基于真实骨料形态与可破碎骨料的三维细观离散元（DEM）混凝土动态断裂模拟：μCT重建与空间破坏机制

《Powder Technology》：Three-dimensional mesoscale DEM modelling of dynamic fracture in concrete with realistic aggregate morphology

　　

三维动态离散元方法（Discrete Element Method, DEM）模拟混凝土梁可捕捉完整的空间破坏模式；X射线微计算机断层扫描（X-ray micro-computed tomography, μCT）影像和试验数据直接用于构建三维细观梁几何；可破碎骨料揭示动态拉伸下的微观断裂机制；多尺度验证将微观层面的能量耗散与宏观响应联系起来。

作者Micha? Nitka围绕混凝土动态断裂的三维细观机制开展研究。研究背景在于：混凝土是非均质复合材料，其断裂受细观几何与加载速率共同控制；高应变率下弹性模量、峰值应变、拉压强度及断裂形态均发生变化，裂缝可从绕行较弱的界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）转向穿越砂浆和骨料。工程中板、柱、安全屏障及军事设施需承受冲击、爆炸和弹体侵彻，准确预测极端动力响应十分重要。然而，实验成本高且微裂纹起始与扩展观测困难；有限元方法（Finite Element Method, FEM）、物质点法（Material Point Method, MPM）、格构模型和离散元方法（Discrete Element Method, DEM）等数值框架中，二维简化、细观结构缺失、骨料形态简化、宏观验证为主以及三维中结构惯性、ITZ退化与骨料破碎交互量化不足等问题仍存在。因此，研究人员将既有二维细观DEM框架推进到全三维，采用真实μCT重建细观结构，并引入可破碎、可变形骨料，以研究动态拉伸弯曲下裂缝起始、扩展、相特异损伤与能量耗散机制。其意义在于提供一种可补充实验和结构尺度数值方法的细观虚拟测试工具，用于分析难以实验观测的内部断裂过程。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究采用开源YADE平台进行三维DEM模拟，颗粒具六自由度，接触采用线性弹塑性与黏结破坏准则；混凝土分为砂浆、ITZ、骨料和气孔四相，ITZ为无厚度接触界面，强度较砂浆降低40%、刚度降低30%，骨料由黏结球簇表示且强度与刚度高于基质。样本来源为实验室三点弯曲缺口混凝土梁（长32 cm、跨度24 cm、高8 cm、厚4 cm、缺口8 mm）及其中部8×8×4 cm含裂缝区块的μCT数据；准静态试验以裂缝口张开位移（Crack Mouth Opening Displacement, CMOD）控制至100 μm，并辅以100 mm立方体压缩试验得到平均抗压强度51.81 MPa。μCT体素映射到DEM域，中心损伤区采用0.60–1.20 mm细颗粒，外围采用粗弹性颗粒并设分级过渡；参数沿用既有已验证细观模型，未重新校准；动态计算采用单一μCT细观结构，重复模拟用于可重复性检查。

研究结果对应“5. Dynamic numerical results（动态数值结果）”。宏观力–CMOD响应方面，活塞速度2、50、200和1000 mm/s下峰值力约为2.15、2.80、4.65和10.50 kN，速度增加使初始刚度与峰值力提高；200 mm/s出现双峰瞬态，原文将其与惯性和应力波传播重要性增加相联系；1000 mm/s下惯性影响更显著。拉伸动态增大因子（Tensile Dynamic Increase Factor, TDIF）以峰值力比定义，接触律无显式率相关性，因此增强来自结构动态响应；在1.50 s^?1时三维模型TDIF≈2.2接近理论≈2.1且优于二维≈2.9，在7.50 s^?1时三维TDIF=4.9、较理论≈3.7高估约30%，二维高估约45%。可破碎与刚性骨料模型的宏观力–CMOD曲线很相似，说明骨料表征对总体动态强度影响有限。

裂纹路径与相分布方面，准静态2 mm/s下损伤以ITZ和砂浆为主，几乎无骨料破碎；200 mm/s下裂缝空间分布增强并出现局部骨料破碎，活塞附近开始出现损伤；1000 mm/s下破损接触显著增加，裂缝既绕行也穿过骨料，活塞下方发生局部压碎，损伤扩展至砂浆、ITZ和骨料。刚性骨料迫使裂缝完全绕行，导致周围ITZ损伤更多；可破碎骨料模型在高速下并非简单转为完全穿晶裂缝，而是主宏观路径更直接、周围损伤更弥散。裂纹几何定量描述方面，主裂缝中心线曲折度τ为1.00–1.14，准静态中央切片τ=1.09、刚性1000 mm/s为1.14，可破碎1000 mm/s中央切片最直接τ=1.01；损伤带均方根宽度为2.27–7.33 mm，后部切片较前部和中央切片窄约2–3倍；距理想裂缝面大于5×d₅₀的破损接触比例均低于19%，刚性1000 mm/s在前部和中央切片分别为14.7%和17.0%，高于可破碎的11.7%和12.3%；中央切片破损接触数由准静态6056增至可破碎9708和刚性10016，约增60–65%。

破损接触与相损伤演化方面，高速下损伤起始更早；低速度（≤200 mm/s）裂缝约在CMOD≈10 μm、接近峰值时开始，砂浆与ITZ趋势一致；骨料相破损随速度增加。可破碎与刚性骨料在总体和砂浆损伤上相似，但刚性模型ITZ破损更多且骨料相破损为零。内力与应力分布方面，动态下压缩力占主导且幅值增大；三维裂缝尖端邻近区域仍较窄，但周围损伤区更广；三维颗粒互锁强，动态尤其刚性模型更明显，与二维结果相反；代表单元体（Representative Elementary Volume, REV）平均应力显示活塞下方压缩区更大更强，动态拉伸应力出现在活塞下方并扩散导致碎裂，刚性骨料模型应力集中更高。接触破坏能与旋转能方面，高速下砂浆和ITZ接触破坏能较早出现；ITZ在CMOD=20 μm后各样本能量接近；骨料相破损起始几乎不受速度影响，但CMOD>86 μm后动态骨料耗能显著增加；可破碎与刚性模型总接触破坏能相似，但刚性模型在砂浆和ITZ耗能更多；旋转能在准静态峰值前为0 μJ、后峰多在0–10 μJ并局部达30–50 μJ，动态下从开始即高并最大达560 μJ。

讨论与结论部分指出：三维DEM可有效研究非均质混凝土动态断裂；主要科学贡献是将μCT真实三维细观结构与显式可破碎、可变形骨料及相特异损伤和接触破坏能分析结合，获得宏观力–CMOD之外的信息。研究结论译述如下：三维模型再现实验准静态宏观响应和裂缝轨迹，速度增加显著提高峰值力并改变后峰响应，体现动态增强；动态增强并非由显式率相关接触律引入，而源于非均质离散系统的全动态响应，包括结构惯性和更大体积损伤激活，应力波传播贡献未分离；高速度使断裂更分布，主裂缝略更直接（中央切片τ由1.09降至1.01），但过程区更广、破损接触更多，损伤不限于ITZ并涉及砂浆和骨料；可变形骨料内晶间黏结破坏随速度增加，但可破碎与刚性骨料宏观力–CMOD仍很相似，骨料表征对总体动态强度影响有限；定量描述显示主中心线近直近竖（τ≤1.14），损伤带宽度沿梁厚变化，体现真实三维断裂；三维表示比二维提供更完整体积力重分布和相特异损伤，相似宏观响应可伴随不同局部损伤分布；动态加载下旋转能显著，提示滚动阻力值得进一步研究。工程上，该框架经准静态实验验证后可作为细观工具分析细观结构、ITZ性质和骨料可破碎性对宏观响应及内部破坏机制的影响。局限包括：基于单一μCT重建细观结构，未对动态模拟进行直接实验验证；未开展动态粒径敏感性分析；细粗离散过渡处应力波反射仅作定性检查；未纳入ITZ物理宽度和内部自由水。未来需采用多个独立重建细观结构，开展高速拉伸、劈裂和分离式霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar, SHPB）等动态实验，并进一步研究粒径与离散尺度过渡、三维裂缝与能量耗散定量描述、自由水、ITZ厚度和滚动阻力等。