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碾压混凝土单轴压缩数值模拟研究对碾压混凝土力学性质的研究，大都是基于宏观的实验来确定的，但是实验条件受到很多因素的影响，其结果往往与理论值有很大的出入，因此从细观层次入手，采用RFPA2D软件为工具，建立数值模型单轴压缩实验，研究碾压混凝土层面厚度对其本体的影响，初步分析和探讨了解材料的破坏机理，研究材料在不同条件下的本构关系。
标签：碾压混凝土；单轴压缩；层面；力学性能1 引言碾压混凝土是用振动碾压实的超干硬性混凝土，是一种应用极其广泛的多相非均质复合材料，其组成成分结合处也即其层面的力学性能对碾压混凝土宏观力学性能影响较大。
且碾压混凝土层面力学性能的研究对于充分发挥材料强度，提高设计水平，降低工程造价以及提高工程结构的安全性具有十分重要的意义，因此，国内外许多学者对碾压混凝土作出了很多研究，综合起来大概有碾压混凝土的层面对其力学性能的影响[1，2]、层面对其渗透性能的影响及层间结合质量等，但在研究过程中，有时会忽略材料内部复杂的细观结构，且大都是基于宏观的实验来确定的，这不仅需要花费大量的人力、物力、财力等，而且因为实验条件受到很多因素的影响，其结果往往与理论值有很大的出入，因此很难揭示材料变形和破坏的物理机制。
本文在前人研究工作的基础上，以RFPA2D软件为工具，采用随机生成骨料方法建立模型研究层面厚度对碾压混凝土试件的破坏过程和及其本构关系。
2 数值模型建立及结果分析2.1 数值模拟模型碾压混凝土单轴压缩模拟试验的数值模型见图 2.1。
模型大小为100mm×100mm，层面厚度为2mm，试验时，在试件顶部施加荷载，为避免产生相对位移，将底部进行固定。
2.2 碾压混凝土单轴压缩数值模拟试验结果及分析碾压混凝土单轴压缩数值模拟试验结果见图2.1，为了便于比较，本文将文献[3]中的碾压混凝土实验室的实测结果也绘于图2.1。
从图2.1所示的应力—应变曲线模拟的试验结果可以看出数值模拟试件与物理实验的碾压混凝土试件在应变为0.0009之前呈现直线，随着应变的增加，两者的曲线开始出现非线性特征，此时应力随着应变增加的速率越来越小，当增加的速率为0时，此时应力达到峰值；数值模拟碾压混凝土试件峰值点对应的峰值应变0.0020，而物理实验碾压混凝土试件的峰值点对应的峰值应变0.0018，参照《混凝土结构设计规范》（GB50010.2002）的规定，数值模拟碾压混凝土试件的峰值强度与峰值应变与规范接近，而物理实验碾压混凝土试件存在偏差，导致这种原因可能与取的载荷步的大小有关。
再生混凝土单轴受压本构关系及损伤模型研究为实现建筑业的可持续发展,作为新型绿色建材的再生混凝土已成为学术界和工业界研究的热点课题,并取得了一些具有应用前景的技术成果。
国内外学者关于再生混凝土力学特性做过大量研究,由于再生骨料和试验方法的不同,其研究结果存在差异。
目前用损伤理论描述再生混凝土的破坏过程的相关成果较少,为今后实际的推广应用,再生混凝土受压损伤模型需进一步探讨。
探究关于再生骨料类型和掺量对试验材料本构模型的作用,本文试验设计了5组,分别为普通混凝土组;再生粗骨料取代组;再生细骨料取代组;再生粗、细骨料同时取代组;掺加纤维组(不同再生骨料替代率分别为30%,50%和100%,纤维用量采用每立方米混凝土掺入1.5kg)。
在单轴受压工况下对各组试件进行了研究,依照本文的试验数据,研究了再生骨料类型和掺量对试件的抗压强度、弹性模量、峰值应变、极限应变的变化规律,总结出各组试件关于弹性模量、峰值应变及试验曲线的数学表达式,并得到相关结论:再生骨料掺量跟试件的抗压强度和弹性模量呈现负相关,而与试件的峰值应变和极限应变呈现正相关;纤维的掺入会使再生混凝土的抗压强度、峰值应变和极限应变提高,其延性得到很好的改善;再生混凝土的应力—应变全曲线形状与普通混凝土相似,基于过镇海模型拟合得到的再生混凝土本构关系在描述材料受压变化规律的效果较好。
依据本文试验得到的相关数据,将再生混凝土作为含有初始损伤材料,用初始损伤去量化再生骨料类型和掺量对试验的影响规律。
在我国混凝土规范中关于其本构关系的基础上建立了描述再生材料的一维受压损伤模型,并通过试验数据进行了模型验证,其吻合度较好;研究分析了试验中各组试件单轴受压损伤演化的过程,并得到相关结论:各组试件的损伤演化过程较为相似,在达到峰值应变前试件损伤量比较大,随着试件应变的增加,其损伤量也逐渐攀升,最终会趋于一致;加入再生细骨料并不会对试件产生较大损伤;加入纤维会较大程度降低试件的初始损伤。
混凝土单轴压缩应力状态的数值分析高彦丛;陈祖坪【摘要】以测试混凝土抗压强度的试件为数值分析对象,模拟混凝土试件抗压强度的广义荷载,分析了混凝土试件在其标准抗压强度下的应力场,提出了一个混凝土试件破坏强度的概念.【期刊名称】《北京工业职业技术学院学报》【年(卷),期】2013(012)001【总页数】7页(P24-30)【关键词】混凝土;抗压强度;数值分析【作者】高彦丛;陈祖坪【作者单位】首钢工学院建筑与环保工程系,北京100041【正文语种】中文【中图分类】TU5280 引言混凝土的强度是由混凝土的材料实验测定的，本文只对已经测定的混凝土强度进行一些数值分析，从而进一步了解混凝土试件的应力状态，认识试件失去承载能力的机理。
尽管它代替不了混凝土的材料实验，只是深化了对混凝土强度的认识，但是有了这一步工作，可以对不同状态的混凝土试件事先进行一些分析、预测，尤其是对随机性很大或实验工作量很大的混凝土材料研究，起到一个相辅相成的作用。
众所周知，数值分析比起物理实验来省时省力，因此这个工作是有意义的。
混凝土强度的研究最终要落实到建筑物或构筑物上，比如水工构筑物大坝［1－2］，直接从混凝土的强度进行分析也不失为一条途径。
1 数值模拟试件物理实验的可行性广义荷载与狭义荷载问题。
混凝土试件的物理模型实验是施加承压板位移，读出压力机的压力读数，计算出混凝土试件的承压力，从力学概念上说是施加的广义荷载——位移，在数值分析中也应当施加广义荷载，为此，先按试件的标准抗压强度确定这个广义荷载。
设计1个试件的数值模型，取150mm的立方体，按有限元法分析，剖分为3375个10mm大小的立方体单元，模拟混凝土试件抗压实验的边界条件——无减摩措施试件的上下表面接触承压板，底部结点3向约束，顶部结点平面内2向约束，法向施加狭义荷载——混凝土的标准抗压强度f ck，试件周边无约束。
以C10混凝土为例，取其弹性模量E=1．75 ×104MPa，布桑系数μ =0．15，标准抗压强度 f ck= －6．7MPa，标准抗拉强度 f tk=0．9MPa［3］，对其进行数值模拟，计算出顶部承压板的位移，成果如表1所示。
基于数字图像处理技术的再生混凝土数值模拟杨欣欣;应黎坪;彭一江【摘要】为了研究骨料形态对再生混凝土材料力学性能的影响,基于势能原理的基面力元法,利用图像处理技术和MATLAB软件,建立了再生混凝土真实骨料细观模型.应用FORTRAN分析软件对再生混凝土试件进行单轴拉伸试验的数值模拟,研究了真实骨料细观模型再生混凝土宏观应力-应变曲线变化规律和试件的破坏形态.结果显示,真实骨料模型得到的宏观应力-应变曲线和试验曲线吻合度较高,骨料形状对试件的破坏形态影响较小.模型可真实地模拟再生混凝土在单轴拉伸作用下的损伤破坏过程,准确地反映试件的实际骨料形态.【期刊名称】《河北工业科技》【年(卷),期】2018(035)005【总页数】6页(P329-334)【关键词】非金属建筑材料;数字图像;基面力元法;再生混凝土;损伤分析【作者】杨欣欣;应黎坪;彭一江【作者单位】北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;北京工业大学建筑工程学院,北京 100124【正文语种】中文【中图分类】TU528.0传统的混凝土细观数值模型，由简单的几何体组合而成，骨料位置随机分布，生成的模型具有形状假定性和位置随机性，与真实的骨料模型有一定的差别，其力学性能的数值模拟结果与真实结果有一定出入。
近年来，随着数字图像处理技术的广泛应用，国内外许多学者通过图像处理技术重构混凝土的细观结构，建立真实骨料细观模型，研究混凝土的力学性能。
YANG等[1]根据骨料图像信息，通过对图像处理分离了骨料元素；YUE等[2]综合数字图像和有限元，研究了混凝土中骨料的形状、大小及空间位置分布对其力学性能的影响；田威等[3]应用CT技术，得到混凝土试件破坏过程中的实时CT图像，研究了CT扫描数和应力的关系；于庆磊等[4]应用数字图像技术建立了细-微观尺度耦合的混凝土数值模型，模拟了混凝土受到单轴载荷时的破坏过程；秦武等[5]应用数字图像技术计算了混凝土试件弯拉和轴拉的断裂过程；杜成斌等[6]利用图像重构生成了湿筛混凝土图像骨料模型，对模型进行了试件静力和动力破坏的数值研究；肖建庄等[7]利用数字图像处理技术，对骨料与砂浆的边界进行提取，建立了能够真实反映再生混凝土粗骨料分布的二维细观数值模型；雷斌等[8]基于再生混凝土内部细观结构的数字图像，研究了再生混凝土在疲劳荷载作用下的损伤分布和应力分布的变化规律；袁则循[9]利用高精度CT图像，建立了三维混凝土真实骨料结构模型，对其模型进行了单轴压缩数值模拟；岳强等[10]将数字图像技术、几何矢量转换技术和有限元软件网格生成方法相结合，在建立的真实骨料结构细观模型上，通过变参数分析，研究了再生混凝土各相介质的细观力学性能对宏观力学性能的影响；秦拥军等[11]建立了再生混凝土数字图像模型后，得出了试件单轴压缩的应变云图，研究了骨料对抗压强度的影响。
长春工程学院学报(自然科学版)2020年第21卷第3期J.Changchun Inst.Tech.(Nat.Sci.Edi.),2020,Vol.21,No.32/27 5-11ISSN1009-8984CN22-1323/Ndoi：10.3969/j.issn.1009-8984.2020.03.002基于ABAQUS的再生混凝土冻融性能数值模拟研究张自荣，马超朋，姜天公平，张一蕾（长春工程学院土木工程学院，长春130012）摘要：随着建筑垃圾资源化的发展，再生混凝土在工程中的应用在不断推进。
若想全面推广再生混凝土,则需加强对其耐久性能的研究，其中耐久性的重要指标之一就是冻融性能。
利用ABAQUS有限元分析软件建立再生混凝土的温度场模型，将其结果作为预定义场导入热应力场，进行顺序耦合热应力分析。
持续进行冻融环境下抗压试验数值模拟分析，从数值模拟的角度分析再生混凝土循环冻融的破坏规律。
关键词：再生混凝土；冻融循环；数值分析；强度损失率中图分类号:TU528文献标志码:A文章编号：10098984（2020）030005070引言近年来，在我国环保意识和节能减排政策的引导下，科研人员加强了对再生骨料混凝土的各项力学性能和耐久性能的试验研究。
再生混凝土不仅可以从源头上减少对天然砂石的依赖性，还可以减少城市化进程中产生的建筑垃圾，实现建筑、资源与环境的健康良性的绿色可持续发展。
传统的试验方法是通过多次对再生骨料混凝土试件进行快速冻融试验，测定抗压强度损失率和耐久性系数来评估其抗冻融性能，以再生骨料取代率的大小和不同冻融次数为变量进行抗冻性能试验会造成需要较多的立方体和棱柱体试块。
此外，若想测定表面的应力应变变化情况,还需额外粘贴应变片来检测。
在试验过程中会消耗大量的试验材料和人工，并且试验周期相对较长，试验结束后也会产生大量的废弃试块垃圾。
还有实验过程受客观条件的限制，试验结果与实际工程也会产生一定的误差丄。
基于随机骨料模型的再生混凝土单轴压缩数值模拟姚泽良;段东旭;党发宁;张芳芳【摘要】采用计算机语言MATLAB自编基于塑性损伤本构关系的再生混凝土随机骨料程序,利用大型软件ABAQUS建立再生混凝土双界面细观结构计算模型,对模型的抗压性能、应变峰值、应力分布、损伤状态等关键性能进行了系统的计算分析,研究了不同界面砂浆强度、厚度等因素对再生混凝土关键性能的影响.结果表明:单轴压缩荷载作用下再生混凝土的内外界面区域出现损伤破坏,其原因是该区域存在拉应力集中和剪应力集中;在较弱的界面区最先出现损伤,之后损伤逐渐向砂浆区域扩展;新老砂浆的强度对再生混凝土抗压性能的影响显著;老硬化砂浆在一定程度上弱化了再生混凝土的性能.%Based on the concrete damage plasticity constitutive model, aprogram of the concrete random aggregate is developed.The bifacial mesoscopic structure models of the recycled concrete random aggregate are established by the finite element software ABAQUS.The mesoscopic mechanical properties of the recycled concrete, such as the compressive strength, peak strain, damage development, stress distribution and so on are studied.The effects of the new and old hardened mortar strength, the strength and thickness in the internal and external interface area on the mechanical properties are analyzed.The results show that there exist tensile stress and shear stress concentration problem in the internal and external interface area of the recycled concrete under uniaxial compression.The damage failure is mainly caused by the concentration of the tensile stress and shear stress.The initial damage occurs first in the weaker interfacial region, with the damage developed tothe mortar area.The strength of the new and old hardened mortar strength has greatly affected the concrete compressive strength, and it has a small impact on the interface region and the outer interface strength.The old hardened mortar may weaken the mechanical properties of the recycled concrete.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2018(034)004【总页数】6页(P475-480)【关键词】损伤塑性;再生混凝土;随机骨料;细观结构【作者】姚泽良;段东旭;党发宁;张芳芳【作者单位】西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048;西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048;西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048;西安理工大学土木建筑工程学院, 陕西西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TU470全球产生的废弃混凝土量逐年增加，废弃混凝土回收利用问题已成为学术界和工程界研究的热点问题之一。
发展再生混凝土技术是实现建筑资源可持续发展的重要途径之一[1]。
国内外的许多研究表明再生混凝土的力学性能与普通混凝土相比有所弱化[2]，因为再生混凝土具有更为复杂的细观结构，而大部分的试验研究基本上不会考虑细观结构，得到的结果就很难揭示出再生混凝土力学性能的实质。
为了能系统掌握再生混凝土的力学特性，有必要对再生混凝土在细观结构上进行研究[3]。
近年来，国内外学者针对再生混凝土技术开展了一定的研究[4-5]，研究成果主要体现在再生混凝土的细观力学模型方面。
Hrennikooff提出了以理论物理学为基础的格构模型，由于该模型忽略了较小颗粒，在模拟受压时存在局限性。
Mohamed 和Hansen[6]提出了M-H模型，该模型考虑了混凝土细观组分和力学性质的随机性，但在模拟复杂应力条件下的断裂问题时存在局限性。
以上分析表明，现有再生混凝土计算模型还存在一定不足，如何有效构建骨料模型有待深入研究。
为了研究再生混凝土材料在单轴压缩下的损伤机理和各相材料性能对宏观力学性能的影响，通过MATLAB和有限元软件ABAQUS建立再生混凝土随机骨料计算模型，计算分析了在单轴压缩作用下再生混凝土损伤开展及其力学性能。
1 再生混凝土细观骨料模型参考党娜娜等[7-8]在随机骨料模型结构上的相关处理方法，考虑将再生混凝土骨料形态视为圆形，在天然骨料外围均匀附着砂浆，其中内外砂浆界面区域厚度为0.5 mm，老硬化砂浆厚度为1 mm，见图1。
图1 再生骨料细观Fig.1 Meso scale of recycled aggregate根据Walraven公式[9]，由三维级配曲线转换为试件截面上任意点具有骨料直径D<D0的概率Pc[9](n=D0/Dmax)为：(1)式中：Pk为骨料体积占总体积的百分比。
模型中再生骨料取代率为100%，骨料粒径范围是5～20 mm，骨料含量取为40%。
根据Walraven公式[7-9]计算得到14个骨料颗粒，其中10个颗粒直径为5～10 mm，3个颗粒直径为10～15 mm，1个颗粒直径为15～20 mm。
2 损伤塑性本构模型选用ABAQUS软件自带的损伤塑性本构模型(简称CDP模型)。
CDP模型属连续介质塑性损伤模型，该模型以Lee、Fenves模型和Lubliner[10]模型为基础，需要定义损伤、塑性等参数。
2.1 CDP模型塑性参数根据CDP模型要求，定义流动法则、屈服函数、粘性特性等相关塑性参数。
根据《混凝土结构设计规范》中相关规定，合理选取再生混凝土的膨胀角、偏心率等相关塑性参数，见表1。
表1 相关系数Tab.1 Relative parameters偏心率膨胀角/(°)kfb0/fc0粘性系数0.1380.666 671.161E-0052.2 CDP模型压缩损伤参数2.2.1 单轴压缩下应力-应变关系当x≤1时:y=αax+(3-2αa)x2+(αa-2)x3(2)当x>1时:(3)(4)(5)式中：fc为单轴压缩下混凝土抗压强度；αa，αd分别为单轴压缩下应力-应变曲线上升、下降的相应数值；εc为与fc相对应的压应变峰值。
单轴压缩下应力-应变关系见图2。
图2 单轴压缩下应力-应变关系Fig.2 Stress strain curves under uniaxial compression2.2.2 压缩损伤指标(6)式中：Ec为弹性模量；为单轴压缩时的塑性应变；bc为塑性应变占比。
2.3 CDP模型拉伸损伤参数2.3.1 单轴受拉时应力-应变关系当x≤1时:y=1.2x-0.2x6(7)当x>1时:(8)(9)(10)式中：ft为混凝土抗拉强度；αt为单轴受拉时应力-应变曲线下降段数值；εt为与ft相对应的压应变峰值。
单轴压缩应力-应变关系曲线见图3。
图3 单轴拉伸下应力-应变关系Fig.3 Stress-strain curves under uniaxial tension2.3.2 损伤指标(11)式中：Ec为弹性模量；为受拉塑性应变；bt表示塑性应变占比。
3 再生混凝土细观力学性能数值模拟分析3.1 二维平面模型通过计算机语言MATLAB自编算法，建立再生混凝土的二维平面随机模型。
该算法运用了Monte Carlo法[11]生成随机数的原理，可随机生成混凝土再生骨料的位置坐标。
已有研究[12]表明，代表性体积元RVE常被视为混凝土宏观力学性能和其细观结构的纽带，其边长应大于等于三倍最大骨料粒径[13]。
因此，本文通过算法获取骨料的位置坐标后，在ABAQUS中生成了60 mm×60 mm二维平面模型。
3.2 设置力学参数和网格划分根据塑性损伤的本构关系，对再生骨料中五相材料赋予相应的材料参数。
根据相关试验资料[14]，选取的五相材料参数见表2。
在划分网格时，全局尺寸为0.5，外边四边布种尺寸为1，为保证计算精度三个圆环在厚度方向补三层种子。
天然骨料内部采用过渡网格，过渡值为2～2.5。
网格划分完成后，对模型添加位移荷载和约束(见图4)，模型上部设有耦合约束，在参考点作用有-0.05 mm位移，模型下部设有法向约束，下部中点处设有水平约束。
表2 五相材料系数Tab.2 Parameters of five phase Materials材料名称弹模E/GPa抗压强度fc/MPa抗拉强度ft/MPa泊松比γ密度ρ/(t/mm3)新硬化砂浆23.6826.781.910.222.36×10-9老硬化砂浆19.2718.171.660.222.38×10-9外界面23.6812.21.220.22.37×10-9内界面19.2710.21.020.22.36×10-9天然骨料8080100.162.37×10-9图4 随机骨料模型Fig.4 Random aggregate model本文建立的二维平面随机骨料模型共生成19 021个单元，包括3 006个老硬化砂浆单元、6 957个新硬化砂浆单元、3 006个老界面区单元、3 006个新界面区单元数量以及3 046个天然骨料单元数量。
图5为二维平面随机骨料模型的局部网格。
