基于c的混凝土三维数值模拟与试验研究

基于c的混凝土三维数值模拟与试验研究

0混凝土ct图像自20世纪80年代以来，ct技术被用于研究岩石、土壤、混凝土和其他材料的内部微观结构、微观结构、微孔和微裂纹的发展。近年来,基于混凝土CT切片扫描并利用图像重构技术获得真实的混凝土三维构型,继而生成三维有限元模型,再采用细观数值模拟的思路研究混凝土的力学行为成为混凝土力学特性研究的一种新途径。20世纪80年代初,Morgan等首次采用医用CT对混凝土小试件进行了CT扫描,获得了含骨料、砂浆、微裂纹的混凝土断面图像。Buyukozturk通过对基于X射线或γ射线的CT法与热红外线法、微波法、声发射法等的对比,发现骨料、砂浆、孔洞等组分在CT图像中清晰可见,认为X射线CT法是研究混凝土内部结构的有效方法。周尚志等应用X射线CT法对单轴压缩条件下混凝土的细观破裂过程进行了实时扫描观测,获得了混凝土试件内部CT尺度裂纹开裂、扩展、连通的全过程CT图像。戚永乐等利用图像处理技术对扫描后的混凝土CT图像进行了三维重构,在此基础上,得到了混凝土三维有限元模型,并通过ANSYS进行了数值模拟。在上述研究背景下,本文中笔者试图利用MIMICS软件对混凝土CT图像进行三维重构,并且通过混凝土与砂浆试件的力学试验,获得了砂浆材料的力学参数与混凝土试件的本构曲线;采用试验所得材料力学参数,并考虑了力学参数与密实度(即CT数)相关这一原理,建立了较为精细的三维有限元模型,利用有限元软件对三维数值试件进行了单轴受压与单轴受拉数值模拟。1力学试验1.1试验总结1.1.1材料配比及配合比本试验采用的水泥为安徽宁国市港口镇海螺牌P.O42.5R水泥,粗骨料为粒径10～15mm的连续级配碎石(表观密度2.8g·mm-3),细骨料为中砂(粒径小于2mm),外加剂为Vivid600聚羧酸高效减水剂(质量分数40%),用自来水人工拌和。试件设计强度分别为C20、C30、C40。根据不同强度设计值划分试验组别,3组材料的配合比见表1。混凝土试件为圆柱体,底面直径55mm,高110mm;水泥砂浆试件按照表1所列胶凝材料、水和砂浇注,配合比见表2。水泥砂浆试件为40mm×40mm×160mm的棱柱体。1.1.2仪器和试验设备为满足试验要求,本试验采用了上海交通大学土木工程系岩石力学实验室的RMT-150B岩石力学试验系统(属于数字控制的电液伺服试验机)。该系统能跟踪脆性材料的破坏瞬间,得到令人满意的应力-应变曲线。1.1.3不同配合比的配合比的对比本试验的单轴受拉和单轴受压硬化水泥砂浆与混凝土试件按其配合比的不同分为3组。根据试验需要,取单轴受压与单轴受拉的硬化水泥砂浆试件共18个,取单轴受压与单轴受拉的混凝土试件共9个,各组试件的受力状态见表3、4。1.2试验结果与参数分析1.2.1硬水泥砂浆试验(1)力学参数测试单轴受压硬化水泥砂浆试件共有9个,分3组。对试验数据进行计算处理可得到每一组试件的力学参数,见表5～7。上述3组试件对应的试验曲线如图1所示。(2)硬水泥砂浆试件的机械参数单轴受拉结果见表8。三点弯折试验结果见表9。硬化水泥砂浆试件单轴受拉对应的试验曲线如图2所示。1.2.2混凝土试件力学参数混凝土试件单轴受压的力学参数见表10、11。混凝土试件单轴受拉试验的3个试件中有1个因对中问题而发生拉弯破坏,其余2个试件的力学参数见表12。2ct扫描与3d重建2.1断层区域内的各化学成分CT扫描技术依据射线穿过介质的衰减程度正比于介质密度这一原理,结合计算机技术和图像处理技术可获得反映物体内部密度信息的数字图像。通过这些和密度相关的图像信息,就能够识别材料内部的形态与结构组成,密度信息在CT图像上表现为分组区域的灰度信息。CT断层扫描实质上获取了断层区域内一个物理量的二维分布,该物理量就是下文的线性衰减系数μ(x,y),μ(x,y)与物体的密度直接相关。早期的CT技术工作者就以水的衰减系数为标准定义了CT数Hp,即Hp=μm−μwμw×103(1)Ηp=μm-μwμw×103(1)式中:μm、μw分别为物体与水的衰减系数。通过式(1)得到每个像素的CT数,每个CT数对应一个灰度值,如此就形成了一个断层灰度图的数字矩阵。CT机对物体进行垂直横断面方向的连续扫描,就得到了一组CT灰度图,这些灰度图经过三维重构,可以获得整个物体内部的空间组成。经过不断地识别与修正,对本次试验混凝土试件识别出的各相介质CT数的阈值分别为:骨料2200～3071,硬化水泥砂浆2000～2200,界面过渡区(ITZ)1000～1600,其扫描识别的结果如图3所示。2.2混凝土面模模型建立虽然由MATLAB对CT图像的三维重构是可行的,但当图像的数据量稍大,计算稍复杂时,结果就不甚理想。本文中借助MIMICS软件对扫描所得混凝土断面图像进行三维重构,并对三维图形进行有限元网格划分,建立了三维有限元模型。经过三维重构所得到的是一个三维的CT数矩阵,赋材质的过程就是根据每个有限元网格中所包含像素的CT数来判定材料类型。MIMICS软件中提供了多种优化网格质量的方法,可以修正由于三维物体本身的缺陷导致的不利于数值稳定的畸形单元。在确定每一个有限元网格的CT数后,根据CT数来判断网格所对应的材料类型,然后赋以对应的各相本构关系与力学参数。2.3应变应力与应力的关系结合文献中给出的岩石类材料的单轴受拉、单轴受压本构关系,本文中取骨料的单轴受拉、单轴受压本构关系为线性上升段及两折线软化段,如图4所示,其中,f为应力,ε为应变。针对3组配合比下的混凝土,本文中对应测试了相同配合比下硬化水泥砂浆的力学性能,经简化砂浆试验曲线建立了砂浆本构模型及其力学参数,并提出了与砂浆本构模型类似的ITZ的细观力学模型,如图5所示,其中,ft、ft1为拉应力,εt、εt1、εtu为拉应变,fc、fc1为压应力,εc、εc1、εcu为压应变,dt、dc为拉压系数,E0为初始弹性模量。3本构模型的数值模拟结果圆柱体试件尺寸为Φ55×110,考虑到计算机硬件水平,单元尺寸取为1.4mm×1.4mm×4mm,单元类型为C3D8,整个模型包含约34000个单元。单轴受拉作用下,试件T-3-1的数值模拟与真实试验的应力-应变曲线如图6所示。试件C-1-2、C-1-3、C-1-4、C-2-2在单轴受压作用下,其数值模拟与真实试验的应力-应变曲线如图7所示。由图6、7可见:数值模拟的应力-应变曲线在峰值应力与峰值应变处和试验曲线较为吻合,且两者在上升段基本相符。这表明CT扫描可以反映材料内部的缺陷与材质信息,为定性研究混凝土提供了一种可行的手段。但是,数值模拟的下降段要比试验的更脆,该现象一方面与ABAQUS不能模拟混凝土试件在接近破坏时的真实受力状态有关;另一方面也与模型、参数选取有关,即混凝土三相介质细观力学模型中每一相的本构需要6个参数来确定,这势必增大了误差。由于现有普通医用CT的分辨率不高、计算机能力有限,故还很难达到真正意义上的细观水平数值模拟。为改进模拟效果,可以采用文献中建议的弹脆性细观本构模型,此时每一相的本构关系只需要2个参数就可以确定,以减小误差。4混凝土试件材料(1)利用MIMIC