探索混凝土在热力耦合作用下颗粒流模拟研究(混凝土温度裂纹抗压强度颗粒)

为探索混凝土在热力耦合作用下的宏观力学性质和微裂纹的变化规律，采用PFC软件中的热模块，对5种温度下的混凝土试块进行了数值模拟分析。
研究结果表明：(1)温度和峰值强度呈现负相关关系，单轴抗压强度和弹性模量随温度的变化服从幂函数关系，且温度对于强度和变形参数的影响不同，强度相较于变化参数而言，对温度更加敏感。
(2)随着温度的升高，由热破裂所造成的损伤不断增加，热损伤集中在界面过渡区。
随着温度的升高，混凝土的破坏模式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。
(3)600℃属于临界温度，在600℃之前，宏观力学性质和微裂纹扩展均变化剧烈；超过600℃以后，宏观力学性质的劣化和微裂纹的发展均放缓。

关键词：

混凝土; 温度; 单轴抗压强度; 破坏模式; 颗粒流模拟;

作者简介：

曹明伟(1979—),男，讲师，硕士，研究方向为水利水电工程的数值模拟。
E-mail:linhangabc@126.com;

基金：

2019年度河南省水利科技攻关计划项目(GG201939);开封市科技发展计划项目(1903006);

引用：

曹明伟． 温度对混凝土力学性质影响的颗粒流模拟研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2021，52( 3) : 185-191.

CAO Mingwei． Analysis of the effect of heating on concrete mechanical properties based on particle flow code［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2021，52( 3) : 185-191.

混凝土是各类建筑物中最重要的原材料，被广泛运用于隧道、桥梁、水电站和民用建筑中。
近年来，各种火灾事故造成的人民群众的生命和财产损失巨大。
在火灾中，高温会造成混凝土结构的强度降低，对建筑物的安全和温度形成了巨大威胁。
因此，研究高温下混凝土的力学性质就显得尤为重要。
大量的学者对此进行了研究。
如张玉琢等发现当温度超过300 ℃时，骨料会相对保持稳定的状态，但是当温度达到500 ℃时，岩石骨料会出现大量的裂纹，造成混凝土的骨料发生各种变化，使得混凝土的强度降低。
周新刚等 对200 ℃和300 ℃处理后的混凝土进行了循环加卸载试验，发现温度使得混凝土的强度进一步降低。
朋改非等 对高温处理后的混凝土进行了各种测试，发现其抗压强度、抗拉强度和弹性模量等均有不同程度的降低，但是在400 ℃之前强度几乎没变。
吕天启 对经历过高温的混凝土进行了XRD和SEM电子扫描试验，研究不同温度作用后其成分的变化和内部微裂纹的发展。
王峥 发现混凝土在300 ℃高温后，随着温度的升高，抗压强度会明显降低，且发现骨料和砂浆之间由于线膨胀系数的不同，骨料和砂浆之间存在温度变形差，使得界面过渡区产生微裂纹。
李丽娟等 发现当温度超过500 ℃以后，混凝土可能发生爆裂现象，内部裂纹非常发育，随着温度的增加，其微观结构逐渐变差，变得疏松多孔，承载能力降低。
高超通过室内试验研究，得出了各类混凝土力学性质随温度的回归关系式。

除了室内试验外，也有学者进行了高温下混凝土的数值模拟研究。
由于数值模拟可以实时观测到混凝土内部裂纹的发展，且成本较小，因此成为研究高温下混凝土力学性能的一种很好的方法。
如牛晓燕等 采用有限元软件ANSYS对轴心受压的钢筋混凝土柱不同温度下的力学性能进行研究，表明钢筋混凝土模型显现出明显的温度效应。
常泽等采用Voronoi单元剖分技术建立混凝土的细观网格结构，研究了混凝土内部温度场的变化规律。
丁达伟等 通过RFPA软件研究了钢纤维混凝土单轴压缩过程，结果表明，声发射能量随着温度降低不断提高，体现了低温下混凝土的脆性性质。

但是，目前对于混凝土高温下的细观力学研究较少。
PFC(Particle Flow Code)软件 可以从颗粒细观角度出发，考度温度的影响，对材料的热力学性质进行模拟 。
本文通过构建含随机骨料的混凝土细观模型，采用PFC软件中的热模块，对不同温度下混凝土的力学性能和微裂纹扩展进行研究。

采用Matlab软件生成随机多边形代表混凝土中的骨料(见图1),导入PFC软件中，形成颗粒流模型的初始结构(见图2)。
共生成12 591个颗粒，34 117个接触。
模型尺寸为70 mm×70 mm, 骨料体积分数大致为68%,均和室内试验保持一致。

图1 随机骨料结构

图2 颗粒流模型示意

在细观模型中，骨料和砂浆两个组之间的接触为界面过渡区。
骨料、砂浆和界面过渡区的微观参数均不相同。
在PFC模型中细观参数不能通过室内试验直接获得，而是采用“试错法”来标定细观参数，使得所建立的模型和室内试验所获得的不同温度下混凝土的宏观力学性质一致。

在PFC中，热量存储在颗粒当中，通过平行粘结接触进行热量的传递。
当温度变化时，改变颗粒的半径和接触上作用的法向接触力。
在PFC中，热模块的微观参数主要有三个，分别是线热膨胀系数、比热容和颗粒密度。
通过不断地试验，选取的参数如表1所列。
不同温度下的模型的应力-应变曲线和单轴抗压强度和室内试验 的对比如图3所示。
由图3可知，不同温度下，应力-应变曲线较为接近。
数值模拟和室内试验中的单轴抗压强度和弹性模量基本相同，但是峰值应变差距较大，原因是在室内试验中热处理以后混凝土试块的压密段非常明显，但是在PFC模拟中几乎不能模拟出压密段 ,因此造成了峰值应变差距较大。
但是这并不影响本文的结论，因此可以认为所选取的微观参数可以代表室内试验 中所研究的混凝土的宏观力学性能。

表1 微观参数

图3 室内试验 和数值模拟对比

2.1 强度与变形参数

不同温度下混凝土的轴向应力-轴向应变曲线如图4所示。
从图4可知，随着温度的变化，轴向应力-轴向应变曲线呈现明显的变化。
即温度和峰值强度呈现负相关关系。
如正常室温下(20 ℃)峰值强度为49.6 MPa, 当温度为800 ℃时，峰值强度为15.3 MPa, 峰值强度降低了69.2%。
室温下弹性模量为16.1GPa, 温度为800 ℃时，弹性模量为9.8GPa, 弹性模量降低了39.1%。
且随着温度的提高，轴向应力-轴向应变曲线脆性降低，在达到峰值强度后轴向应力不会骤降，而是缓慢减小。
可能是因为温度的作用下，混凝土破碎性提高，呈现一定的塑性特征。

图4 不同温度下的应力-应变曲线

单轴抗压强度和弹性模量随温度变化如图5所示。
从图5可知，单轴抗压强度和弹性模量随温度的变化服从幂函数关系。
且两者和温度的拟合关系很好。
拟合公式分别为

UCS=10.85+41.11×0.997 ,R2=0.997 (1)

图5 单轴抗压强度和弹性模量随温度变化关系

由图5可知，随着温度的升高，混凝土的宏观力学性质不断劣化。
但是当温度超过600 ℃时，混凝土单轴抗压强度随温度的升高而减小的趋势慢慢变缓。
如从200 ℃到400 ℃时，单轴抗压强度降低了28.9%,温度从600 ℃升高到800 ℃时，单轴抗压强度降低了11.6%。
其主要原因可能是因为混凝土的水泥石强度在600 ℃左右基本损伤完毕，剩下的只有摩擦力所维持的抗压强度 。

将单轴抗压强度损失率定义为某一温度下的峰值强度与室温下峰值强度的差值占室温下峰值强度的比值。
计算公式为

式中，UCS（T）为某一温度下的单轴抗压强度；UCS0为室温20 ℃下的单轴抗压强度。
同理可定义弹性模量损失率。

单轴抗压强度损失率和弹性模量损失率随温度的变化如图6所示。
从图6可知，随着温度的增加，混凝土的宏观力学性质的损失率越来越大，但是趋势有所减缓，和图5中所表示的规律类似。
但是弹性模量的损失率始终低于单轴抗压强度的损失率。
因此温度对于强度和变形参数的影响不同，强度相较于变化参数而言，对温度更加敏感。

图6 损失率随温度变化关系

2.2 微裂纹发展

当加载到不同温度时，混凝土的热损伤不同，即混凝土的微裂纹发展不同。
不同温度下的混凝土初始裂纹分布如图7所示。
图7中，灰色代表骨料、抹茶绿代表砂浆、红色代表拉伸裂纹、黑色代表剪切裂纹。

从图7可知，随着温度的升高，由热破裂所造成的损伤不断增加。
混凝土主要是由骨料和砂浆两种材料所组成的复杂材料，骨料和砂浆的线性热膨胀系数不同，导致在升温过程中，砂浆和骨料的颗粒之间的变形不同。
变形不同会导致一定的应力差，使得在骨料和砂浆之间容易产生热破裂。
如图7(b)所示，大量裂纹在骨料和砂浆之间萌生。
随着温度的增加，断裂的平行粘结接触不断增加，其热破裂的接触占模型总接触的比值如图8所示。
当温度达到600 ℃以后，热破裂的接触基本保持不变，600 ℃时为3.88%,800 ℃时为3.96%。
模型温度从600 ℃升高至800 ℃时，热破裂的接触只增加了25个，但是其抗压强度依然降低了11.6%。
这和PFC中热模块的设定有关。

在PFC软件中，线性热膨胀系数代表单位温度内颗粒半径的改变值，计算公式为

式中，α为线性热膨胀系数；ΔR为颗粒半径改变量；R为当前颗粒半径；ΔT为温度改变量。

当模型的温度从600 ℃升高至800 ℃时，当前模型中颗粒的半径会减小，但是绝大部分的接触还没有达到抗剪强度(或抗拉强度),而那些容易断裂的接触已经在加载到600 ℃前断裂，如图8所示，600 ℃时热破裂接触占比为3.88%。
当800 ℃的模型进行单轴压缩实验时，由于在加热过程中模型中颗粒的半径已经较600 ℃的模型减小了，因此在加载过程中，800 ℃模型更加容易产生应力集中现象，从而接触更加容易破裂，使得裂纹更加容易扩展，大尺度的宏观裂纹将模型切割成独立承载的单元，使得800 ℃模型较600 ℃模型强度降低了11.6%。

混凝土在经历过不同的温度处理后，再进行单轴压缩试验，其破坏模式如图9所示。
图9中，灰色代表骨料、抹茶绿代表砂浆、红色代表拉伸裂纹、黑色代表剪切裂纹。

由图9可知，不同温度下混凝土的破坏模式存在一定区别。
在室温下，混凝土呈现典型的剪切破坏。
随着温度的升高，混凝土最终的破坏模式和之前由于热处理造成的裂纹分布存在很大的关联。
后期的轴向荷载的作用，基本上是使得热破裂产生的微裂纹继续扩展，相互贯通，最终使得混凝土失去承载力。
破坏模式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。

图7 不同温度下的热损伤

图8 热破裂接触占比随温度变化关系

由于混凝土属于骨料、砂浆及其界面过渡区组成的典型非均质性材料。
在外部荷载作用下，内部的应力场极其不均匀。
不管是温度荷载还是轴向作用力荷载，均会使得混凝土内部的应力场和应变场存在非均质性。
在某些应力较大处，当应力超过颗粒之间的粘结接触抗拉强度(或者抗剪强度)时，就会产生拉裂纹(或者剪裂纹)。
当混凝土在遭受高温处理后，内部已经萌生出一定数量的微裂纹，这些热破裂的微裂纹在后期的加载过程中，成为力学性质的薄弱区。
在轴向力的作用下，极其萌生新的微裂纹，新萌生的微裂纹和之前热破裂产生的微裂纹相互搭接，不断扩展，直至贯通。
使得混凝土破碎成块状[见图9(e)]。

本文通过对室内试验所使用的混凝土进行颗粒流模型的重建，采用PFC软件自带的热模块，研究混凝土在热力耦合作用下的宏观力学性质的变化，以及微裂纹的扩展规律。
主要结论如下：

图9 不同温度下的破坏模式

(1)随着温度的变化，轴向应力-轴向应变曲线呈现明显的变化，即温度和峰值强度呈现负相关关系，单轴抗压强度和弹性模量随温度的变化服从幂函数关系，且温度对于强度和变形参数的影响不同，强度相较于变化参数而言，对温度更加敏感。

(2)随着温度的升高，由热破裂所造成的损伤不断增加，热损伤集中在界面过渡区。
随着温度的升高，混凝土的破坏模式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。

(3)600 ℃属于临界温度，在600 ℃之前，宏观力学性质和微裂纹扩展均变化剧烈；超过600 ℃以后，宏观力学性质的劣化和微裂纹的发展均放缓。

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