□羋書(shū)貞（河南省鄭州水利學(xué)校）

混凝土力學(xué)試驗(yàn)是研究其斷裂過(guò)程和宏觀力學(xué)性能的基本手段。但是，由于試驗(yàn)條件的限制，往往其試驗(yàn)結(jié)果不能反映試件的材料特性，而只能反映整個(gè)試樣——加載系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性。細(xì)觀力學(xué)數(shù)值模擬，在計(jì)算模型合理和混凝土各相材料特性數(shù)據(jù)足夠精確的條件下，可以取代部分試驗(yàn)，而且能夠避開(kāi)試驗(yàn)條件的客觀限制和人為因素對(duì)其結(jié)果的影響。

一、混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)

混凝土是由水、水泥和粗細(xì)骨料組成的復(fù)合材料。一般從特征尺寸和研究方法的側(cè)重點(diǎn)不同將混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為3個(gè)層次。

（一）微觀層次

材料的結(jié)構(gòu)單元尺度在原子、分子量級(jí)，即從＜10-7cm至10-4cm，著眼于水泥水化物的微觀結(jié)構(gòu)分析。由晶體結(jié)構(gòu)及分子結(jié)構(gòu)組成，可用電子顯微鏡觀察分析，是材料科學(xué)的研究對(duì)象。

（二）細(xì)觀層次

從分子尺度到宏觀尺度，其結(jié)構(gòu)單元尺度范圍在10-4cm至幾厘米，或更大一些，著眼于粗細(xì)骨料、水泥水化物、孔隙、界面等細(xì)觀結(jié)構(gòu)，組成多相復(fù)合材料，可按各類(lèi)計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值分析。在這個(gè)層次上，混凝土被認(rèn)為是一種由粗骨料、硬化水泥砂漿和它們之間的過(guò)渡區(qū)（粘結(jié)帶/界面）組成的三相材料。砂漿中的孔隙很小而量多，且隨機(jī)分布，水泥砂漿力學(xué)性能可以看作細(xì)觀均質(zhì)損傷體。相同配合比、相同條件的砂漿試件，通常其力學(xué)性能也比較穩(wěn)定，可以由試驗(yàn)直接測(cè)定。由泌水、干縮和溫度變化引起粗骨料和水泥砂漿之間產(chǎn)生初始粘結(jié)裂縫，而這些細(xì)觀內(nèi)部裂隙的發(fā)展將直接影響混凝土的宏觀力學(xué)性能。

（三）宏觀層次

特征尺寸大于幾厘米?；炷磷鳛榉蔷|(zhì)材料存在著一種特征體積，一般認(rèn)為是相當(dāng)于3～4倍的最大骨料體積。當(dāng)小于特征體積時(shí)，材料的非均質(zhì)性質(zhì)將會(huì)十分明顯。當(dāng)大于這個(gè)體積時(shí)，材料假定為均質(zhì)，有限元計(jì)算結(jié)果反映了一定體積內(nèi)平均效應(yīng)，這個(gè)特征體積的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變的關(guān)系成為宏觀的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

二、混凝土損傷細(xì)觀分析

對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究表明：即使在加載以前，混凝土內(nèi)部已有微裂縫存在。這種微裂縫一般首先在較大骨料顆粒與砂漿接觸面（粘結(jié)帶/界面）上形成，即所謂的初始粘結(jié)裂縫。這是由于水泥砂漿在混凝土硬化過(guò)程中干縮引起的。砂漿和粗骨料接觸面處是混凝土內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)，正是這種接觸面導(dǎo)致混凝土具有較低的抗拉強(qiáng)度。粘結(jié)裂縫的數(shù)量取決于許多因素，包括骨料尺寸及其級(jí)配、水泥用量、水灰比、固化強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境濕度和混凝土的發(fā)熱量等。由于骨料和砂漿的剛度不同，在加載過(guò)程中，這種裂縫還將進(jìn)一步發(fā)展，以致使混凝土在宏觀上的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出非線性。

試驗(yàn)證實(shí)混凝土試件開(kāi)始加載后直至極限荷載σmax，內(nèi)部的微裂縫逐漸增多和擴(kuò)展，具體可分為3個(gè)階段。

（一）微裂縫相對(duì)穩(wěn)定期

此時(shí)混凝土的壓應(yīng)力較小，雖然有些微裂縫的尖端因應(yīng)力集中而沿界面略有發(fā)展，也有些裂縫和間隙因受壓而有所閉合，對(duì)混凝土的宏觀變形性能無(wú)明顯變化。即使荷載有多次重復(fù)作用，或者持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，微裂縫也不致有大發(fā)展，卸載后的殘余變形很小。

（二）穩(wěn)定裂縫發(fā)展時(shí)期

混凝土的應(yīng)力增大后，原有的粗骨料界面裂縫逐漸延展和加寬，其他粗骨料表面也將出現(xiàn)新的界面粘結(jié)裂縫。部分界面裂縫的延伸，漸次的進(jìn)入水泥砂漿，或者水泥砂漿中原有的縫隙處的應(yīng)力集中將砂漿拉斷，產(chǎn)生少量微裂縫。這一階段，混凝土內(nèi)部微裂縫發(fā)展較多，變形加快增加。但是，當(dāng)荷載不再增大時(shí)，微裂縫的發(fā)展亦將停滯，裂縫形態(tài)保持穩(wěn)定。這類(lèi)裂縫稱(chēng)為穩(wěn)定裂縫。在荷載長(zhǎng)期作用下，混凝土的變形雖繼續(xù)增長(zhǎng)，但漸趨收斂，不會(huì)過(guò)早破壞。

（三）不穩(wěn)定裂縫發(fā)展期

混凝土在更高的應(yīng)力作用下，粗骨料的界面裂縫突然加寬和延伸，大量的進(jìn)入水泥砂漿；水泥砂漿中的已有裂縫也加快發(fā)展，和相鄰的粗骨料界面裂縫相連。這些裂縫逐個(gè)地聯(lián)通，構(gòu)成大致平行于壓應(yīng)力方向的連續(xù)裂縫，稱(chēng)為縱向劈裂裂縫。若混凝土中有些粗骨料的強(qiáng)度較低，或存在節(jié)理和缺陷，也可能發(fā)生骨料劈裂。這一階段的應(yīng)力增量不大，而裂縫發(fā)展加速，變形增長(zhǎng)大；即使應(yīng)力維持常值，裂縫仍將繼續(xù)發(fā)展，不再能保持穩(wěn)定狀態(tài)。這些裂縫稱(chēng)為不穩(wěn)定裂縫?？v向的通縫將試件分隔成多個(gè)小柱體，承載力下降而導(dǎo)致混凝土的最終破壞。

三、混凝土的單軸受力破壞

（一）混凝土的單軸受拉破壞

混凝土的受拉的實(shí)驗(yàn)難度較大，微裂縫在單軸受拉過(guò)程中起主要作用，混凝土的單軸拉伸的經(jīng)典應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖。由圖1可以看出：當(dāng)應(yīng)力σ～σf時(shí)，σ～ε曲線基本呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，只是在約(0.7～0.9)σf以上部分稍微偏離直線；在上升段中，初始損傷將有所發(fā)展，并可能萌生新的損傷，但上升段中的損傷基本上不引起試件不可恢復(fù)的變形，因而屬于脆彈性損傷，且上升段的損傷度D不大，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σf時(shí)，表示在試件的最薄弱區(qū)段內(nèi)，材料開(kāi)始開(kāi)裂破壞，該處損傷發(fā)展較快，并開(kāi)始產(chǎn)生不可恢復(fù)的變形，在應(yīng)力達(dá)到σf時(shí)，由于開(kāi)裂處混凝土材料的嚙合作用，還可繼續(xù)傳遞應(yīng)力。因而應(yīng)變還會(huì)繼續(xù)增加，所以σ～ε曲線還將延續(xù)下去，并進(jìn)入新階段。在新階段中，由于仍有應(yīng)力作用，不可恢復(fù)的應(yīng)變將繼續(xù)增大，同時(shí)損傷也逐漸擴(kuò)大，表示在這一階段中損傷是逐漸增大的，且其中不可恢復(fù)的成分越來(lái)越大，因而屬于彈塑性損傷。在這一階段中，由于損傷的發(fā)展，材料性能將不斷劣化，因而傳遞應(yīng)力的能力將逐漸下降，所以σ～ε曲線隨著ε的增大而下降，這就是全曲線的下降段。在下降段，ε隨應(yīng)力漸減而繼續(xù)增大的現(xiàn)象稱(chēng)為混凝土的應(yīng)變軟化效應(yīng)。下降段是損傷發(fā)展的主要階段，也正是由于損傷的發(fā)展才出現(xiàn)“軟化”，這就是混凝土應(yīng)變軟化效應(yīng)的損傷機(jī)理。在下降段的末端，當(dāng)傳遞應(yīng)力的能力已降到零時(shí)，表明材料已完全破壞，即已完全裂開(kāi)，此時(shí)的損傷達(dá)到極限值?？偟膩?lái)說(shuō)，混凝土試件在單向拉伸時(shí)，試件的破裂縫與加載方向垂直且只有一條，即沿最大拉伸變形方向拉斷破壞。

圖1 混凝土軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（二）混凝土的單軸受壓破壞

相對(duì)于單軸受拉而言，混凝土受壓條件下受力性能與破壞機(jī)理要復(fù)雜得多。

從圖2可以看出，混凝土試件破壞過(guò)程可以分為4個(gè)階段：

圖2 混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線

當(dāng)應(yīng)力小于30%抗壓極限強(qiáng)度f(wàn)c時(shí)，混凝土內(nèi)的骨料和水泥晶體基本處于彈性階段，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線接近直線。在卸載后，應(yīng)變將重新恢復(fù)到零。

當(dāng)應(yīng)力為（30%：50%）fc時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線開(kāi)始偏離直線，相應(yīng)于粘結(jié)裂縫以穩(wěn)定的方式緩慢擴(kuò)展，在此階段基體只是輕微開(kāi)裂。

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到（50%：75%）fc時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線曲率逐漸增加，相應(yīng)于粘結(jié)裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，并延展到基體之中。隨著基體的開(kāi)裂，原先孤立的粘結(jié)裂縫開(kāi)始貫穿，發(fā)展成為一個(gè)更為廣泛和連續(xù)的裂紋體系。若維持應(yīng)力為75%fc左右不變，這些裂縫將持續(xù)增長(zhǎng)，并最終導(dǎo)致混凝土破壞。

當(dāng)應(yīng)力超過(guò)75%fc，應(yīng)力－應(yīng)變曲線明顯彎曲，相應(yīng)于基體中砂漿裂縫急劇增加，并與附近的界面裂縫連接成宏觀大裂縫，其方向主要是平行于外荷載的方向，此時(shí)裂縫擴(kuò)展是不穩(wěn)定的。當(dāng)裂縫延伸發(fā)展并相互連接時(shí)，混凝土的承載能力降低，應(yīng)力－應(yīng)變曲線出現(xiàn)下降段，材料開(kāi)始“軟化”。但是要測(cè)得并描繪應(yīng)力－應(yīng)變曲線的下降段，必須采用剛度很大的試驗(yàn)機(jī)和采用控制應(yīng)變速率的加、卸載裝置。

總的來(lái)說(shuō)，單向壓縮時(shí)，試件的破裂呈現(xiàn)出平行的多條裂縫，即沿加載方向開(kāi)裂，這主要是由于受壓時(shí)自由面向外膨脹產(chǎn)生拉伸變形。