1.题目：
Mesoscopic simulation of the mechanical behaviour of foam concrete subjected to large compressive deformation
（
泡沫混凝土在大压缩变形下力学行为的细观模拟
）
2.关键词：
泡沫混凝土;细观模拟;X-CT;大压缩变形;接触行为
3.摘要：
作为一种
吸能材料
，泡沫混凝土在隧道支护系统中的应用日益增多。尽管其具备显著的压缩变形能力，包括应力平台期和致密化阶段，但对这一方面的研究仍然有限。本研究探讨了
泡沫混凝土的应力-应变特性、断裂行为和吸能能力
，
重点关注在大压缩变形过程中其孔隙结构之间的接触行为。
通过实验和数值研究发现，泡沫混凝土在达到峰值应力后仍能保持一定的抗压强度，并且在压缩过程中应力水平出现恢复和增长。采用X射线计算机断层扫描（
X-CT
）技术获取了
泡沫混凝土的细观结构
，并进行了
细观数值模拟
。实验获得的应力-应变曲线用于验证数值模型。研究讨论并比较了
不同孔隙率条件下
泡沫混凝土在
大压缩变形下
的
力学性能和吸能能力
，突出
孔隙结构和接触特性
对泡沫混凝土
致密化行为
的影响。总体而言，本研究有助于深入理解泡沫混凝土在大压缩变形下的力学行为。
-
对泡沫混凝土在
大压缩变形下
的力学行为进行了
数值研究
。
-
通过
考虑孔隙表面的接触行为
，可以
较好地模拟
泡沫混凝土的
致密化阶段
。
-
研究了
孔隙结构和接触特性
对
泡沫混凝土
吸能能力的影响
。
5.引言：
鉴于
轻质、高比强度和良好热绝缘性能
，轻质混凝土材料在各类结构和工程领域得到了广泛应用。泡沫混凝土是一种由基体和孔隙结构组成的多孔轻质材料，不含粗骨料。泡沫混凝土系统中的大量密闭孔隙使其在地震
能量吸收性能方面表现出色
，同时水泥和骨料的消耗量较低。泡沫混凝土具有广泛的密度范围和较低的抗压强度（密度约为300 kg/m³至1600 kg/m³，抗压强度约为0.2 MPa至20 MPa），因此在
飞机制动系统、隧道减震层、建筑模板等领域
得到应用。近年来，泡沫混凝土已成为非结构性和半结构性应用中的常见选择。
由于泡沫混凝土在工程领域的应用以及对其力学性能的要求，研究人员对其力学性能进行了系列研究。Kearsley等通过压缩试验评估了泡沫混凝土的强度，并发现泡沫混凝土的孔隙率受泡沫添加量的影响，并显著影响其力学性能。在泡沫混凝土的力学响应研究中，Tan等在单轴和三轴压缩加载下获得了应力-应变曲线，分析了抗压强度、弹性模量以及峰值后的应力-应变关系。实验结果显示，不同密度的泡沫混凝土试样具有类似的应力-应变特性，这些特性可以理想化为
四个阶段：弹性变形、峰值应力、应变软化和残余变形（应力平台阶段）
。然而，Su等发现，在显著变形下，孔隙结构被压实，外部载荷通过基体材料的压缩变形来承担，应力-应变曲线快速上升，这被称为致密化阶段，与小变形情况不同。这成为泡沫混凝土的压缩应力-应变曲线的第五阶段。
需要注意的是，尽管泡沫混凝土基体固有脆性，但其承受显著变形的能力归因于孔隙结构的存在，这为变形提供了额外的空间。
在实际工程应用中，如抗震和能量储存，泡沫混凝土减震层在经历脆性断裂后，其孔隙结构会在压缩变形增加时崩溃并挤压在一起。
当地震发生时，泡沫混凝土减震层能吸收隧道的整体位移。根据地震强度的大小，可能会产生较大变形，并且在许多工程项目中已测试其实用性。因此，泡沫混凝土在大变形下的力学性能至关重要。
通常，泡沫混凝土的宏观特性是通过压缩试验来检验的，但传统的压缩试验只能提供关于泡沫混凝土宏观压缩应力-应变响应的信息，而内部结构的变化难以可视化。
为了研究孔隙结构变形对压缩过程中力学性能的影响，已经采用了多种细观断裂模型来模拟泡沫混凝土的力学行为，包括格子模型、离散元模型 (DEM)和有限元模型等。Rizvi 等人基于格子方法对泡沫混凝土进行了细观建模，使用矢量随机格子 (VRL) 来模拟泡沫混凝土的材料结构，通过定量控制孔隙度的大小获得了失效载荷的变化，并能够捕捉泡沫混凝土的细观失效现象。Nguyen 等人 提出了一种基于离散元的数值建模技术，以明确考虑泡沫混凝土中的孔隙分布。研究发现，泡沫混凝土的抗压强度与孔隙度之间存在非线性关系，这与实验结果一致。然而，
这些模型中采用了简化的泡沫混凝土孔隙结构，未考虑实际的细观孔隙结构，导致实验结果与数值结果之间存在不匹配。
X射线计算机断层扫描能够收集物体和材料的内部属性数据，其无损监测在涉及泡沫混凝土的力学实验中具有显著的优势。
Nguyen 等人使用 Abaqus 基于 X-CT 图像构建了泡沫混凝土的三维有限元模型。通过图像分析将图像分类为孔隙结构和水泥浆，并研究了泡沫混凝土的断裂机制和裂纹模式。
然而，现有的大多数研究集中在模拟泡沫混凝土的小变形力学性能上，忽略了其在实际工程应用中的能量吸收能力及大变形下应力水平的增加。因此，研究泡沫混凝土在大变形阶段的力学性能具有重要意义。
根据以往的研究，泡沫混凝土性能的数值计算和分析主要集中在初始开裂阶段。泡沫混凝土的致密化阶段尚未被研究。作为一种具有独特结构和卓越力学性能的抗震材料，研究泡沫混凝土在压缩过程中的能量吸收能力和接触行为是十分必要的。为此，
本文研究了泡沫混凝土在大变形下的全过程应力-应变特性和能量吸收能力，并讨论了孔隙度和接触特性的影响。
文章的结构如下：
首先，利用X射线计算机断层扫描（X-CT）获得泡沫混凝土试样的三维孔隙结构。随后，基于XCT图像建立了有限元模型，以考虑接触效应。通过单轴压缩实验获得了泡沫混凝土试样的应力-应变曲线，并与泡沫混凝土有限元模型计算结果进行了验证。同时，对模型的应力-应变响应和能量吸收能力进行了分析。
Fig. 1. Complete stress-strain curve of foam concrete.
Fig. 2. 2D X-CT images and 3D renderings obtained from the experiment.
Fig. 3. Pore structure extraction process for foam concrete models.
Fig. 4. Binarized images of foam concrete at different resolutions.
Fig. 5. Establishment principle of meso-scale finite element model of foam concrete.
Fig. 6. Meso-scale finite element model of foam concrete(250px×250px×250px).
Fig. 7. Stress-strain curves used in numerical simulations: (a) Compressive behaviour; (b)
Tensile behaviour
.
Fig. 8. Verification of quasi-static energy ratio and comparison of stress-strain curves.
Fig. 9. Schematic of model loading method and boundary conditions.
Fig. 10. Comparison of numerical simulation and experimental results and full stress-strain curve.
Fig. 11. Damage occurring during loading process: (a) Compression damage; (b) Tension damage.
Fig. 12. Crack generation and development trend of the specimens(PE, Plastic strain).
Fig. 13. Morphological changes and contact processes of pore structure during loading.
Fig. 15. Stress-strain and pore contact under different friction coefficients.
6.研究结论：
在本研究中，实验和数值模拟研究了泡沫混凝土在大压缩变形下的力学行为
。
建立了泡沫混凝土的有限元模型，并通过与实验结果的对比验证了模拟的应力-应变曲线。分析了泡沫混凝土在大压缩变形下的应力-应变特性和断裂行为，讨论了孔隙率和接触特性对泡沫混凝土力学性能和吸能能力的影响
