吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (6): 1900-1910.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180729

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橡胶集料混凝土细观损伤特性的加载速率效应

狄胜同1,2,3(),贾超2(),乔卫国3,4,李康1,2,童凯1,2   

  1. 1. 山东大学 土建与水利学院,济南 250061
    2. 山东大学 海洋研究院,山东 青岛 266237
    3. 山东省土木工程防灾减灾重点实验室,山东 青岛 266590
    4. 山东科技大学 土木工程与建筑学院,山东 青岛 266590
  • 收稿日期:2018-07-11 出版日期:2019-11-01 发布日期:2019-11-08
  • 通讯作者: 贾超 E-mail:dishengtong@163.com;jiachao@sdu.edu.cn
  • 作者简介:狄胜同(1990-),男,博士研究生. 研究方向:岩土工程及材料损伤破坏机理. E-mail:dishengtong@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51474135)

Loading rate effect of mesodamage characteristics of crumb rubber concrete

Sheng-tong DI1,2,3(),Chao JIA2(),Wei-guo QIAO3,4,Kang LI1,2,Kai TONG1,2   

  1. 1. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China
    2. Institute of Marine Science and Technology, Shandong University, Qingdao 266237, China
    3. Key Laboratory of Disaster Prevention and Reduction of Civil Engineering, Qingdao 266590, China
    4. School of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China
  • Received:2018-07-11 Online:2019-11-01 Published:2019-11-08
  • Contact: Chao JIA E-mail:dishengtong@163.com;jiachao@sdu.edu.cn

摘要:

基于颗粒离散元理论,选取对应不同级别应变率的0.001、0.01、0.1、1.0、3.0 m/s五种加载速率,模拟实现普通混凝土(NC)和橡胶集料混凝土(CRC)单轴抗压强度试验,系统分析了加载速率对本构关系、裂纹扩展、细观损伤及能量演化的影响规律。结果表明:材料的单轴抗压强度以及相应峰值应变随加载速率增的加呈现非线性增长关系,CRC较NC表现出更为明显的加载速率敏感性;加载速率与NC裂纹生成速率呈现负相关关系。而与CRC裂纹生成速率呈正相关关系。提出了两种材料细观损伤变量与加载速率间的拟合方程,拟合效果较好,同时分析了不同加载速率对材料弹性应变能和动能的演化规律影响。

关键词: 道路工程, 橡胶集料混凝土, 细观损伤, 颗粒离散元, 加载速率, 裂纹扩展

Abstract:

Based on the particle discrete element theory, five loading rates corresponding to different levels of strain rate were selected in this paper, and the corresponding loading rates were 0.001 m/s, 0.01 m/s, 0.1 m/s, 1.0 m/s and 3.0 m/s. The uniaxial compressive strength test of normal concrete (NC) and crumb rubber concrete (CRC) was simulated, and the effect of loading rate on the constitutive relation, crack propagation, meso-damage and energy evolution was systematically analyzed. The results show that the uniaxial compressive strength and the corresponding peak strain of the material present a nonlinear growth relationship with the increase of the loading rate. The loading rate sensitivity of CRC is more obvious than that of NC. There is a negative correlation between loading rate and NC crack generation rate, but a positive correlation between loading rate and CRC crack generation rate. The fitting equations between the mesoscopic damage variables and the loading rates of the two materials are proposed, and the fitting result is good, and the effects of different loading rates on the evolution law of elastic strain energy and kinetic energy of materials are analyzed.

Key words: road engineering, crumb rubber concrete, meso-damage, particle discrete element, loading rate, crack propagation

中图分类号: 

  • TU528

图1

平行粘结模型细观接触模型"

图2

平行粘结模型破坏准则"

图3

不同橡胶掺量的材料数值模型示意图"

表1

材料室内物理力学参数与PFC模拟值"

分组 压缩强度/MPa 峰值应变/% 弹性模量/GPa 泊松比
NC 实验值 38.58 0.797 5.81 0.215
模拟值 38.45 0.816 5.72 0.211
CRC,40%Rubber 实验值 1.15 1.63 0.065 0.326
模拟值 1.097 1.57 0.069 0.332

图4

破坏形态室内试验(左)与数值模拟(右)对比"

图5

试样本构曲线的室内试验与数值模拟对比图"

表2

CRC材料物理力学细观参数"

细观参数 砂粒 橡胶
最小粒径尺寸/mm 0.8 1.2
粒径尺寸比 1.66 1.66
密度/(kg·m?3 2600 1200
法向刚度/(N·m) 1.2×108 1.1×105
刚度比 1.2 1.1
摩擦因数 0.42 0.98
平行粘结弹性模量/GPa 1.72 0.102
平行粘结刚度比 1.0 1.0
平行粘结抗拉强度/MPa 65.1 6.52
平行粘结粘聚力/MPa 34.0 1.35
平行粘结内摩擦角/(°) 9 0

图6

CRC细观模型及参数对比验证"

图7

不同加载速率下材料单轴压缩应力-应变曲线"

图8

单轴抗压强度、峰值应变与加载速率关系"

图9

微裂纹生成及扩展演化规律曲线"

图10

微裂纹产生和数量与加载速率关系"

图11

不同加载速率下材料细观微裂纹分布"

表3

材料达到单轴抗压强度时耗散能及损伤变量统计"

加载速率/(m·s-1 边界输入能/J 耗散能/J 耗散能比率/% 损伤变量
NC CRC NC CRC NC CRC NC CRC
0.001 35.7 10.30 8.63 4.06 24.2 39.4 0.028 0.28
0.01 36.0 9.71 8.83 3.77 24.5 38.8 0.029 0.27
0.1 36.4 11.60 8.89 4.84 24.4 41.7 0.030 0.30
1.0 39.0 14.20 10.35 6.51 26.5 45.8 0.034 0.36
3.0 43.4 17.10 12.93 8.32 29.8 48.7 0.037 0.39

图12

细观损伤变量与加载速率拟合曲线"

图13

不同加载速率弹性能与动能演化规律"

图14

峰值强度时能量与加载速率关系曲线"

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