文摘

有各种各样的定义损伤变量从现有的损伤模型。当前价值的损失计算方法仍无法对应于实际的伤害值。因此,有必要建立损伤演化模型对应于实际的损伤演化。在这篇文章中,普通混凝土的应变敏感的各向同性损伤模型提出了描述其非线性行为。循环对混凝土进行了单轴压缩试验样品三个应变率10−3年代−1,10−4年代−1,10−5年代−1分别和超声波测量应变值在指定期间加载的进步。定义的损伤变量使用sec和初始模,然后和混凝土损伤演化研究使用循环进行的单轴压缩试验的实验结果在不同的应变率。粘弹性应力-应变关系,认为提出的损伤演化模型,提出了根据不可逆过程热力学的原则。同意实验和模型结果表明,所提出的损伤演化模型可以准确地描述混凝土的宏观力学的发展削弱。damage-coupled粘弹性本构关系的具体建议。得出,该模型不仅可以描述一维压缩载荷下的应力-应变响应的材料,但也确实反映了退化macromechanical法律属性的材料。拟议的损伤模型将促进对混凝土材料的破坏过程的理解。

1。介绍

混凝土是一种多相和不连续的多相复合材料。收缩和出血可发生在混凝土在混凝土硬化因物质成分的不均匀性,导致过度的微裂缝和microdefects不可避免的发展。微裂隙和microdefects分散材料将逐渐扩大,发展,收敛,穿透,并最终形成宏观裂纹,这将导致失败的作用下外部负载。研究损伤演化过程将有助于深化理解的恶化macromechanical混凝土的性质。

内部微裂缝和脱胶水泥浆与骨料之间的主要原因是混凝土材料的非线性行为。损害的发生和发展是损伤演化的过程和适当的损伤变量被视为内部变量的本构关系描述的物理和机械性能。作者在1- - - - - -3假定材料是各向同性的伤害和提出一个弹性各向同性损伤的本构方程。然而,(4]推荐采用不同阶张量来描述各向异性损伤,提出了各向异性弹性损伤模型。Brunig和Michalski5)建立了一个模型的各向异性损伤混凝土根据不可逆热力学。然而,这些弹性损伤模型不能描述材料的不可逆的行为。

研究人员待遇不可逆变形塑料和提出了弹塑性损伤本构方程。混凝土本构模型的非线性特性是推荐的6]。奥纳et al。7)提出了一种局部本构模型来分析固体材料的失败。郑et al。8)获得一个新的塑性损伤模型的两个损伤变量混凝土裂缝的失败。杰斐逊et al。9)提出了一个新的全面的三维塑性损伤接触模型。冯et al。10)采用了弹塑性损伤能量释放率作为驱动力的伤害。这些塑料损伤模型是用来描述混凝土的不可逆行为的基础上屈服面理论和非伴生流规则来描述非弹性变形的发生。然而,没有明显的屈服点低三轴应力条件下混凝土的应力-应变曲线。一个各向同性模型在混凝土单轴压缩蠕变损伤提出了(11]。皮德森et al。12)提出了一个则独立粘弹性和粘塑性的本构关系为混凝土的动力学行为。上面所有的模型都是基于场论方法的现象学方法。这macroapproach是基于连续介质力学和连续介质热力学和决定了材料本构方程和损伤演化进而使用热力学定理和内部变量理论。该方法不需要推导出理论直接从微观机制与宏观物理量之间的关系只要求建立模型与实际行为是一致的。

许多研究人员利用介观方法分析混凝土的损伤。这些方法都是基于个人微观材料的力学行为和交互组件(13,14]。Kassner et al。15)提出,微裂隙的力学材料是基于多尺度力学模型,研究中尺度脆塑材料的行为。Contrafatto et al。16)建立了中尺度模式来分析混凝土的非线性行为的随机分布阶段。这些介观模型可以描述背后的物理过程损伤变量和损伤演化和清楚地解释混凝土裂纹萌生的机制。然而,异构微观力学材料需要很多材料过渡到宏观均匀简化的假设。微观组成的理解是不够的,因为微观破坏机制是非常复杂的,和,因此,很难获得他们的力学参数。

有各种各样的定义损伤变量用于现有的损伤模型。另一方面,建立的损伤演化模型总是从经验;一些是基于一个宏观的视角和微观的观点。事实上,伤害值基于这两种方法计算的模型与实际损伤值不一致。因此,有必要建立损伤演化模型对应于实际的损伤演化。在这篇文章中,材料的损伤变量定义为的比值降低混凝土的弹性模量的初始弹性模量。实验损伤演化值量化,建立了相应的损伤演化模型基于实验破坏数据。最后,提出了粘弹性损伤本构模型的合理性验证的混凝土单轴循环压缩试验结果。

2。实验

2.1。材料和混合比例

所使用的混凝土标本是150毫米的立方体。混凝土配合比见表1。42.5级普通硅酸盐水泥,由HaiLuo水泥有限公司,安徽,中国,是用于实验的粘合剂。细集料是海水淡化海砂,粗骨料是碎石,总量一直低于17.5毫米的大小。使用普通自来水。混合物是相同的塑料模具。删除裹入气,新鲜的混凝土混合物在振动台振实后被注入模具。演员标本保存在实验室条件下对24小时然后demolded。然后他们被治愈在实验室房间20°C和28天的相对湿度为95%。

表1
混凝土的混合比例样本。
2.2。测试设置

循环进行了单轴压缩试验在微处理机控制电液伺服万能试验机帕- 2000由上海Bairuo检测仪器有限公司有限公司的垂直位移由两个线性变量测量位移传感器(1 #和2 #线性)和加载速率是由位移控制。九个标本被分成三组,加载下三个应变率(10−5年代−1,10−4年代−1,10−3年代−1)。测试设置示意图如图1。


图1
原理图的循环单轴压缩试验。

超声检测是用于检测混凝土开裂和恶化在循环压缩加载实验。作为混凝土的超声波波速比在空气中快得多,混凝土的超声波速度包含的会减少小裂缝,而初速度。因此,混凝土中微裂隙成核可以减少检测到的超声速度(17]。卸货开始预选点和超声波测量时被压缩位移达到预选卸载点。两个超声波探头垂直排列的方向加载和凡士林作为探针和混凝土之间的偶联剂以减少声波能量的损失。超声波实验设备由北京Zhibo采纳。

2.3。实验结果

循环压缩荷载下混凝土的应力-应变关系与不同应变率见图2。循环压缩试验结果的总体特征可以概括如下。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图2
混凝土的应力-应变曲线循环压缩载荷作用下不同的应变率:(a)应变率的10−3年代−1;(b)应变率的10−4年代−1;(c)应变率的10−5年代−1。

一个装卸循环通常包含两种不同的路径:卸载路径和重新加载路径。提出了图2、混凝土刚度逐渐减少由于材料的内部损伤的累积效应引起的载荷的循环次数增加。

卸载曲线的刚度明显小于重载的刚度曲线。这个有趣的结果表明,一些材料的内部microdefects卸货过程中关闭。

加载曲线可以分为两个阶段,在重载的进步。应力-应变曲线在到达卸货之前几乎是线性应变。当应变的值超过卸货点应变,应力-应变曲线表现出非线性形状。这个结果可以解释为,加载过程之前没有造成新的损伤前卸载点。当应变大于卸货点的应变,应力-应变曲线表现出非线性由于新的损伤成核。

混凝土的相对超声波波速结果进行压缩与不同的应变率加载过程呈现在图3。从图3的一些主要特征循环压缩加载下的具体行为可以推导出如下。


图3
相对超声波波速的混凝土样品的循环压缩加载过程。

在试验加载的初始阶段,超声速度没有明显的变化或者只是部分增加由于内部microdefects关闭。这些发现证实了循环压缩试验,结果表明:卸载路径几乎是重叠的加载路径。

随着负载的增加,超声传播速度开始慢慢减少,微裂隙之间的接口骨料和水泥砂浆开始逐渐扩大。负载接近峰值强度时,超声波速度急剧下降,这表明在混凝土内部裂缝从骨料和砂浆之间的界面裂缝蔓延到砂浆的内部。材料表现出明显的非线性特征在这个阶段和滞回耗能被发现在图越来越明显2。

负载时进一步增加,裂缝成为相互关联,可以观察到明显的宏观裂缝混凝土的外表面(图4)。超声波传播速度显著降低是由于裂缝的不稳定,很难发现任何超声波传播速度的变化。


图4
宏观裂缝混凝土的外表面。

总的来说,这些结果表明,有一个超声波速度之间的关系和滞回能量耗散。更明显的滞回耗能意味着更多的能源消耗创造更多的裂缝,这反过来会导致长时间的超声频率波脉冲穿过一个具体的示例。因此,减少超声波速度时将观察到的混凝土裂缝。

3所示。在混凝土损伤演化循环压缩

它可以从获得的应力-应变曲线在混凝土循环荷载试验,材料的刚度退化由于微孔和缺陷的发展随着变形的增加。因此,损害因素,D的相对衰减,被定义为混凝土循环压缩载荷作用下的弹性模量: 在哪里 受损材料的弹性模量和吗 是初始弹性模量。

材料的模量可以计算出超声波的速度如果材料均匀,各向同性和弹性。很明显,混凝土不满足这些物理需求(18,19]。摘要割线模量被认为是破坏了材料的弹性模量。方程(1)被用来量化损伤的实验结果与应变三种应变率下,反映的实际降解材料在加载刚度。计算结果如图所示5。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
实验结果和模型在不同应变率下混凝土损伤演化。

在图所示的损伤演化曲线5表明整个混凝土损伤演化过程可分为三个阶段。在加载的初始阶段,最初的微裂隙骨料和水泥砂浆之间保持相对稳定和微裂隙加载下封闭,从而导致密度的增加。在这个阶段,材料的模量几乎没有减少,甚至比初始模量增加。损伤的程度可以在这个阶段被认为是0;显然,损伤阈值存在的损伤演化过程。随着负载的增加,内部损伤开始慢慢增加,材料的模量开始减少,主要是由于裂缝的逐渐增加灰浆和骨料之间的过渡区域。当加载进一步增加,模量下降的速度开始加快,材料的损伤开始迅速增加。发生这种情况主要是由于微裂隙的过渡区有核和扩展到砂浆。残余强度阶段,微裂隙形成由于互连微裂隙的骨料和砂浆之间的界面区。在此阶段,试样破裂然后弹性模量的衰减变得温柔,破坏稳定。

从图可以看出5损伤阈值存在的损伤演化过程,在应变率增加而增加。当应变率很小,材料中的微裂隙有足够的时间合并和传播。另一方面,损伤阈值增加,应变率的增加,由于内部微裂隙没有足够的时间来传播和发展。因此,在混凝土损伤演化不仅对材料流变学有关,而且与应变率。这一结论与文献[是一致的20.]。因此,应变率依赖时,应该考虑建立损伤演化模型。

混凝土的损伤演化模型假定在这个研究如下: 在哪里 损伤阈值, 是待定参数, 是参考应变速率为1 s−1,米是形状的因素。

用表中列出的参数值2在方程(2),可获得损伤演化的结果,如图5。损伤演化模型的结果与实验吻合良好的破坏模量衰减的结果。

表2
损伤演化模型的参数。

4所示。模型验证

实验结果的循环混凝土的单轴压缩试验表明,一些不可复原后存在变形卸载。歌等。21)认为这种不可复原变形粘性构象。因此,混凝土的总应变压缩可分为弹性应变和恶性压力如下: 在哪里 弹性应变, 粘性应变。

介绍了内部变量描述粘性的发展特性。单轴压缩实验是一个准静态压缩的过程在室温下,它可以被视为一个等温。基于不可逆热力学理论,亥姆霍兹自由能密度函数可以表示如下:

考虑到材料的亥姆霍兹自由能密度函数组成的弹性和不可逆转的粘性组件,方程(4)可以写成:

基于Lemaitre等效应变的原则, 在哪里 有效应力, 是材料的名义应力,E完整的材料的弹性模量。因此,弹性部分的自由能密度函数可以表示如下: 在哪里 混凝土的密度。

获得的应力-应变关系可以从热力学控制方程如下:

根据内部变量演化方程的非线性迭代的解决方案(22), 在哪里 是材料弛豫时间。

损伤的粘弹性本构模型可以得到方程(9)方程(8)如下:

损伤演化模型的参数如表所示2。硅镁层等。22]建议下混凝土的应力-应变曲线的包络线循环压缩本质上是一致的,在单轴压缩。因此,为了验证模型的适用性,循环压缩荷载曲线的包络线是由最小二乘法拟合的根据建立模型。粘弹性本构模型的参数拟合获得的如表所示3。

表3
单轴荷载作用下混凝土力学参数曲线拟合得到的。

弛豫时间的曲线拟合结果表明,与加载速率,降低了与应变的增加比率的分子运动的多样性。运动的大规模的单位不会对高应变率,而小规模的运动单元可以被激活的高应变率,这将导致一个小的弛豫时间。相反,在低应变率下,大规模运动单元的运动和小规模的单位有足够的时间响应;因此,弛豫时间更长。曲线拟合结果如图6。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
实验和模型混凝土在不同应变率下的应力-应变曲线。

图6表明粘弹性本构模型和损伤是在良好的协议与实验结果。在目前的研究中,模型计算结果和测试结果的r平方是0.9018,0.7573,和0.9313,分别。因此,该模型可以描述混凝土在单轴压缩应力-应变响应行为。前面提出的本构模型与损伤只需要配合实际的应力-应变曲线,验证他们的适应性。然而,损伤模型通常不捕获实际的材料刚度退化。本文提出的模型不仅反映了材料的流变退化刚度,还可以描述混凝土的应力-应变响应行为。该模型可以描述准静态加载下混凝土的应力-应变响应。该模型在目前的研究是不适合具体的动态载荷作用下的应变响应行为。我们的研究结果表明,强度、刚度、和混凝土的损伤演化与加载速率有关。因此,混凝土的动态力学响应行为需要进一步研究。

5。结论

混凝土损伤演化的定量实验结果受到循环单轴压缩加载。结果表明,存在一个损伤阈值与应变率有关。建立了损伤演化模型,与定量损伤实验结果一致。与损伤粘弹性本构关系是具体的建议。分析表明,该模型不仅可以描述材料在一维压缩负载下的应力-应变响应,也反映出准确的退化macromechanical属性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是财务支持的江西省教育部门科技项目(批准号GJJ180957),全国大学生创新与创业培训项目(批准号201611319007),资金计划的江西省主要学科学术和技术负责人(批准号201720172 bcb22022),关键在江西省科学技术研究项目教育部(批准号,GJJ151096和GJJ14755)和中国国家自然科学基金(批准号51569016)。