混凝土破坏机理的探讨

混凝土破坏机理分析

秦国梁

（南昌大学建筑工程学院江西南昌6003113039）

摘要本文阐述了混凝土的破坏过程，通过对裂缝的观察和发展的分析总结，建立了混泥土应力应变关系，最后探讨了提高混凝土的可能途径。

关键词混凝土抗压强度破坏机理应力应变关系

Research on Concrete destruction mechanism

Qin guo liang

(nan chang university ,Jiangxi)

Abstract: This paper expounds the failure process of concrete. Through the crack observation and fracture development . this paper analyzes and summarizes the established concrete of the stress strain relationship .finally discusses how to improve the strength of concrete in possible ways. Key word: concrete , the compressive strength , failure mechanism ,the stress strain relationship 混凝上的抗压强度是混凝土材料最基本的性质, 也是实际工程所要求的基本指标。混凝土抗压强度是以破坏时的压应力大小来衡量的。因此,研究混凝土的强度必须从研究混凝土的破坏入手。

1混凝土的破坏过程

混凝土的破坏过程人们根据试验机以及从混凝土内部结构的亚微观分析发现,混凝土在承受载荷以前已含有微裂纹,存在宏观的缺陷,如裂纹、夹渣、气泡、孔穴、偏析等。混凝土的破坏正是由潜在的各种缺陷引起的,其破坏过程实际上就是微裂纹萌生、扩展、贯通,直到产生宏观裂纹,导致混凝土失稳破裂的过程。据此,可以将混凝土的破坏过程分为三个阶段,以单轴压缩(或拉伸) 应力状态为例加以说明。第一阶段在30 %～40 %极限抗压强度(60%极限抗拉强度内) ,此时认为在这个阶段材料是准弹性的。随着载荷的增加,由于砂浆和骨料沿开裂面产生了相对滑动,裂纹向砂浆中扩展,从而进入第二阶段。此时,众多的裂纹缓慢、稳定的发展着,停止加荷,裂纹的扩展也中断,所以该阶段也叫做稳定的裂纹扩展阶段,此后,当这些微裂纹相互贯通,形成控制强度的宏观裂纹时,裂纹进入不稳定扩展阶段,即第三阶段。此后,应力—应变曲线还存在一个下降段,逐渐失去承载能力。而整个应力—应变曲线说明了裂纹的产生、扩展和失稳过程。显然其中的非线性与混凝土结构中的微裂纹形成有关。由于混凝土内部裂纹有一个稳定的发展阶段,因此,可认为混凝土裂纹的端部有一个微裂纹区,那个微裂纹区有时也称断裂过程区。随着载荷的增加,微裂纹区裂纹数量增加,肉眼可见的裂纹逐渐变成真正的裂纹(通常称为微裂纹的亚临界扩展) ,纹端前移,又出现新的微裂纹区。这就是混凝土中裂纹的发展过程。

2裂缝发展过程

以用显微镜直接观察加荷至不同应力的混凝土的切片为例, 可发现裂缝的发展过程为：（1）当施加应力/破坏强度=0,即未加荷时, 混凝土内部已存在许多预存裂缝, 它们大都是集料与水泥浆休界面的粘结裂缝；

（2）当施加应力/破坏强度=0.3时, 裂缝状态基本上0/0时相同, 可以认为在此应力水平下, 预存裂缝基术上未扩, 也未产生新的裂缝；

(3)当施加应力/破坏强度=0.5时, 在粗集料与水泥桨体界面上引发出了新的粘结裂缝, 在水

灰比较大的情况下还可观察到粘结裂缝已扩展到基材中, 同时基材中也出现少量砂浆裂缝；

(4) 当施加应力/破坏强度=0.7时, 粘结裂缝继续扩展并大量向基材中延伸, 砂浆裂缝不断增多并开始将邻近的粘结裂缝连结起来成为连续裂缝；

(5) 当施加应力/破坏强度=0.9时, 粘结裂缝及砂浆裂缝迅速增加, 并相互形成连续裂缝, 试件侧面的混凝土开始剥落；

(6) 当施加应力/破坏强度=1时, 形成许多贯通裂缝,混凝土达到其强度极限。虽然由于各种观测方法的灵敏度不同,以致所发现的相对于裂缝不同发展阶段的应力水平略有差异, 但所得的结果都证实, 混凝七中裂缝的发展经历了三个阶段:裂缝引发阶段、裂缝缓慢生长阶段、裂缝快速生长阶段;在混凝土中并不是单一裂缝的扩展,其中有众多的裂缝, 裂缝扩展途径也极其曲折及粗糙。

3混凝土的应力应变关系

应力-应变关系是混凝土在外力作用下变形及破坏现象的外部表现。在最简单的情况下，混凝土可视为一级二相复合材料，即可将混凝土模型化为由硬化水泥浆体、集料组成的二相复合材料。图1为硬化水泥浆体、集料及由这二种成分组成的混凝土的应力-应变曲线。集料的应力-应变曲线直到破坏基本上是线性的；硬化水泥浆体直到极限荷载的90-95%，其应力-应变曲线也基本上是线性的；然而，混凝土的应力-应变曲线则有明显的不同。图2是承受单轴压力的混凝土试件典型的应力-应变曲线。在达到抗压极限强度?的30%时，应力超过该点后，曲线的曲率逐渐增加；到0.75-0.95应力左右时，曲线明显弯曲；在应力达到?时形成峰点。混凝土应力-应变曲线形状的这种变化与其内部裂缝的发展过程有着密切关系。与裂缝扩展过程相联系，在单轴压力下混凝土的应力-应变曲线可分为四个区域（见图2）

4.混凝土的应力应变关系

应力-应变关系是混凝土在外力作用下变形及破坏现象的外部表现。在最简单的情况下，混凝土可视为一级二相复合材料，即可将混凝土模型化为由硬化水泥浆体、集料组成的二相复合材料。图1为硬化水泥浆体、集料及由这二种成分组成的混凝土的应力-应变曲线。集料的应力-应变曲线直到破坏基本上是线性的；硬化水泥浆体直到极限荷载的90-95%，其应力-应变曲线也基本上是线性的；然而，混凝土的应力-应变曲线则有明显的不同。图2是承受单轴压力的混凝土试件典型的应力-应变曲线。在达到抗压极限强度?的30%时，应力超过该点后，曲线的曲率逐渐增加；到0.75?-0.95?左右时，曲线明显弯曲；在应力达到最大值时形成峰点。混凝土应力-应变曲线形状的这种变化与其内部裂缝的发展过程有着密切关系。与裂缝扩展过程相联系，在单轴压力下混凝土的应力-应变曲线可分为四个区域（见图2）

1)应力小于0.3倍最大应力值，应力-应变曲线基本上呈直线，相应于加荷之前已有粘结裂缝存在，但它们十分稳定，但它们的形成可能是在低应力下应力-应变曲线稍呈非线性的原因。通常将0.3倍的最大应力值的应力称为局部开裂起始应力，被假定为弹性极限

2)在约为极限荷载的30-50%之间时,应力-应变曲线开始偏离直线，相应于粘结裂缝以稳定的方式缓慢扩展。在此阶段，基体中只有轻微的开裂。

3)在约为极限荷载的50-70%之间时,应力一应变曲线曲率逐渐增加, 相应于粘结裂缝继续扩展, 并延展到基材之中。随着基材的开裂, 原先孤立的粘结裂缝开始搭接起来, 发展成一个更为广泛和连续的裂缝体系。若维持应力为左右不变, 这些裂缝将持续生长, 并导致混凝土最终破坏（静力疲劳）。通常将0.75的应力称为不稳定断裂开始应力或临界应力。

4)应力超过0.75之后, 应力一应变曲线明显弯曲, 相应于基材中发生更为迅速的裂缝生长。由于这些裂缝的延伸, 裂缝体系终于变得不稳定, 于是发生破坏。值得提出的是, 用常用试验机的情况下, 或者说用“柔性”试验机的情况下, 当达到最大荷载时, 受压混凝土表现为“突然地”破坏。然而, 若使用能维持恒定应变速率的或有足够刚性的试验机, 以避免试验机在混凝七破坏过程中释放过多的能量, 则混凝上的应力应变曲线将显示出很明显的下降分枝图。（图3）这种包括上升及下降分枝的应力一应变曲线, 通常称为全应力一应变曲线。它表明, 即使达到最大荷载时, 裂缝也还未扩展到能引起受压混凝土的完全破坏。事实上,混凝土在应力接近最大荷载时的逐渐破坏主要是穿过基材的微裂缝所造成的。这些微裂缝将邻近集料表面上的粘结裂缝结合起来, 形成一些微裂区或造成内部损伤"随着压应变的增加, 混凝土的损伤连续累积, 混凝土就进入了以出现宏观裂缝为标志的应力一应变曲线的下降