粗骨料力学特性对混凝土性能影响的数值试验研究★

庞太富 张 正 黄 蔚 万怡江

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

混凝土作为一种复合材料，其组成成分和结构会对混凝土的宏观力学性能产生显著影响。混凝土由水泥、骨料及水等原材料组成，而粗骨料则在混凝土体积中大约占到50%～70%[1]。不同粒径的粗骨料，以不同级配组合，构成混凝土的基本骨架，骨料在混凝土中起到骨架支撑和抵抗变形的作用[2]。目前，对于混凝土粗骨料力学特性对混凝土的抗压性能的研究，大都是建立在实验室试验研究基础上，这些研究成果表明，混凝土的宏观力学性能与其内部从微观、细观到宏观多种尺度的缺陷发展有关[3]，粗骨料的力学特性对混凝土的性能有着重要的作用[4，5]。这些实验研究为进一步提高混凝土的力学特性奠定了坚实的实验基础。但是由于实验室实验往往难于观察混凝土破坏的细观机制，而往往只能看到破坏的最终状态，因此利用能够反映材料破坏过程的数值试验手段开展混凝土破坏过程的细观机制试验，无疑是对物理试验的有力补充。由于粗骨料的种类众多，其力学特性都有着很大的差别，有从细观角度对粗骨料力学特性对混凝土性能影响开展进一步研究。

本文选取岩石立方体抗压强度不同的石灰岩碎石，大理岩碎石，砂岩碎石，花岗岩碎石，玄武岩碎石5种粗骨料类型，通过建立能否反映材料分布非均匀程度的骨料—基质数值模型，对含有不同类型粗骨料的混凝土数值试件开展破坏过程分析，研究不同类型粗骨料对混凝土力学性能、破坏机制以及声发射特性的影响。

1 含不同类型粗骨料混凝土数值模型建立

目前常见数值模型有网格模型[6]，随机粒子模型[7]和细观模型[8]，本文采用的能够反映材料费均匀性和破裂过程的RFPA2D分析系统，由于当基元崩坏时发生刚度弱化，在宏观上表现出材料破坏的非连续性，使得该软件的模拟结果更贴合实际，对混凝土材料的微观损伤和宏观破坏都可采用[9]。

数值模型为标准立方体试件，把混凝土视为砂浆基质、粗骨料及两者粘结带构成的三相复合材料[10]，简化成平面应力问题来研究。本模型中混凝土试件力学参数如表1所示。在骨料面积百分比为60%的情况下，研究不同粗骨料力学性能与试样破坏模式及强度之间的关系。数值试样尺寸为150 mm×150 mm,有150×150个单元，弹性模量均质度系数为3，平均值为18 GPa,单轴抗压强度为60 MPa，泊松比均值0.3，模型判断依据为库仑准则。单元大小均为1 mm×1 mm。混凝土数值试样如图1所示。

表1 粗骨料参数

粗骨料的粒径大小相等，只是在粗骨料填充材料时分别填充石灰岩碎石，大理岩碎石，砂岩碎石，花岗岩碎石，玄武岩碎石的力学参数，而图中的颜色则直接反映了参数值的大小,其中颜色由黑到白代表单元的弹模参数由小到大，从图中可以清楚地看出砂浆基质及骨料的分布状态。试样在垂直方向上承受位移控制的压缩载荷，每步的加载位移为0.005 mm。

2 粗骨料力学性能对材料抗压强度的影响

不同种类骨料数值试件的应力—应变曲线如图2所示。从该曲线可以得出，由于粗骨料在弹性模量与强度上的差异，不同种类骨料的混凝土的抗压强度不同，其中以玄武岩碎石为粗骨料的混凝土抗压强度最大，以砂岩碎石为骨料的混凝土强度最小。在混凝土中，粗骨料的弹性模量直接影响到混凝土结构中内部应力的大小和分布，局部应力集中会降低混凝土的抗压强度。通过5种粗骨料混凝土数值模拟结果和粗骨料本身力学性能的对比可知，粗骨料的抗压强度和弹性模量相对较高的混凝土，其抗压强度则较高。在一定范围内，粗骨料的抗压强度和弹性模量的提高有助于提高混凝土弹性模量相对较高的混凝土，其抗压强度则较高。在一定范围内，粗骨料的抗压强度和弹性模量的提高有助于提高混凝土抗压强度。

3 粗骨料力学特性对混凝土破裂机制的影响

含不同类型粗骨料混凝土试样破坏后的弹性模量分布图及破坏模式放大图如图3,图4所示。可以看出含不同类型粗骨料试件的细观破坏机制不同，破坏不仅发生在砂浆和粗骨料的交界面，在粗骨料本身也发生贯穿性破裂。粗骨料力学特性对声发射以及各步累计值的影响如图5,图6所示。由于混凝土内部微裂缝与声发射数量呈正比关系，且混凝土内部裂缝损伤情况体现出混凝土从屈服到破坏之间的形变能力，通过累计声发射数量反映出混凝土的破坏情况，进而反映出混凝土在达到极限承载力而临近破坏时的情况。

从图5含不同类型粗骨料试样的破坏声发射图中可看到，声发聚集区不仅在砂浆和粗骨料的交界面上，在强度较低的粗骨料内部也出现较为密集的声发射聚集现象。从图6含不同类型粗骨料试件的声发射累积曲线中可看到，砂岩的声发射累计数目至加载至第七步时开始急剧增加，表明试件内部裂纹扩展加剧，而粗骨料为大理岩时，试件的累积声发射数增长相对较慢，表明作为粗骨料的力学性质与材料基质较为协调，试样的变形能力和承载能力均较高，这也与图2的结论相一致。

总体上看，粗骨料的强度应与水泥砂浆的变形特性尽量接近，使两者受力、变形情况一致较为有利。用5种不同材质粗骨料,包括石灰岩碎石、大理岩碎石、砂岩碎石、花岗岩碎石、玄武岩碎石拌制的混凝土，其强度、弹性模量试验表明，玄武岩的抗压强度、弹性模量相对较高。究其原因，玄武岩自身强度、弹性模量高，对混凝土强度、弹性模量的提高有利，证明了前述理论的正确性。

4 结语

混凝土是一种由骨料、水泥及水组成的多相材料，其破坏过程与骨料的力学性质密切相关。混凝土受载后，其内部有微裂纹的萌生、扩展和贯通过程与粗骨料的力学特性密切相关。本文从混凝土的细观结构角度入手，把混凝土视为水泥砂浆、骨料及两者间的粘结带构成的三相复合材料研究其中粗骨料力学特性对混凝土的影响。粗骨料的力学特性在一定程度上影响混凝土材料的力学性能，粗骨料的强度和弹性模量的增加有助于提高混凝土的抗压强度，但混凝土力学性能的提高受其内部各组分参数的综合影响，粗骨料的弹性模量影响其与混凝土基质间的变形协调也是提高混凝土性能需要考虑的因素之一。

本文得到了东北大学资源与土木工程学院贾蓬老师的指导以及杜功成硕士的帮助，在此表示衷心感谢。