][][]()11Hee,nDDDBdAYχ==?6?∑∫（2.4）（2.3）式同有限元公式[]{}{}KFν=比较不难看出，其中：[][][][]1Tee,nKBDBdA==∑∫以及[][][]1Tee,nFBDdA==∑∫，（2.5）然后根据式(2.3)、(2.4)和(2.5)编程得到均匀化理论计算等效弹性矩阵的程序。求出等效弹性矩阵后，然后利用以下公式推算出混凝土的宏观弹性模量和泊松比。3.骨料为圆形的单胞结构的弹性模量预测的数值解由于缺少足够的试验数据，数值计算中的一些力学参数由参考相关文献取值。事实上,
6、混凝土中真实界面过渡层很薄，约为0.01mm~0.05mm。在数值计算中划分网格时，由于界面太薄，不能够体现出来，所以在网格中的界面层厚度取适当扩大。取数值计算中界面的等效弹性模量0.4ipEE=，界面泊松比取0.30iν=。在预测三相混凝土材料的弹性模量时，采用的计算模型是根据给定的骨料面积百分数，把直径不同的圆形骨料按Fuller级配随机分布在边长为c(这里取100mm)的正方形区域内，并在每个骨料周围加上界面区,骨料面积百分数用aA表示、界面面积百分数用iA表示，具体模型如图1所示,并对其进行网格剖分。我们把混凝土看成是具有周期性边界的，为了计算混凝土弹性模量,对单胞
7、单元施加如下边界条件:y=0,v=0y=c,v=0x=0,u=0x=c,u=03.1算例算例一：要验证此方法的有效性，由文[9]取实验结果进行对比：骨料最大直径为1<6mm，骨料面积百分数为34.8%，由实验得水泥浆弹性模量为9230.8510N/mpE=×、骨料弹性模量927010N/maE=×、水泥浆基体泊松比0.18pν=、骨料泊松比0.15aν=，由于界面厚度一般介于0.01mm和0.05mm之间，取其均值，即h=0.03mm,(但事实上会适当增大)。//.paper.edu.cn-3-图1圆形骨料单胞结构
