冻融条件下混凝土破坏面演化模型研究

第25卷 第12期

岩石力学与工程学报 V ol.25 No.12

2006年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec .，2006

收稿日期：2005–07–26；修回日期：2005–09–19

基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412709)

作者简介：唐光普(1975–)，男，1999年毕业于重庆大学工程力学系工程力学专业，现为博士研究生，主要从事混凝土耐久性方面的研究工作。 E-mail ：tgp02@

冻融条件下混凝土破坏面演化模型研究

唐光普1，刘西拉2，施士升1

(1. 清华大学 土木工程系，北京 100084；2. 上海交通大学 土木工程系，上海 200030)

摘要：对混凝土材料冻融破坏的研究多用动弹性模量表示，与强度损失相比，动弹性模量在工程结构方面一般不直接使用。针对此情况，建立冻融混凝土在主应力空间内实用的破坏面演化模型，以描述冻融后混凝土的强度变化。为此，根据混凝土冻融破坏的机制，应用损伤力学方法量化冻融造成的损伤并建立演化方程，应用“有效应力”的概念建立混凝土冻融破坏面在主应力空间内的发展演化模型，并预测混凝土冻融后的强度特征。最后通过已有试验数据验证演化模型的合理性。

关键词：混凝土结构；冻融；强度；损伤；演化方程；破坏面

中图分类号：TU 528.01 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)12–2572–07

EVOLUTION MODEL OF CONCRETE FAILURE SURFACE UNDER

FREEZE-THAW CONDITIONS

TANG Guangpu 1，LIU Xila 2，SHI Shisheng 1

(1. Department of Civil Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ； 2. Department of Civil Engineering ，Shanghai Jiaotong University ，Shanghai 200030，China )

Abstract ：The freeze-thaw failure of concrete in many researches is described by dynamic elastic modulus ，which is not applicable to estimating the loss of concrete strength in structural engineering. To avoid the deficiency ，the paper attempts to establish an applicable failure surface in principal stress space for concrete to describe concrete strength change under different freeze-thaw cycles. Based on the discussion of meso-state of concrete under freeze-thaw cycles ，a hypothesis about concrete failure surface under freeze-thaw cycles is brought forward. Then ，the damage of concrete and build up evolution equations is presented. Finally ，a concrete failure surface model is given to predict concrete strength under different freeze-thaw cycles. Compared with available test data ，the validity of new model is proven.

Key words ：concrete structure ；freeze-thaw ；strength ；damage ；evolution equation ；failure surface

1 引 言

寒冷地区的水工、港工、道路和桥梁等工程中的混凝土结构物或构筑物在冻融循环作用下的冻融破坏是运行过程中的主要病害。继20世纪40年代开展冻融破坏的研究以来，美国、原苏联、日本及

欧洲一些国家等提出的破坏理论多从纯物理模型出发，经假设和推导得到，有些是以水泥净浆或砂浆通过部分试验得出的。最近20～30 a 的工作主要从材料科学的角度出发，以试验为基本手段，考察混凝土及混凝土各组分的性质和外部环境对混凝土抗冻性的影响，如降温速率[1]、水灰比[2]、环境的湿度[3]、冻融循环最低温度[4]和外力作用[5]等。

第25卷第12期唐光普等. 冻融条件下混凝土破坏面演化模型研究 • 2573 •

迄今为止，对混凝土材料冻融破坏的研究多用动弹性模量表示，而工程结构最关心的是强度损失。目前，已经有部分研究工作开始从工程结构的角度对混凝土冻融条件下的力学性能进行研究[4，6～11]。其中蔡昊[6]从动弹性模量损失出发建立混凝土抗冻预测模型；李金玉等[4]对混凝土实体试件在水饱和条件下进行快速冻融试验研究；王兆利[7]从渗透性角度对混凝土冻融破坏进行试验研究；巩妮娜[8]对混凝土冻融破坏进行有限元模拟的研究；覃丽坤等[9]进行冻融循环后的混凝土双轴拉压的试验研究，这些工作从各自不同的角度推动混凝土冻融破坏的研究进展。但从混凝土抗冻设计、抗冻性评估和抗冻性预测的角度看，实际工程中的混凝土多处于复杂应力状态，混凝土在冻融循环作用下的力学性能关系到混凝土建筑物或构筑物的使用性能和安全性，因此急需掌握不同冻融循环次数作用下的混凝土力学性能并将其与工程结构中最常用的强度联系起来。冻融循环条件下混凝土破坏面的演化研究是解决上述问题的重要方向。

刘西拉[12]指出，随着计算机的飞跃发展，结构工程学科的构成已经变成理论、试验和计算机的三级构成。一个较好的混凝土研究思路在理论上应该是严格的，在计算上应该是方便的，同时它所需要的参数也应该能用现有的(甚至是传统的)量测手段在试验中获得。从上述思路出发，本文基于对混凝土冻融机制的讨论和现有的细观试验资料，在宏观层次上构造传统宏观参数，对混凝土冻融损伤进行直接描述，即应用损伤力学建立主应力空间内实用的混凝土冻融破坏面演化模型，使材料学的研究成果能够直接为结构工程服务。

2 冻融条件下混凝土破坏面假定

混凝土冻融损伤的本质是混凝土多孔介质在外部温度作用下，孔溶液发生相变，导致内部产生内应力，作用于混凝土固体骨架上，循环往复导致混凝土的不可逆劣化。鉴于混凝土材料的复杂性，在实际应用方面，通常在应力空间内由若干独立材料常数控制的破坏面模型描述强度特征。经受冻融循环作用后的混凝土材料，其强度特征的变化更为复杂，目前还没有足够数据通过破坏性试验直接掌握混凝土冻融后破坏面随冻融循环次数的变化规律。

多数学者认为冻融损伤是一种疲劳损伤。冻融后的混凝土材料虽然有一定程度的损伤，但可认

为，经过一定次数的冻融循环作用以后，这种受损的混凝土仍可看作是一个稳定材料。按照Drucker 公设，这种材料在有效应力空间内的破坏面应同样具有光滑、外凸的形式。据此，本文提出冻融条件下混凝土破坏面假定：经受冻融循环作用后的混凝土材料依然具有无损混凝土材料破坏面的特点，它有弯曲的子午线，并且偏平面沿着静水压轴从近似三角形向非圆及非仿射形截面过渡。

按上述假定，若无损混凝土材料破坏面方程用Cauchy应力第一不变量

1

I，应力偏张量第二不变量2

J，应力偏张量第三不变量

3

J表示为

)

(

3

2

1

=

J

J

I

f，

，(1) 对有冻融损伤的混凝土如果仍能看作均匀、各向同性材料，其破坏面在有效应力空间内也可用相

应的有效应力不变量

1

I，

2

J，

3

J表示为

)

(

3

2

1

=

J

J

I

f，

，(2)如果用Cauchy应力张量σ和损伤张量D描写有效应力张量σ：

1

)

(−

−

=D

I

σ

σ(3)式中：I为与损伤张量D同阶的单位张量。

利用式(2)，(3)，可得到Cauchy应力空间内用损伤变量描写的混凝土冻融损伤破坏面：

)

2

1

)

(

(

3

2

1

=

=L

，

，

，

；

，

，i

a

J

J

I

f

i

D (4) 式中：)

2

1

()

(L

，

，

=

i

a

i

D为Cauchy应力空间内描述损伤状态的函数。下面重点从混凝土冻融的机制出发应用损伤力学方法建立)

(D

i

a。

3 混凝土冻融损伤的描述

混凝土冻融损伤的性质首先是基于对冻害机制的认识，即净水压假说[13]和渗透压假说[14]两个主要假说。抛开两种假说的不同，二者均认为混凝土孔结构内的液相压力是导致冻害的主要原因。液相压力特点是各向同性。将Powers水泥石结构模型[15]作为研究混凝土冻害的基本单位，则在各向同性的液相压力作用下，Powers水泥石结构模型发生各向同性损伤。宏观上认为混凝土可作为各向同性连续体的尺度是100 mm，Powers水泥石结构模型的尺度为1 mm左右。若将Powers水泥石结构模型看作