Abstract The equation of state (EoS) plays an important role in accurately predicting the damage and failure of underwater concrete structures with impact and blast loadings. In underwater situations, the capillary pores of concrete are filled with free water, which is known to strongly influence the EoS, with much higher volumetric stiffness for saturated concrete than for dry concrete. In this context, appropriate consideration of the free water effect on the EoS of saturated concrete is essential, which is, however, a complex and expensive task when explored experimentally. In this study, the free water effect is investigated by numerical shock simulations performed on a 3D mesoscopic concrete model comprising mortar and coarse aggregate. Two widely used methods are employed to introduce the free water effect on the EoS of the mortar: the Hugoniot mixing rule and the effective stress law. With the Hugoniot mixing rule, the EoS of the mortar depends on the material properties of its different components and their volume fractions. With the effective stress law, the pressure consists of two parts, one supplied by the dry solid skeleton and the other by the free water. Numerical results reveal that both methods can well reproduce the experiment-supported phenomenon of saturated concrete exhibiting much higher volumetric stiffness than dry concrete. Additionally, the EoS of saturated concrete predicted by the two methods agree well and are mutually verified. Furthermore, it is found that the volume fraction of the coarse aggregate strongly affects the EoS of concrete, while its shape and size gradation have no discernible influences.

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饱和混凝土的状态方程：细观研究

摘要 状态方程（EoS）在准确预测水下混凝土结构在冲击和爆炸载荷下的损坏和失效方面起着重要作用。在水下情况下，混凝土的毛细孔充满自由水，众所周知，自由水会强烈影响 EoS，饱和混凝土的体积刚度比干混凝土高得多。在这种情况下，适当考虑自由水对饱和混凝土的 EoS 的影响是必不可少的，然而，当进行实验探索时，这是一项复杂且昂贵的任务。在本研究中，通过对包含砂浆和粗骨料的 3D 细观混凝土模型进行数值冲击模拟来研究自由水效应。采用两种广泛使用的方法来引入自由水对砂浆 EoS 的影响：Hugoniot 混合定律和有效应力定律。根据 Hugoniot 混合规则，砂浆的 EoS 取决于其不同组分的材料特性及其体积分数。根据有效应力定律，压力由两部分组成，一由干固体骨架提供，另一部分由自由水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地重现饱和混凝土的实验支持现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。根据 Hugoniot 混合规则，砂浆的 EoS 取决于其不同组分的材料特性及其体积分数。根据有效应力定律，压力由两部分组成，一由干固体骨架提供，另一部分由自由水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地重现饱和混凝土的实验支持现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。根据 Hugoniot 混合规则，砂浆的 EoS 取决于其不同组分的材料特性及其体积分数。根据有效应力定律，压力由两部分组成，一由干固体骨架提供，另一部分由自由水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地重现饱和混凝土的实验支持现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。砂浆的 EoS 取决于其不同组分的材料特性及其体积分数。根据有效应力定律，压力由两部分组成，一由干固体骨架提供，另一部分由自由水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地重现饱和混凝土的实验支持现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。砂浆的 EoS 取决于其不同组分的材料特性及其体积分数。根据有效应力定律，压力由两部分组成，一由干固体骨架提供，另一部分由自由水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地重现饱和混凝土的实验支持现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。一种由干燥的固体骨架提供，另一种由游离水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地再现实验支持的饱和混凝土的现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。一种由干燥的固体骨架提供，另一种由游离水提供。数值结果表明，这两种方法都可以很好地重现饱和混凝土的实验支持现象，该现象比干混凝土具有更高的体积刚度。此外，两种方法预测的饱和混凝土的 EoS 吻合良好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。两种方法预测的饱和混凝土EoS吻合较好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。两种方法预测的饱和混凝土EoS吻合较好，相互验证。此外，发现粗骨料的体积分数强烈影响混凝土的 EoS，而其形状和尺寸级配没有明显的影响。