细观力学混凝土破坏

2.3.2 细观力学与混凝土破坏

由混凝土材料组成的工程结构, 如高坝、桥梁、海洋平台、核电站、隧道、地基基础及边坡等是基础设施建设中重要的组成部分. 混凝土材料是以水泥为主要胶结材料, 拌合一定比例的砂、石和水, 经过搅拌、振捣、养护等工序后, 逐渐凝固硬化而成的复合材料. 粗骨料和硬化水泥砂浆两种主要组成材料的成分、性质、配比以及粘结作用均对混凝土的力学特性有不同程度的影响, 这使混凝土比其他单一材料具有更为复杂的力学性能.混凝土力学特性(宏观应力–应变关系和破坏机制) 是进行大坝、海洋平台、边坡等混凝土结构抗震设计及静、动力仿真分析的重要基础之一, 也是目前研究的薄弱环节.

混凝土是由水、水泥和粗细骨料组成的复合材料。一般从特征尺寸和研究方法的侧重点不同将混凝土内部结构分为三个层次[24] (如图2-2)：(1)微观层次(Micro-level)。材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10-7cm～10-4cm着眼于水泥水化物的微观结构分析。由晶体结构及分子结构组成，可用电子显微镜观察分析，是材料科学的研究对象；(2)细观层次(Meso-level)。从分子尺度到宏观尺度，其结构单元尺度变化范围在10-4厘米至几厘米，或更大些，着眼于粗细骨料、水泥水化物、孔隙、界面等细观结构，组成多相复合材料，可按各类计算模型进行数值分析。在这个层次上，混凝土被认为是一种由粗骨料、硬化水泥砂浆和它们之间的过渡区(粘结带)组成的三相材料。砂浆中的孔隙很小而量多，且随机分布，水泥砂浆力学性能可以看作细观均质损伤体。相同配合比、相同条件的砂浆试件，通常其力学性能也比较稳定，可以由试验直接测定。由泌水、干缩和温度变化引起粗骨料和水泥砂浆之间产生初始粘结裂缝，而这些细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性能；(3)宏观层次(Macro-level)。特征尺寸大于几厘米，混凝土作为非均质材料存在着一种特征体积，一般认为是相当于3～4倍的最大骨料体积。当小于特征体积时，材料的非均质性质将会十分明显；当大于特征体积时，材料假定为均质。有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变的关系成为宏观的应力应变关系。

图2-2

最初人们对混凝土材料力学性能的研究多偏重于宏观角度，忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构，难以揭示材料变形和破坏的物理机制，特别是天然存在的大量的细、微观缺陷，如骨料界面、孔洞以及随机分布的微裂纹在荷载作用时的扩展对混凝土力学性能的影响。而混凝土的宏观力学性能受其细观结构的控制，宏观的破坏行为也是由于细观尺度上的损伤和断裂行为的累积和发展的结果。比如，混凝土在宏观上表现出金属所没有的拉压异性、剪胀性、压硬性、非均匀强化和非均匀软化等特性，这些特性的内在机制必然体现在物质细观构造的差异上，即混凝土是由骨料、砂浆及二者之间的界面层等组成的多相嵌套复合材料。即便同属于混凝土，不同级配和不同组分也将带来很大的差异性，掌握其内部构造与宏观特性之间的关系对研发高性能混凝土和根据工程特点正确使用混凝土有重要指导作用。因此，对混凝土性能的研究关键应从混凝土的细观结构入手，以找出混凝土内部构造与宏观特性之间的必然联系。这就不可避免的将细观力学的分析方法引入到混凝土的研究中来。

细观力学的研究需要将试验、理论分析和数值计算三方面相结合。试验观测结果提供了

细观力学的实物物性数据和检验判断标准；理论研究总结出细观力学的基本原理和理论模型；数值模拟计算是细观力学不可少的有效研究手段。人们可以在细观层次上合理地采用各相介质本构关系的情况下，借助于计算机的强大运算能力，对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟，而且能够避开试验机特性对于试验结果的影响。数值模拟可直观再现混凝土细观结构损伤和破坏过程。

已有的对混凝土的细观力学研究主要集中在四个方向[25]: ①混凝土有效模量及平均应力、应变的研究;②混凝土细观力学试验研究;③细观层次混凝土损伤的本构关系研究; ④混凝土细观力学数值模拟。

①混凝土有效模量及平均应力、应变的研究;

求解复合材料有效性能的方法和模型很多，常用的几种细观力学方法（自洽法，稀疏法等）均可应用。

最早计算混凝土弹性模量时，在细观层次混凝土被认为是由骨料和水泥浆体所组成的两相复合材料，利用该模型根据H-S界限准则得到的混凝土弹性模量远大于实验数据。Nilsen&Monteiro[26]和simeonov&Ahmad[27]利用H-S界限准则和实验数据分析了混凝土的弹性模量，得出混凝土应该被视为是由骨料、界面过渡区和水泥浆体组成的三相复合材料。此后，大多数混凝土细观力学模型都采用三相细观力学模型。随着对混凝土的微观结构组成的研究不断深入，人们对混凝土的微观结构有了更全面、更深层次的认识。

为了能尽可能的考虑到混凝土微观各组分对混凝土宏观弹性性能的影响，让所求得的混凝土有效模量与实际情况更为接近，近年来混凝土细观力学模型研究从以往的单一尺度向多尺度发展，许多研究者提出了多尺度下混凝土细观力学模型。

Guoqiang Li[28-29]将混凝土视为是由骨料、界面过渡区和水泥浆体三均质相组成的三相复合材料，建立混凝土三相细观力学球模型，计算出了混凝土的有效模量。他们在前人给出的用于研究两相复合材料有效体积模量的三相球模型的基础之上提出了四相球模型，用于计算三相复合材料的有效体积模量。该模型将复合材料分为是一个等效三相球模型与一个等效两相球模型的叠加，即首先把骨料跟ITZ（界面过渡区）作为是一个两相球模型，进行分析，再将骨料跟ITZ用一个等效相代替，与外面的水泥浆体及基体组成等效三相球模型进行分析。该模型可以考虑最大骨料粒径几骨料级配对混凝土有效体积模量的影响。利用该模型计算所得结果也试验结果很接近。通过模型计算发现，最大骨料粒径、骨料级配以及界面过渡区都对混凝土的有效模量有很大的影响

J.C.Nadeau等[30]提出了一种多尺度模型来计算混凝土的有效模量，将其表示成以下参数的函数: 细骨料、粗骨料和微观孔洞缺陷的体积分数、尺寸分布和材料弹性性能; 水灰比和水泥用量; ITZ内的水灰比梯度变化;ITz的体积分数等。考虑到界面过渡区的微观结构组成决定其非均质性，J.C.Nadeau等将界面过渡区视为是非均质相，提出相应模型计算混凝土的有效模量。

Christian Pichler等[31]提出了一种多尺度细观力学模型来研究预测水泥基材料早期自收缩变形。

C.C.Yang等[32-33]用试验和理论分析研究了混凝土的单轴抗压力学性能。试验研究了水泥基复合材料在不同骨料含量和不同水胶比下的混凝土单轴抗压力学性能。又从理论上建立两相细观力学模型，运用细观力学理论进行了分析，通过运用等效夹杂理论和Mori-Tanaka 方法求出了水泥砂浆的和骨料的平均应力。作者认为混凝土的单轴抗压强度取决于强度较弱相。通过模型计算结果与试验结果对比，证明该模型可用于预测混凝土的抗压强度。C.C.Yang 进而用细观力学理论研究了混凝土混合材料的有效弹性模量，提出了一种基Mori-Tanaka方法和双夹杂的计算方法，能更为精确地计算出混凝土复合材料的有效弹性模量。该方法将夹