CN113408171A - 超高性能混凝土的力学性能预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高性能混凝土的力学性能预测方法，首先建立微观尺度UHPC水化微结构模型和水泥‑粉煤灰‑硅灰三相复合水泥基材料水化微结构演变模型，建立对应的微观尺度下UHPC有限元数值模型，确定出微观尺度下UHPC硬化浆体力学性能，其次建立细观尺度下UHPC骨料堆积模型和细观尺度下UHPC有限元数值模型，根据UHPC硬化净浆力学属性与骨料三维空间分布，分析计算出下UHPC砂浆力学性能；最后建立了UHPC纤维的随机动态堆积模型，并建立相应细观尺度下UHPC有限元数值模型，根据UHPC砂浆材料本构参数与纤维三维空间分布，计算得到UHPC宏观力学本构关系，本发明计算精准，稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及超高性能混凝土性能预测，具体涉及一种超高性能混凝土的力学性能预测方法。
背景技术
超高性能混凝土通常是指抗压强度大于150MP的混凝土，具有超高强、高韧、高耐久、高抗爆等性能，应用前景广阔。目前关于UHPC的配合比，设计方法主要是最紧密堆积理论，虽然该方法已被广泛应用，但模型中仅考虑了胶凝材料的物理特性，并不设计材料的化学特性，粒径大小和分布均一致的不同粉体材料，化学反应活性不尽相同，且对混凝土内部微结构的作用差异较大，因此常常导致UHPC缺乏工作性能或实际强度与工作强度差异较大问题，现有预测性能的方法准确性差，因而难以对超UHPC配合比设计提供有效指导。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种超高性能混凝土的力学性能预测方法，解决现有方法不考虑组分化学特性，预测结果不准确的问题。
技术方案：本发明所述的超高性能混凝土的力学性能预测方法，包括以下步骤：
(1)基于CEMHYD3D水化模型，建立水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化微结构演变模型，根据水化微结构演变模型利用ls-prepost前处理软件建立微观尺度有限元模型，根据建立的有限元模型得到微观尺度UHPC应力应变关系，根据到微观尺度UHPC应力应变关系得到微观尺度UHPC力学参数；
(2)建立骨料三维空间随机堆积模型，并根据骨料三维空间随机堆积模型建立细观尺度砂浆有限元模型，将骨料力学特性和根据步骤(1)的微观尺度UHPC力学参数代入砂浆有限元模型中进行计算，得到细观尺度砂浆应力应变关系，根据细观尺度砂浆应力应变关系得到细观尺度砂浆力学参数；
(3)建立纤维三维空间随机堆积模型，并根据纤维三维空间随机堆积模型建立UHPC有限元模型，将纤维力学特性和步骤(2)得到的细观尺度砂浆力学参数，代入UHPC有限元模型中进行计算，得到宏观尺度UHPC的应力应变关系。
其中，所述步骤(1)中，首先是将立方体空间划分成为体素点，然后将UHPC胶凝材料按实际配合比转化为由体素点组成的电子球投于立方体中，并进行分相以及水化步骤得到水化微结构演变模型，然后根据微结构采用ls-prepost建立有限元模型，根据不同物相力学参数，进而可以计算出微观尺度UHPC力学参数。
所述步骤(2)中根据河砂实际级配，利用Visual Studio C++建立凸形粒子三维堆积模型即为骨料三维空间随机堆积模型，模型为立方体，空间划分成为立方体网格，基于此采用ls-prepost建立砂浆有限元模型，根据微观尺度净浆以及骨料力学参数，进而可以计算出细观尺度砂浆力学参数。
所述步骤(3)中根据钢纤维实际尺寸，利用Visual Studio C++建立纤维三维空间随机堆积模型，模型为立方体，并采用ls-prepost建立UHPC有限元模型，根据砂浆以及纤维力学参数，进而得到出宏观尺度UHPC应力应变关系。
所述步骤(1)中建立水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化微结构演变模型是在水胶比≤0.2的条件下。
有益效果：本发明计算精准，稳定性高，采用多尺度设计方法，充分考虑了原材料组分的物化特性，克服了传统UHPC配合比设计方法误差大的问题，可以实现UHPC力学性能的精准预测。
附图说明
图1为水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化7d微结构示意图；
图2为净浆有限元实体模型示意图；
图3为纤维三维空间随机堆积模型示意图；
图4为砂浆应力云图；
图5为纤维模型示意图；
图6为试验模拟力学性能比对结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明公开的超高性能混凝土的力学性能预测方法，具体过程如下；
基于CEMHYD3D水化模型，结合经典的水泥化学理论，将粉煤灰以及硅灰耦合入CEMHYD3D中，建立水胶比≤0.2条件下水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化微结构演变模型，水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化7d微结构如图1所示，粉煤灰以及硅灰的加入使得水泥基复合材料的微结构更加复杂,粉煤灰的玻璃相主要是活性SiO2和Al2O3相组成，参与反应的活性二氧化硅全部生成C-S-H凝胶，由于粉煤灰一般CaO含量较低，活性二氧化硅和氧化铝发生火山灰反应时形成的C-S-H凝胶的Ca/Si低于纯硅酸盐水泥体系,公式(1)～(7)分别列出了粉煤灰以及硅灰掺水泥中后的化学反应式，式中，下方的数字为化学体积计量数。
利用上述建立的水泥石微结构模型，嵌入到通用有限元软件ANSYS的LS-DYNA模块建立微观尺度有限元模型如图2所示，进行准静态力学性能模拟，以得到UHPC胶凝材料体系微观力学性能参数。由所建立的CEMHYD3D水化模型可知，水泥石微结构模型尺寸为100μm×100μm×100μm，单元网格尺寸为边长1μm的立方体，按照单元尺寸进行有限元网格划分，共计空间六面体八节点单元100万个。胶凝体系部分物相力学性能如表1所示，通过计算可以得到如表2所示的净浆尺度力学强度为62MPa。
表1胶凝体系部分物相力学性能
表2净浆细观计算参数
根据骨料粒径分布，建立细骨料三维空间随机堆积模型，随后采用映射网格方法，进行网格划分，在细砂浆细观数值模型中,。采用LS-DYNA中的实体单元和材料模型CONCRETE_DAMAGE_Rel3(MAT_072R3)对砂浆基体进行建模，细骨料采用HOLMQUIST-JOHNSON-COOK材料模型(HJC模型)，将表3中的骨料力学特性和净浆尺度力学强度代入砂浆有限元模型中得到细观尺度砂浆应力应变关系，砂浆的应力云图如图4(a)所示，骨料的应力云图如图4(b)所示，通过细观尺度砂浆应力应变关系计算可以得到砂浆尺度力学强度为130.2MPa。
表3细骨料细观计算参数
纤维作为UHPC的重要组成部分，需要对其进行三维重构，根据其形貌特征，建立细骨料三维空间随机堆积模型如图5所示，其次建立UHPC细观有限元模型，UHPC基体和端板采用三维八节点常应力实体单元，并采用基于刚性的沙漏控制，沙漏系数(QM)取为0.02。钢纤维采用beam单元。采用了最大等效应变准则，即当单元最大等效应变达到0.06时单元便被删除，不再参与计算。考虑到计算的精确性与计算量的限制，UHPC砂浆单元尺寸取10mm，钢纤维单元尺寸取3mm。纤维采用*MAT-PLASTIC-KINEMATIC模型，对于UHPC砂浆材料，选择其材料模型为K&C模型，而压杆采用弹性模型，即(MAT_003)，UHPC材料各组分模型参数如表4所示，将纤维力学特性和步骤(2)得到的细观尺度砂浆力学参数，代入UHPC有限元模型中进行计算，得到宏观尺度UHPC的应力应变关系。
表4UHPC细观模拟参数
将通过本发明计算出的超高性能混凝土力学性能与试验结果对比，结果如图6所示，根据图6可以看出本申请与试验结果相比具有良好的一致性。
Claims (5)
1.一种超高性能混凝土的力学性能预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于CEMHYD3D水化模型，建立水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化微结构演变模型，根据水化微结构演变模型利用ls-prepost前处理软件建立微观尺度有限元模型，根据建立的有限元模型得到微观尺度UHPC应力应变关系，根据到微观尺度UHPC应力应变关系得到微观尺度UHPC力学参数；
(2)建立骨料三维空间随机堆积模型，并根据骨料三维空间随机堆积模型建立细观尺度砂浆有限元模型，将骨料力学特性和根据步骤(1)的微观尺度UHPC力学参数代入砂浆有限元模型中进行计算，得到细观尺度砂浆应力应变关系，根据细观尺度砂浆应力应变关系得到细观尺度砂浆力学参数；
(3)建立纤维三维空间随机堆积模型，并根据纤维三维空间随机堆积模型建立UHPC有限元模型，将纤维力学特性和步骤(2)得到的细观尺度砂浆力学参数，代入UHPC有限元模型中进行计算，得到宏观尺度UHPC的应力应变关系。
2.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，首先是将立方体空间划分成为体素点，然后将UHPC胶凝材料按实际配合比转化为由体素点组成的电子球投于立方体中，并进行分相以及水化步骤得到水化微结构演变模型，然后根据微结构采用ls-prepost建立有限元模型，根据不同物相力学参数，进而可以计算出微观尺度UHPC力学参数。
3.根据权利要求1所述的超高性能混凝土的力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据河砂实际级配，利用Visual Studio C++建立凸形粒子三维堆积模型即为骨料三维空间随机堆积模型，模型为立方体，空间划分成为立方体网格，基于此采用ls-prepost建立砂浆有限元模型，根据微观尺度净浆以及骨料力学参数，进而可以计算出细观尺度砂浆力学参数。
4.根据权利要求1所述的高性能混凝土的力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中根据钢纤维实际尺寸，利用Visual Studio C++建立纤维三维空间随机堆积模型，模型为立方体，并采用ls-prepost建立UHPC有限元模型，根据砂浆以及纤维力学参数，进而得到出宏观尺度UHPC应力应变关系。
5.根据权利要求1所述的高性能混凝土的力学性能预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立水泥-粉煤灰-硅灰三元胶凝体系水化微结构演变模型是在水胶比≤0.2的条件下。
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