基于微观结构特征的混凝土动态强度提高机理试验研究

混凝土材料动态强度提高机理是强震情况下结构安全评价重要且最为薄弱的环节，本项目针对此进行了系统地研究，取得下列主要成果：（1）系统地进行了混凝土及其组成材料（砂浆、骨料、界面）不同应变率抗拉、抗压试验研究，结合宏观、细观和微观层次分析了混凝土及其组成材料力学性能的率效应规律、机理以及相关性，建立了混凝土及其组成材料力学性能间的关联模型；（2）系统地进行了混凝土、砂浆在不同影响因素（加载速率、材料静态强度、水灰比、含水量、龄期、养护条件等）情况下抗拉、抗压强度试验研究，并测试相应状况下的微观孔结构特征，发现采用多对数正态分布模型能很好地反映各影响因素的共同作用，建立了可以考虑不同影响因素微观结构特征的混凝土、砂浆宏观强度计算模型；（3）系统地建立了一套以微观结构演化为基础的预测水泥基材料宏观力学性能发展的方法；（4）基于建立的微观结构水泥基材料宏观力学性能预测模型对水泥基材料的宏观力学性能（弹性模量、抗拉强度和抗压强度）进行定量计算和系统分析；（5）基于众多试验研究成果建立了考虑多种影响因素（加载速率、材料静态强度、水灰比、含水量、龄期等）水泥砂浆和混凝土动态强度（抗压、抗拉）计算模型；（6）采用改变材料密度的数值计算方法获得了定量惯性力效应分析，揭示惯性效应对材料动强度（轴拉、轴压）影响规律；（7）揭示了混凝土动态强度由固体材料效应（干强度 率效应）、自由水效应（毛细吸力 Stefan效应）以及惯性效应三部分组成机理，建立了考虑混凝土的干强度、固体材料的率效应、毛细吸力、自由水的Stefan效应以及惯性效应建立混凝土动态强度（轴拉、轴压）微观结构机理统一模型。成果为混凝土结构在强动力灾变情况下材料强度确定及结构防灾设计、评估提供了科学依据。 2100433B

汶川地震后，高坝抗震安全性备受关注。强震时混凝土动态强度到底能达到多少？动态强度是安全评价重要且最为薄弱的环节。本课题组为小湾拱坝进行了大量的混凝土动态试验，取得了系列重要的成果。深入研究发现，成果存在通用性问题，混凝土动态强度提高机理亟需研究，机理研究宜从微观着眼，并建立了基于微观结构特征混凝土动态强度提高机理初步理论模型。本课题拟在此基础上通过试验研究，构建表征水灰比、养护条件和龄期对混凝土、水泥砂浆材料微观结构特征影响的多对数正态分布组合分布模型；构建基于微观结构特征的混凝土及其组成材料静态干强度计算模型；揭示固体材料效应（干强度 率效应）、自由水效应（毛细吸力 Stefan效应）以及惯性效应的作用机理；建立能够解释水灰比、养护条件、龄期、含水量以及不同加载速率等因素影响的混凝土动态强度微观结构机理统一模型。本课题是一项应用基础性研究，成果对大坝安全抗震具有重要的理论意义和实用价值。

本项目强调指出：在动载作用下，应区分混凝土的材料强度（应变率无关的材料性质）和材料承载能力(材料的结构性质，应变率相关)这两类性质不同的概念；进而将动态材料响应与动态材料结构响应解耦，为构建混凝土动态本构理论和强度准则提供新的物理机制。基此，首先，通过理论分析及实验研究，验证混凝土材料强度的应变率无关性，而将通常所说的混凝土动态破坏强度应变率效应问题归结为材料承载能力的应变率效应问题，即混凝土动态破坏强度的应变率效应只与材料的结构性质相关。其次，拟通过混凝土中基体/骨料界面裂纹动态扩展性质以及应力波在此界面处的反射、透射行为的研究，探讨混凝土骨料破坏的加载率响应行为，进而确定混凝土动态破坏应变率效应的突变现象的物理实质。最后，在前述两项研究基础之上，建立合理描述混凝土动态破坏应变率效应机理的数学表征体系。本研究结果还可为混凝土动态破坏尺度效应及弹丸侵彻混凝土尺度效应的研究提供理论基础。 2100433B

沥青混凝土疲劳性能一直以来都是道路科技工作者研究的热点。作为一种多相复合材料，混凝土的力学性能在很大程度上取决于集料、沥青胶浆和空隙的体积含量、分布特征等细观结构。但传统的室内疲劳试验不能有效体现上述因素，很难从细观结构角度揭示沥青混凝土疲劳断裂的本质特征。为此，本项目综合运用离散元方法和图像处理技术，开展沥青混凝土虚拟疲劳试验及其疲劳断裂机理的研究。研究内容包括运用离散元方法建立考虑集料不规则形状、级配和体积含量的沥青混凝土小梁数字试件；建立基于离散元法的小梁四点弯曲虚拟疲劳试验方法，并与室内疲劳试验进行对比验证；采用验证后的虚拟试验研究混凝土疲劳断裂过程中其内部细观结构的变化运动规律，以及集料分布特征、形状特征、体积含量、空隙大小和分布等细观结构对混凝土疲劳性能的影响。研究成果不但为沥青混凝土疲劳性能的研究提供辅助分析手段，对揭示混凝土疲劳断裂本质特征亦具有重要的理论价值。