概述
混凝土的宏观裂缝是通过微裂纹的产生、扩展和融合而形成的。混凝土构件失效的可靠预测需要深入了解混凝土非均质组分的局部裂纹演化过程。与宏观尺度的同质性相比，细观尺度的混凝土由非均质相组成，包含粗骨料、作为基体的砂浆（混合砂子和细骨料的水泥浆）、包裹的气孔。
细观混凝土中的骨料分布可以由数字图像提供真实的尺寸和位置，也可以通过将给定形状的骨料按规定尺寸进行随机空间分布获得。本项目采用这两种方法建模，对微观结构表征和力学行为数据进行验证和比较，从而确定它们的适用范围。
亮点
- 比较基于图像重建和参数化建模两种构建混凝土细观结构的方法
- 采用 Simpleware 软件进行图像处理和生成有限元网格模型
- 在 ABAQUS 软件中进行压缩和拉伸的模拟
- 预测变形行为和损伤，结合实验数据确定不同建模方法的适用范围
基于图像重建 vs 参数化建模
基于图像重建
- 优点：可获得骨料和孔隙真实精确的尺寸及分布
- 缺点：XCT 设备价格高，成像区域内骨料的大小和空间分布可能在统计上不具有代表性。
参数化建模
- 优点：能够涵盖更大的工程构件体积，可设计骨料的尺寸、分布及体积密度
- 缺点：随机生成的骨料在位置和形状上与测试样本中天然的骨料不同
图像获取
采用 CEM I 42.5 普通硅酸盐水泥（OPC）和粗石灰石（直径为6.3 ~ 10 mm）设计 C30 级混凝土试件，分别配制骨料体积分数为 20%、30%、40% 三种混凝土试件。在曼彻斯特大学 Henry Moseley x 射线成像中心，使用定制的 Nikon XTH 225 对每种混凝土的圆柱体试样进行 x 射线计算机断层扫描（XCT）。
图像处理和网格划分
对 XCT 图像数据进行处理，减少光束硬化，创建为 3D 模型并分割出骨料，获得基于图像的细观尺度混凝土模型。另一种为随机骨料的参数化建模，骨料的形状和位置并不对应于特定的真实结构。通过以下方式（1）“输入”：记录颗粒的大小和形状分布参数，（2）“拿取”：生成规定分布范围内随机大小的单个颗粒，（3）“放置”：如果生成的颗粒满足与已有颗粒、体积边界的重叠和相交条件，则可放置在域体积的随机位置。在计算生成颗粒的体积分数满足指定值后，生成过程终止。
在 Simpleware FE 中分别对基于 XCT 图像重建和参数化建模得到的模型进行网格划分，生成由四面体单元组成的高质量有限元网格模型。
模拟结果
将网格模型导入 ABAQUS 软件，采用混凝土损伤塑性模型（CDP）描述砂浆在不同荷载作用下的塑性损伤行为。混凝土（或砂浆）的非弹性行为是各向同性拉伸和压缩塑性以及各向同性损伤的组合。当施加载荷时，由于损伤累积，永久塑性变形与刚度退化同时发生。达到峰值应力后，可观察到软化响应。
对基于图像的不同粗糙度网格模型进行对比分析发现，网格尺寸对混凝土压缩和拉伸情况下的影响不显著。粗糙网格有 393157 个节点和 2284750 个单元，精细网格包含 465160 个节点和 2707451 个单元。因此在模拟中采用了效率相对较高的粗糙网格，参数化模型也使用相同粗糙度的网格划分设置。
结论
对骨料体积含量分别为 20%、30%和40% 的混凝土试件进行了基于图像和参数化细观结构的压缩和拉伸模拟，分析应力应变曲线、破坏模式和能量损耗，评估骨料分布对混凝土力学行为的影响。
- 基于图像和参数的细观尺度模型在用于研究宏观力学行为时，两者的结果与实验数据对比均表现出良好的一致性，差异仅体现在损伤分布上。
- 参数化模型适用于混凝土尺寸效应分析、工程结构中关键构件或部分构件的建模。
- 基于图像的模型适用于测试混凝土构件本构行为的假设以及耦合行为的分析，如物质传输和变形，其中构件的真实形状、尺寸和空间分布可能对耦合有重大影响。
参考
- Wang J, Jivkov A P, Engelberg D L, et al. Image-Based vs. Parametric Modelling of Concrete Meso-Structures[J]. Materials, 2022, 15(3): 704.