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摘 要

多组分材料的内部应力研究根据各多组分材料的不同而分为各种不同的方法,，混凝土是一个典型的多组分材料。它的力学性能远比钢筋等材料要复杂，其物理性质和力学性质的表现主要取决于混凝土中粗骨料和砂浆的配比和排布等。

到目前为止，已经有越来越多针对混凝土微观结构的研究和介绍，这些微观模型都把混凝土作为砂浆和粗骨料两种组分组成的多组分材料来进行研究，着重分析了混凝土材料建模过程中骨料的排布方式，以得到更符合实际情况的模型。本文将混凝土视为由骨料和砂浆组成的两相材料在单轴压缩状态下的应力进行数值模拟，并利用三维数字图像相关方法得到试验单轴压缩的应力分布，与模拟结果进行比较分析。

比较结果显示，在单轴压缩状态下，骨料的内部应力值比砂浆要更大，且在砂浆和骨料的交界处出现明显的应力集中现象。数值模拟和试验的结果总体保持一致，只在骨料和砂浆交界处存在一定的误差。

关键词：多组分；混凝土；粗骨料；应力分析；有限元；

Abstract

The research on the multi-component materials’ internal stress analysis has many different methods dealing with the different kinds of components. Concrete is one of the most widely used materials in civil engineering constructions. Meanwhile, concrete is also a typical multi-component material. The mechanical and physical properties of concrete are much more complex than that of steel bar, which are mostly determined by the ratio of coarse aggregates and mortar.

Up to present, there are more and more researches on the microstructure of concrete to learn it’s mechanical properties. In order to get a more reasonable FEM model, the majority of the microstructures take the idea that the concrete is a multi-component material composed of coarse aggregates and mortar. Furthermore, the microscopic models focus on the arrangement of the aggregates during the modeling process. In this paper, the stress of concrete which is considered consisting of aggregates and the mortar is simulated under uniaxial compression. The experiment gets the stress distribution by 3D digital image correlation method comparing with the simulation results.

The comparison results show that the internal stress of aggregates is lower than that of mortar under uniaxial compression. furthermore, there exists a stress concentration at the junction of mortar and aggregates. The results of numerical simulation and consistent totality except a certain error between aggregates and mortar.

Keywords: Multi-component; concrete; coarse aggregates; stress analysis; FEM;

目录

摘要 2

目录 6

第一章 绪论 8

1.1 背景和研究目的 8

1.2 多组分材料的研究现状 8

1.3 混凝土材料的研究现状 9

1.4 研究内容 10

第二章 多组分混凝土材料建模与分析 11

2.1 引言 11

2.2 主要分析模型 11

2.2.1 宏观模型 11

2.1.2 微观模型 11

2.3 混凝土配合比的确定 12

2.4 规则排布骨料 13

2.4.1 正方形骨料 13

2.4.2 圆形骨料 17

2.5 随机排布骨料 18

2.5.1 面内随机排布 18

2.5.2 体内随机排布 19

2.6 小结 20

第三章 多组分混凝土静力试验 22

3.1 引言 22

3.2 试验目的 22

3.3 试验方法 22

3.3.1 混凝土试块的制作 22

3.3.2 单轴压缩试验 22

3.3.3 三维数字图像相关法 23

3.4 试验设备 24

3.4.1 液压式万能试验机 24

3.4.2 IDS相机 25

3.5 规则排布骨料混凝土块静力试验 26

3.5.1 混凝土块制作 26

2.5.2 单轴压缩试验 26

3.6 规则排布混凝土块静力试验分析 27

3.6.1 裂纹分析 27

3.6.2 应力分析 29

3.7 试验误差分析 34

3.8 小结 34

第四章 总结 36

第五章 致谢 38

参考文献 39

第一章 绪论

1.1 背景和研究目的

现如今，关于多组分材料的运用越来越广泛，研究多组分材料宏观上的力学性能和微观上的应力分析都对更好地利用这些多组分材料有着重要的意义。混凝土是一种典型的多组分材料，作为建筑工程当中用途最广泛的材料之一，与日常的生活息息相关，研究混凝土的内部应力进而研究其力学性能则显得更加重要。

本文研究目的是分析多组分混凝土材料的内部应力分布。通过试验数据和有限元模型的建立等方法，来确认混凝土材料在受压情况下微观上的力学性能，借助三维数字图像相关方法建立应力梯度云图，统计应力云图的大小，进一步了解混凝土的微观力学性能以及骨料和砂浆这两种组分材料对混凝土结构的影响。

1.2 多组分材料的研究现状

自然界中物质存在的最常见形式是混合物状态，单种材料或物质仅在某些特定的情况下使用。多组分材料在一定条件下结合了各个组分材料的优点，并尽量避免各组分材料存在的不足，以达到材料最终在性能、耐久等方面高要求目的。

多组分材料从本质上来说就是一种特殊的复合材料，它相较于广泛定义中的复合材料不同的就在于多组分材料中各组分材料之间的结合更加紧密，各材料之间的分层也不那么明显，多组分材料表现出来的力学性能与任何一种单组份材料都不同。所以，在分析其力学性能时，除了要了解各单组分材料的力学性能，更重要的是研究材料结合之后的力学性能以及其相对于单组分材料的区别。

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