单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的CT试验研究_田威

细观破损过程，分析了基于 CT 数平均Байду номын сангаас变化规律的特点； 将混凝土材料的损伤过程进行了分
段，提出了损伤变量的提取方法。随后结合试验得到的宏观应力应变曲线，经过拟合得到损伤
变量与宏观应变的关系公式，建立了新的分段损伤演化方程及损伤本构模型。通过对比分析，
验证了损伤变量的计算结果和试验结果整体吻合较好。以此深入研究了混凝土材料细观破损
扫描断面 4
2534． 38 2548． 75 2547． 66 2548． 96 2549． 84 2547． 75 2534． 44 2530． 2 2522． 06 2444． 17
扫描断面 5
2589． 08 2589． 7 2593． 52 2595． 91 2587． 16 2581． 08 2579． 61 2578． 78 2577． 65 2523． 08
当应力继续增加到 36． 08MPa 时，达到峰值载荷，此时各扫描断面 CT 数平均值减小的速度加大，这
一阶段是破坏前兆阶段，即损伤演化速度最快的阶段，此时会有多条新的裂纹出现，使得此时的试件密
度大幅降低，其细观的直接表现为各扫描断面 CT 数平均值急剧降低，即试件各扫描断面出现显著的扩
容。
最后进行卸载，即应力从 33． 61MPa 到 12． 71MPa 阶段，试件进入残余变形阶段。各扫描断面 CT 数
扫描断面 2
2577． 33 2575． 72 2579． 02 2579． 28 2577． 72 2576． 37 2564． 91 2562． 59 2557． 71 2468． 36
扫描断面 3
2559． 37 2555． 89 2557． 6 2563． 37 2571． 3 2572． 14 2558． 169 2552． 53 2541． 91 2487． 93
1 混凝土损伤演化的 CT 试验
1． 1 试验条件及过程 本次试验的对象是规格为 Ф60mm × 120mm 的一级配混凝土圆柱试件 CONC10。水泥使用云南滇
西水泥厂生产的 42． 5 中热硅酸盐水泥； 骨料使用班多水电站骨料场的天然卵石骨料及天然砂，试件粗 骨料粒径不大于 10mm。
本次试验利用三峡大学仁和医院 PHILIPS brilliance 16 排螺旋 CT 机，图像大小为 512 × 512，此设备 具有超强薄层扫描（ 0． 5mm） ，更快的扫描时间（ 0． 4s） ，更大的扫描范围（ 一圈 16 层） 。采用新研制的便 携式 CT 实时动态加载设备进行混凝土试件静力压缩试验，扫描定位如图 1 所示，根据试件配置情况， 预估破坏荷载 90kN。设定的加载路径为： 荷载控制，加载速率 0． 2kN / s，加至 60kN。停止加载，保持位 移不变，进行第 2 次扫描。随后位移控制，加载速率 0． 002mm / s，依此类推，试件破坏试验停止，破坏荷 载 101． 98kN。共扫描 10 次，应力应变曲线见图 2。
实验力学
（ 2011 年） 第 26 卷
进行的扫描，无论是各层的 CT 数平均值统计表还是图像均不相同，可见混凝土是一种典型的具有以微 孔洞和微裂纹为主的初始损伤的介质，且初始损伤表现出非均匀性。
图 3 某一扫描断面随应力变化的 CT 图像 Fig． 3 CT images on under different stress processes
由于岩石和混凝土材料密度近似，岩石 CT 理论和分析方法均可用来研究混凝土材料细观结构，而 混凝土 CT 试验研究成果相对较少，所以岩石材料的细观损伤演化研究现状，可以为混凝土的相关研究
* 收稿日期： 2010-04-12； 修回日期： 2010-07-16 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51009010） ，中央高校基本科研业务费专项基金（ CHD2010JC114） 和长安大学基础研究支 持计划专项基金资助项目； 建设部给水排水重点实验室开放基金资助 通讯作者： 田威（ 1981 － ） ，男，讲师，博士，主要从事岩土工程数值仿真研究。E-mail： tianwei816@ yahoo． com． cn
第1 期
田威等： 单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的 CT 试验研究
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提供借鉴依据。 党发宁［7，8］利用集合论知识，基于 CT 数研究了破损产生的位置及破损判据，提出了安全区、损伤进
行区和破损区的概念，给出了加卸载准则，建立了混凝土本构关系的分区描述和混凝土破损空间本构理 论，将破损演化理论应用于混凝土 CT 图像的定量分析。
图 1 CT 扫描空间定位图 Fig． 1 Location of CT scanning
图 2 CONC10 混凝土试件应力 － 应变曲线 Fig． 2 Curve of relation between stress and strain on CONC10
1． 2 试验结果 试件每次扫描 24 层，共扫描 10 次，由于断面较多，限于篇幅本文只给出其中的 1 个扫描断面图像，
机理。
关键词： 混凝土； 细观损伤； CT； 损伤变量； 本构模型
中图分类号： TU22
文献标识码： A
0 引言
本构关系是力学研究中一项基础性前沿课题之一，正确实用的本构关系能够较好地反映和揭示材 料的物理力学特性，为人们进一步认识及合理刻画材料的力学行为提供推动力，为工程设计提供科学依 据。
混凝土细观力学试验对进一步认识混凝土材料的损伤演化机理提供了试验支持，但其最终目的是 建立可以反映这一机制的本构模型，反过来再用这一经过有限试验验证的数学模型模拟不同试验条件 下材料的力学行为，为实际工程提供设计或计算论证依据。这样一个反复验证和修正的过程是每一个 合理本构关系的建立所必经的过程。
本文作者在文［9］中提出了混凝土材料的损伤变量，其本质上是基于细观统计损伤力学所建立的 密度细观损伤变量，与现有 CT 损伤力学的研究成果中所定义的损伤变量相比，能够更好地反映出材料 损伤局部化的现象，但是没有与宏观力学的劣化建立联系。
因此本文在总结前人建立的 CT 试验损伤演化方程及本构模型基础上，结合混凝土材料本身极不 均匀的特点，从定量角度对单轴压缩混凝土损伤演化 CT 试验的结果进行了分析，在混凝土细观损伤演 化机理的基础上，建立合理准确的混凝土材料损伤演化方程，确立损伤本构关系，以密度损伤（ CT 数变 化） 变量为基础建立的混凝土损伤演化方程及损伤本构关系与宏观力学性能的劣化相联系，以揭示混 凝土材料细观损伤破裂机理。
表 1 各扫描断面 CT 数平均值与应变关系 Tab． 1 Relation between damage variable and strain
荷载 （ MPa）
应变 （ %）
0
0
21． 23 0． 55
24． 59 0． 66
27． 24 0． 75
33． 19 0． 958
34． 89 1． 041
36． 08 1． 149
33． 61 1． 25
32． 22 1． 375
12． 71 1． 417
混凝土 试件均值 2569． 2 2570． 4 2572． 9 2578． 77 2575． 81 2572． 9 2563． 8 2560． 91 2519． 7 2490． 3
扫描断面 1
2586． 1 2581． 94 2586． 73 2606． 33 2593． 03 2587． 55 2581． 91 2580． 45 2549． 66 2528． 22
第1 期
田威等： 单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化机理的 CT 试验研究
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及微裂纹萌生扩展，即在初始损伤的基础上产生了新的损伤，试件密度减小，导致 CT 数平均值减小。
此阶段是一个扩容的阶段，试件密度减小。此阶段微裂纹在骨料颗粒的薄弱交界面处萌生，并且微裂纹
出现伸长、分叉、贯通现象，这一阶段是损伤开始演化和稳定发展阶段。
第 26 卷 第 1 期 2011 年 2 月
实验力学
JOURNAL OF EXPERIMENTAL MECHANICS
Vol． 26 No． 1 Feb． 2011
文章编号： 1001-4888（ 2011） 01-0054-07
单轴压缩条件下混凝土细观损伤
演化机理的
CT
*
试验研究
田威1 ，党发宁2 ，陈厚群2，3
如图 3 所示。 1． 3 试验结果分析 1． 3． 1 损伤演化过程分析
从表 1 中各扫描断面 CT 数平均值分布来看，试件上层密度高于中层密度（ 约为 1． 04% ） ，下层密度 高于上层和中层（ 约为 0． 11% 和 1． 17% ） ，这主要是与试件成型的振捣方法有关。在未加载时对各层
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程。其中表 1 的混凝土试件均值定义为某一应力阶段五个扫描断面 CT 数的平均值。
对于 CONC10 试件来说，将破坏过程分成五个阶段，并且分别以这五个阶段来建立损伤演化方程
（ 图 4 上的 CT 数分段标识 OA，AB，BC，CD，DE 与图 2 上的应力 － 应变曲线分段对应） 。
（ 1） 第 1 阶段是损伤弱化阶段 OA，当应力为
试件在初次加载时，扫描断面 4、5 的 CT 数平均值都有升高，而 1、2、3 扫描断面 CT 数平均值有一 定的下降，表明试件损伤发展的很不均匀，当试件荷载增加到 24． 59MPa 时，试件各扫描断面的 CT 数平 均值均有升高，试件密度增大，这一阶段是压密阶段，实际上是一个损伤出现弱化的阶段。发生这一现 象的本质是混凝土试件扫描断面的孔洞、微裂纹等初始缺陷（ 损伤） 在压缩过程中出现闭合，试件被压 密，引起扫描断面的 CT 数平均值增加。扫描断面 1 压密约 0． 78% ，扫描断面 2 压密约 0． 075% ，扫描断 面 3 压密约 0． 56% ，扫描断面 4 压密约 0． 59% ，扫描断面 5 压密约 0． 34% 。
当荷载为 24． 59MPa ～ 27． 24MPa 时，各扫描断面 CT 数平均值变化不大，CT 观测图像变化也不大， 此阶段试件的细观损伤不显著，混凝土材料处于弹性变形阶段。
当荷载为 33． 19MPa 时，各扫描断面 CT 数平均值开始减小，这是一个重要的信息，表明细观损伤 开始演化，试件内部的微细裂纹开始萌生并扩展。在荷载作用下，使试件初始的损伤微孔隙、微孔洞以
段，到损伤急剧增大到破坏的全过程，反映出了混凝土损伤破坏的机理。因此 CT 数分析是细观损伤检
测分析的有效方法，为进一步定量描述细观损伤演化规律提供了重要依据。
1． 3． 2 基于 CT 数变化的分段损伤演化机理分析
先将混凝土宏观破坏的应力 － 应变全过程曲线进行分段，以便可以建立合理的混凝土损伤演化方
0MPa ～ 24． 59MPa 时，这一阶段的 CT 数在初始损
伤的基础上略有升高，混凝土密度增大（ 即应变为
平均值急剧下降，承载力逐渐减小，试件急速扩容，断面内裂纹进一步融合贯通，裂纹宽度进一步加大，
卸载到 12． 71MPa 时，形成贯通的宏观裂纹，试件发生破坏。
由以上分析可以得出： 通过 CT 数平均值与应变关系曲线图 4 的研究，可以发现静力压缩条件下混
凝土试件的破坏经历了从最初的开始损伤、损伤弱化即一个压密的阶段、损伤稳定发展即一个扩容阶
（ 1． 长安大学 建筑工程学院，西安 710061； 2． 西安理工大学 岩土工程研究所，西安 710048； 3． 中国水利水电科学研究院工程抗震中心，北京 100044）
摘要： 混凝土是一种非均质的材料，在细观层次上将混凝土看作由骨料、砂浆和两者之间的界面
组成的三相复合材料。本文在对混凝土进行单轴压缩试验的基础上，根据 CT 扫描图像反映的
杨更社、谢定义［1］最先利用 CT 数的空间分布规律对岩石的损伤演化情况进行了研究，并提出了 CT 数损伤变量及损伤本构关系。仵彦卿、丁卫华［2，3］对单轴及三轴压缩条件下岩石的损伤演化进行了 阶段划分，提出了密度损伤增量的概念，对裂纹的力学机理进行了分析和宽度测量，建立了密度损伤增 量与体应变的关系。葛修润、任建喜［4 － 7］从损伤演化的细观机理出发，对岩石应力 － 应变全过程曲线进 行了定量化分段，给出了单轴压缩和三轴压缩岩石分段损伤演化方程及本构关系，但其研究的重点主要 集中在峰前阶段。