细观骨料模拟在混凝土路面中的应用

冯学凯 张云豪 张毅欣 荆雲杰 王帅元 宁惠君

摘 要：混凝土细观模型相对于宏观模型更能准确地反映出混凝土路面的力学性能。本文利用蒙特卡罗随机抽样原理生成不规则混凝土骨料的模型，将生成的骨料模型充填于混凝土中，建立三维三相混凝土细观骨料模型;运用LS-DYNA软件对细观混凝土骨料进行低速冲击仿真模拟，探究混凝土路面受冲击载荷作用下的破坏方式及裂纹扩展情况。

关键词：细观;骨料;冲击;LS-DYNA仿真模拟

中图分类号：U414文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）12-0093-04

Application of Meso-Aggregate Simulation in Concrete Pavement

FENG Xuekai ZHANG Yunhao ZHANG Yixin JING Yunjie WANG Shuaiyuan NING Huijun

（School of Civil Engineering， Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471000）

Abstract： Compared with the macroscopic model， the concrete mesoscopic model can more accurately reflect the mechanical properties of the concrete pavement. In this paper， the Monte Carlo random sampling principle is used to generate irregular concrete aggregate models， and the generated aggregate models are filled in concrete to establish a three-dimensional three-phase concrete meso-aggregate model; the LS-DYNA software is used to simulate the low-speed impact of the meso-level concrete aggregate， so as to explore the failure mode and crack growth of the concrete pavement under the impact load.

Keywords： mesoscopic;aggregate;impact;LS-DYNA simulation

混凝土在建筑行業十分常见，因其稳定性好、强度高、耐久性强且养护成本较低等优点，我国道路建设多采用混凝土路面，然而长期碾压使混凝土路面相继出现不同程度的病害，导致使用寿命大大降低。由于混凝土路面硬化，病害路面的维修十分困难，如何快速有效地修复已出现病害的混凝土路面，增加路面的使用寿命，探究混凝土路面的力学性能是目前研究的热点。在旧混凝土路面改造工程中，混凝土的破碎工艺多种多样，如多锤式破碎、冲击压稳式、板式打裂压稳以及微裂均质化破碎等。古松等利用落锤试验机研究混凝土板低速冲击作用下的破坏效应[1];唐学军等采用三维有限元方法研究冲击压实过程旧路面的结构及土基的受力、变形特征[2];孙晓亮等使用四楞冲击压路机对混凝土路面进行破碎处理，研究旧路面结构及土基的受力、变形特征[3];周祖兰对旧混凝土路面进行共振破碎技术处理，对破碎前后的路面结构进行仿真计算[4];赵全满等通过建立ABAQUS三维有限元模型分析在多锤头破碎机作用下旧混凝土路面的力学行为[5];李文杰采用微裂均质化破碎技术，对混凝土路面进行微裂破碎[6]。

现有研究基本上从宏观角度出发，将混凝土视为连续均匀介质，忽略了混凝土材料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。从细观层次上看，混凝土是由粗骨料、水泥水化物、孔隙、骨料与水泥砂浆粘接带等细观结构组成的多相复合材料，各种组分的力学性能相差很大。为此，本文参考微裂均质破碎试验装置，利用LS-DYNA软件对低速冲击下细观建模的水泥混凝土路面板破坏模式进行了研究。其间建立落锤低速冲击混凝土路面的有限元模型，通过数值模拟的方法从细观层次上研究混凝土在微裂缝下的力学行为。

1 计算模型

1.1 几何模型

本研究建立的模型如图1所示，计算模型由落锤、承载板（冲击齿）、骨料、混凝土板四部分组成，均使用三维实体单元3DSolid164，采用拉格朗日接触算法。根据实际接触情况，各部分间的接触情况如下：落锤与承载板间为面面自动接触;由于冲击齿与混凝土板、骨料接触时，混凝土板与骨料会发生单元失效，为保证失效单元被删除后其余单元仍能有效接触，冲击齿与混凝土板、骨料间设置为侵蚀接触;由于骨料的不规则性，将骨料与砂浆间的接触设为点面自动接触，其余均为面面侵蚀接触。

冲击锤头模型直径为150 mm，高为80 mm，承载板模型直径为300 mm，高为3 mm。由于承载板为圆形，冲击路面造成的损害与实际有较大差别。研究人员在承载板下设计冲击齿，通过改变承载板上冲击齿的位置模拟路面受力情况。混凝土板的尺寸如下：长为500 mm，宽为500 mm，高为80 mm。

1.2 细观模型的创建

诸多学者建立了许多细观混凝土计算模型，如有限元连续模型、Truss模型、Framework模型等。王宗敏等基于蒙特卡罗随机抽样原理，使用“取”和“放”的方法生成与工程中相似的随机骨料模型，为混凝土在细观层次上研究宏观问题奠定了基础[7];董蔷薇等采用伪随机函数蒙特卡罗方法模拟生成随机骨料空间分布，根据盒维数原理研究随机性的合理性[8];张兆军等提出了基于背景网格的材料识别方法，建立三维三相球形粗骨料混凝土模型[9];郭瑞奇等将混凝土视为粗骨料与砂浆基体组成的双相复合材料，建立了圆饼状三维混凝土细观骨料模型[10]。

本文建立多边形不规则骨料模型，将混凝土板视为由粗骨料、砂浆、二者之间的过渡带所组成的三相非均质复合材料，使用蒙特卡罗函数编写程序，将粗骨料模型随机投放分布于混凝土板中同时生成骨料与砂浆界面。骨料投放时相互之间不能相交，考虑大多数工程应用，本文骨料体积配比设为46.06%，由此建立混凝土板及其内部结构的几何模型，然后利用网格投影算法生成试件的有限元模型，接着定义边界条件与材料参数，利用导出LS-DYNA软件的K文件进行不同工况的计算分析。混凝土板细观建模流程如图2所示。

2 模型的验证

为了验证有限元模型的准确性，本研究采用水泥混凝土路面板微裂破碎试验进行模型验证[6]。试验中，混凝土轴心抗压强度为31 MPa，劈裂抗拉强度为5.1 MPa。

下面根据相关研究的试验装置，建立同类型的仿真模型，仿照试验进行冲击计算[6]。由于细观模型网格划分的单元数量较多，按照试验高度施加冲击荷载，LS-DYNA软件无法进行连续多次计算，故将高度与多次冲击的能量转化为速度施加荷载进行仿真计算。

2.1 一齿仿真计算

本文首先在单齿的情况下对混凝土试件进行冲击，分别在试验与仿真情况下施加冲击荷载至混凝土试件完全破坏。从图3可以看出，当混凝土试件完全破坏后，细观混凝土板与试验混凝土试件的中心形成一道贯穿性裂纹，其破坏效果比较吻合。

图4给出了骨料46.6%的细观混凝土板与试验中混凝土板两点应力变化曲线。由图4发现，细观模型与试验模型两点的应力变化过程相似。当混凝土板受载后，各点应力迅速增加至曲线高峰而后下降至曲线最低点，随后上升至曲线最高点，各点应力趋于振荡状态，由图4发现，无论是试验还是仿真，各时间点2号应力大于1号，而在振荡状态下，1号应力变化比2号稳定，由1号、2号应力变化预测，试验与仿真的断裂处应力变化相同。

综上发现，本文采用的细观建模方法可以应用于分析低速混凝土板冲击问题，其细观建模能使人更清楚地了解混凝土试件受载后的内部变化，相对于宏观状态下更加清楚地探究骨料在混凝土破坏中所起到的作用。

当落锤接触到冲击齿时，混凝土板中的骨料模型开始发生变形失效，逐渐失去支撑作用。随着时间的增长，骨料模型完全失效。当骨料模型失效后，混凝土板与冲击齿接触的部分单元最先失效，形成一凹陷的圧剪破坏区，在上表面逐渐形成围绕冲击齿的近椭圆形裂缝，在冲击齿四顶角产生微裂纹并向四周发散，在混凝土试件中心逐渐形成贯穿型裂纹并不断延伸至板边，试件表面中心形成凹坑。

2.2 三齿仿真计算

在实际生活中，混凝土路面容易出现多种受力破坏。为更大程度地拟合混凝土路面的真实受载破坏情况，本文改变冲击齿的位置与数目，将三齿类型各齿相距120°排列在承载板上，进行冲击计算。

由图5发现，三齿状态下，多次冲击后，混凝土板最终形成人字形裂纹，且汇聚于混凝土板中心处，试验现象与仿真结果比较相似。在仿真计算中，当落锤落至承载板后，混凝土试件会逐渐发生破坏。首先骨料模型会发生较大变形，到达应力极限时，大部分骨料开始发生单元失效。随着骨料的失效，混凝土试件内部结构发生巨大变化，骨料与砂浆结合面无法正常接触，失去骨料的支撑作用，冲击齿附近混凝土板发生凹陷。随着计算时间的增长，从冲击齿应力集中处会产生多条发散型微小裂纹，冲击齿处会产生主裂纹，逐渐延伸至试件边沿，且向试件内部延伸形成贯穿裂纹，最终试件会形成类似人字形的裂纹。

从图6可知，三齿状态下，混凝土板各点应力变化较为相似，个别点在某时间段内应力变化较大，应力曲线形状及变化趋势相似，各点应力达到最大值后迅速下降，随后各点应力进入振荡状态，在振荡状态时，各点的应力较为相近。

2.3 四齿仿真计算

由图7发现，四齿状态下，冲击试验与仿真在混凝土试件中心产生类似于矩形的断裂中心，且在四个冲击齿处产生一条发散型主裂纹，随着冲击逐渐向板边延伸。在仿真计算中，由于四齿数单元较多，模型较前两个复杂，混凝土骨料模型的破坏较前两个有差别，在落锤刚接触承载板时，骨料模型产生较大变形，随着变形的增加，骨料模型发生单元失效，在骨料完全失效时，混凝土模型在齿附近产生凹坑且有裂纹扩散，在混凝土试件板中心形成一小部分断裂块，局部断裂块形状近似于矩形。经分析，当四齿排列在混凝土的近似对角线处时，由于骨料的随机分布，落锤冲击产生的力沿轴向与横向传递，形成断裂块，冲击齿应力集中处产生多条微小裂纹，然后向四周延伸，主裂纹以更快的速度向板边延伸。

由图8发现，冲击试验与仿真在两点的应力变化趋势相似，达到最大值后，曲线迅速上升，随后各点应力趋于振荡状态。由图8可知，冲击试验下1号、2号应力变化几乎相同，仿真下1号、2号应力状态几乎相同。

3 结论

本文利用LS-DYNA软件对细观混凝土骨料进行低速冲击仿真模拟，并与冲击试验进行对比，验证了细观建模方法的准确性。相比宏观建模方法，细观建模方法具有一定的优越性。研究发现，在低速冲击下，混凝土破坏以拉伸与剪切破坏为主，三种齿形下的计算说明其冲击中心形成剪切破坏区，冲击齿应力集中处形成断裂主裂纹，且不断向板边延伸。细观建模方法分析表明，混凝土受破坏时，内部结构首先发生破坏，之后混凝土的力学性能减弱，此时再承受一定荷载，其表面便会产生裂纹并不断加深，直至最终断裂。

参考文献：

[1]古松，彭丰，余志祥，等.低速冲击作用下混凝土板破坏效应试验研究[J].振动与冲击，2019（24）：107-114.

[2]唐学军，苏卫国.冲击压实旧混凝土路面路基的力学行为[J].岩土工程学报，2004（6）：804-808.

[3]孙晓亮，胡昌斌.四楞冲击压路机破碎旧水泥混凝土路面力学机理研究[J].福州大学学报，2007（2）：281-287.

[4]周祖兰.碎石化技术在旧水泥混凝土路面改造施工中的应用[J].施工技术，2018（9）：105-109.

[5]赵全满，张洪亮，许晔.多锤头破碎机作用下旧混凝土路面的力学响应[J].合肥工业大学学报，2014（5）：620-623.

[6]李文杰.水泥混凝土路面微裂均质化综合处治技术研究[D].郑州：郑州大学，2019：15-16.

[7]王宗敏，邱志章.混凝土细观随机骨料结构与有限元网格剖分[J].计算力学报，2005（6）：728-732.

[8]董蔷薇，袁达，宋斌，等.混凝土细观骨料模型随机的分形验证[J].河海大学学报，2011（1）：95-98.

[9]张兆军，王晓鸣，李文彬.刚性弹侵彻混凝土靶细观尺度模型的建立[J].科学技术与工程，2014（10）：257-261.

[10]郭瑞奇，任辉启，张磊，等.基于混凝土细观骨料模型的SHPB仿真模擬研究[J].振动与冲击，2019（22）：107-116.