EPS轻质混凝土强度与破坏的细观有限元模拟：珠粒尺寸效应的力学机制研究

本文提出了一种创新的细观有限元框架，通过显式建模砂浆、骨料和EPS珠粒三相组分，系统揭示了EPS珠粒尺寸对轻质混凝土力学性能的影响规律。研究采用改进的混凝土损伤塑性模型（CDPM）和经实验标定的各向同性可压碎泡沫模型，首次实现了压缩强度与EPS体积比的数学关系量化，为高性能轻质混凝土设计提供了重要理论工具。

　　

研究亮点

基本假设

本研究在建立数值模型时采用了以下基本假设：

• 二维模拟：EPS混凝土模拟在二维空间中进行。该选择源于二维几何生成和有限元分析所需的计算量远低于三维模型。为满足代表性体积单元（RVE）条件，试件尺寸需足够大以确保统计代表性。

二维与三维模型的应力分布对比

在展示单轴压缩和三点弯曲主要结果前，本节通过弹性范围内的对比演示二维与三维试件在相同几何力学假设下的应力分布差异。所选二维试件对应模型E00D0.6V10。构建了尺寸为4×8毫米的对比三维模型。图15展示了三维几何形态及两种模型的应力云图对比。结果显示，尽管二维模型计算效率显著提升，但其应力分布与三维模型存在系统性差异，尤其在珠粒-砂浆界面区域。这表明二维简化可能高估局部应力集中效应，但在宏观力学响应预测方面仍具有工程适用性。

结论

本研究提出了EPS混凝土细观模拟的有限元（FE）建模方法，重点聚焦对断裂过程起决定性作用的砂浆相损伤塑性模型参数精确标定。基于现有单轴循环压缩试验数据，推导了新的混凝土刚度-应变与损伤-应变模型，结合Collins提出的本构关系，建立了从试件层级到单元层级的响应转换机制。通过系统模拟揭示了较小EPS珠粒通过优化应力传递路径提升强度的机理，并验证了孔隙率驱动损伤演化的理论假设。