《跨原子-連續介質水泥基材料應變率效應形成機制研究》是依託河海大學，由周繼凱擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：跨原子-連續介質水泥基材料應變率效應形成機制研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周繼凱
- 依託單位：河海大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水泥基材料力學性能應變率效應屬性的物理機制，無法從宏-細-微觀唯像研究中獲得，需要從納米尺度（原子態）開展研究。本項目擬基於量子力學的分子動力學模擬條件下從頭算，構建適用於描述材料力學性能的無定形C-S-H 凝膠結構模型；闡明原子態熱活化、聲子阻尼對應變率效應的控制機制；釐清水分子（毛細吸力、Stefan 效應）、溫度、孔隙率、界面和尺寸效應對應變率效應的影響機制；探明慣性效應對應變率效應的作用規律；開發納米尺度材料動態力學性能測試技術，結合巨觀試驗開展材料跨尺度動態性能測試，並與數值模擬相驗證；開發水泥基材料動態力學性能多尺度（巨觀、細觀、微觀、亞微觀、納觀）計算方法；基於上述研究，揭示水泥基材料率效應形成的物理機制，建立水泥基材料動態力學性能跨原子-連續介質多尺度計算模型。本課題是一項跨學科基礎性研究，為正確評價水泥基材料動態力學性能以及防止重大工程動力災變探索一種嶄新的研究手段。
結題摘要
防止重大工程遭受地震、爆炸、撞擊、強／颱風等強動載作用導致動力災變，混凝土材料動態力學性能研究是關鍵環節之一。混凝土材料力學性能應變率效應的物理機制，需要從原子尺度開展研究。主要研究內容為：構建新型力學性能C-S-H凝膠結構模型，C-S-H凝膠原子態應變率效應形成機制，亞微觀、納觀尺度條件下多因素對水泥基材料應變率效應影響機理和規律，以及水泥基材料動態力學性能跨原子-連續介質多尺度計算方法模型。主要研究成果為： （1）提出了一種新型C-S-H結構模型，化學表達式為(CaO)1.64(SiO2)•(H2O)1.79，結構的鈣矽比為1.64，Qn係數為Q0=4.5%，Q1=63.6%，Q2=31.8%，密度為2.55g/cm3，均符合材料性能要求，力學性能模擬與試驗結果相吻合。 （2）C-S-H抗拉強度應變率效應是其材料的基本屬性，不是僅由慣性效應導致的。快速拉伸C-S-H，彌散式損傷發展使材料結構內部發生顯著的應力重分布，局部應力集中得以緩解，結構內部應力狀態和變形趨於均勻，可以承受更大荷載，具有更高的強度。 （3）建立了C-S-H吸水後複合體內部水與基體相互作用機理模型，從原子尺度揭示了含水量對C-S-H動強度的影響機理，並基於Morse勢函式提出能描述水分對C-S-H影響的動態拉伸本構方程，C-S-H應變率敏感性隨著飽和度增加而增強。 （4）開發了一種以微細橡膠顆粒模擬水泥基材料內部不同孔徑及孔隙率的試驗研究技術，建立一套考慮不同孔徑範圍的多參數靜力強度模型、強度-孔隙率模型和DIF-孔隙率模型。水泥基材料靜動態抗壓、劈拉強度隨著孔隙率增大而下降，但DIF有所上升。 （5）套用分子動力學方法計算水泥漿組分力學常量，採用均勻化方法將各組分力學性能進行跨尺度耦合，獲得水泥漿體、砂漿和混凝土的彈性模量、泊松比和抗拉強度，建立了水泥基材料動態力學性能跨原子-連續介質多尺度計算方法及模型。 本課題是一項跨學科基礎性研究，為正確評價水泥基材料動態力學性能提供一種嶄新的研究手段。研究成果對防止重大工程動力災變，保證人民生命財產安全具有重要的理論意義和工程實際套用價值。
