【科研创新】基于RB-DEM的介观尺度混凝土断裂性质研究

由于价格低廉、原材料丰富、生产工艺简单，混凝土作为最常见的材料之一被广泛应用于土木工程、造船、机械工业和地热工程。然而，混凝土在恒定荷载作用下产生不可忽略的变形，严重威胁结构的安全。因此，研究和理解受压混凝土的破坏演化对从业者来说至关重要。

随着计算机计算性能的发展，利用数值软件来探索各类材料的性能已经成为一种常见的研究方法。混凝土作为一种非均质多相材料，由粗细骨料、砂浆、界面过渡区（ITZ）和孔隙组成。在介观尺度研究中，鉴于混凝土的各向异性，混凝土由多种材料共同组成。这种研究方法有助于进一步了解混凝土结构的局部破坏模式以及各种因素对其力学性质的影响。

DEM是一种专门用于研究不连续体的数值模拟方法，本文提出了一种用于介观尺度结构混凝土建模的新的刚性块离散元方法（Rigid Block DEM）。与传统的球体离散元相比，RB-DEM具有模型易于生成、计算效率高、精确的几何表征、颗粒间无空隙等优点。如图1所示，刚性块的核心形状由线性小平面组成，通过根据指定半径沿小平面法线方向向内移动核心形状的所有小平面，并且可以引入圆角以提高计算效率。

在细观研究中，混凝土作为一种非均质复合材料通常被视为由粗骨料、砂浆和ITZ组成的三相体系。本文使用随机角度增量和随机长度序列方法生成骨料。与其他方法相比，该方法可以生成凹形骨料，并通过改变相关参数来修改骨料颗粒的伸长率。对于混凝土模型中的骨料放置，本文充分考虑了骨料与边界重叠的情况。在获得几何模型之后，为了确保模拟结果的准确性，生成了以四边形为主的高质量网格模型。最终将网格模型被转换为由大量刚性块组成的离散元模型。

对混凝土模型进行单轴压缩测试，如图3所示，无论是应力应变曲线还是模型的破坏模式，计算结果与实验数据都基本一致。当压缩结束后，可以明显观察到混凝土模型中沿着骨料边缘存在几条主破裂带。

为了便于讨论，本文将0%至30%的骨料体积分数视为低骨料体积分数，40%至60%的骨料体积百分比视为中等骨料体积分数；其余70%以上的骨料体积比例视为高骨料体积分数。

ITZ作为连接砂浆和骨料的最薄弱区域，是直接影响混凝土强度、耐久性和寿命的不可或缺的成分。如图4所示，在相同的强度比值下，骨料比例为50%的混凝土的UCS总是最大的。当强度比为0.55时，70%骨料比例的混凝土的UCS略低于30%骨料比例的。然而，随着比例的增加，这种趋势开始改变，高骨料体积分数的混凝土的UCS逐渐超过低骨料体积分数。

在混凝土中，骨料的主要作用是充当骨架或填料，这是影响混凝土强度的不可忽略的因素。如图5所示，当总体积分数小于50%时，UCS呈现两端大中间小的趋势。然而，当骨料体积分数超过50%时，由于与骨料和砂浆连接的ITZ数量急剧增加，平均峰值强度从33.36MPa急剧下降至24.87MPa。由于这种变化，混凝土模型由于薄弱部位的增加而容易损坏。

在混凝土制备过程中，应避免骨料（如卵石）的光滑表面。因此，值得研究混凝土模型中各种骨料形状的影响。如图6所示，由于应力集中现象具有多边形聚集体的模型较早地在聚集体顶点出现微裂纹。当受到连续压力时，多边形聚集体的应力集中程度变得更加明显，并逐渐转移到裂纹尖端。值得注意的是，多边形骨料模型的裂缝明显短于其他骨料，这意味着非圆形骨料比准圆形骨料具有更大的裂纹扩展阻力。

RB-DEM不仅在仿真中表现出令人满意的性能，而且使用简单,易于上手，为混凝土类材料的介观尺度断裂模拟提供了一种新颖而有效的工具。通过分析不同ITZ参数、骨料体积分数和骨料形状对混凝土力学性质的影响得出以下结论：

（1） 砂浆与ITZ之间的强度比值显著影响混凝土峰值强度后的应力-应变曲线形状，但对峰值前阶段影响不大。

（2）骨料体积分数对破坏演化和应力-应变曲线都有明显的影响，不同阶段骨料体积分数对混凝土UCS的影响不同。随着体积分数的增加，UCS整体变化趋势为下降。

（3） 多边形骨料混凝土的裂缝比其他具有准圆形骨料的混凝土更明显。