潘韡靜

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數(shù)值模擬計(jì)算是細(xì)觀力學(xué)不可少的有效研究手段。人們可以在細(xì)觀層次上合理地采用各相介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的情況下，借助于計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，對(duì)混凝土復(fù)雜的力學(xué)行為進(jìn)行數(shù)值模擬，而且能夠避開試驗(yàn)機(jī)特性對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響。數(shù)值模擬可直觀再現(xiàn)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷和破壞過(guò)程。

1962年，Lyubimove等人首次在細(xì)觀層面上對(duì)界面進(jìn)行研究，提出界面過(guò)渡區(qū)的概念。他們用顯微硬度測(cè)試技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在靠近骨料表面處，硬度最小，向水泥基方向移動(dòng)，硬度逐漸增加，呈梯度變化，到100mm以后達(dá)到常數(shù)。

1983年，Wittmann F H和Zaitsev Y V把混凝土看作非均質(zhì)復(fù)合材料，在細(xì)觀層次上研究了混凝土的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和裂縫擴(kuò)展過(guò)程。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，在細(xì)觀層次上利用數(shù)值方法直接模擬混凝土試件或結(jié)構(gòu)的裂縫擴(kuò)展過(guò)程及破壞形態(tài)，直觀地反映出試件的損傷破壞機(jī)理引起了廣泛的注意。

近十幾年來(lái)，基于混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，人們提出了許多研究混凝土斷裂過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)模型，最具典型的有格構(gòu)模型(Lattice model)、Bazant (1990年)提出的隨機(jī)粒子模型(Random particle model)、Mohamed A R (1999年)等提出的細(xì)觀模型、隨機(jī)骨料模型(Random aggregate model)及朱萬(wàn)成(2002年)、唐春安 ( 2003年)提出的隨機(jī)力學(xué)特性模型等。這些模型都假定混凝土是砂漿基質(zhì)、骨料和兩者之間的黏結(jié)帶組成的三相復(fù)合材料，用細(xì)觀層次上的簡(jiǎn)單本構(gòu)關(guān)系來(lái)模擬復(fù)雜的宏觀斷裂過(guò)程。另外，倪玉山 (1997年)、謝和平（1997年）、Mechtcherine (2001年)等，根據(jù)混凝土材料特性與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系，運(yùn)用分形方法定量描述了混凝土的損傷演化行為。

1990年，Bentur采用SEM（電子掃描顯微鏡）等對(duì)漿體與集料界面的組成，結(jié)構(gòu)及成因進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：在混凝土中集料與漿體間存在過(guò)渡區(qū)，區(qū)域內(nèi)的孔隙、微裂縫和氫氧化鈣晶體含量比在水泥石內(nèi)多，且此范圍隨著水化過(guò)程而減小，從早期的100mm厚減至15mm左右。

1990年, Stankowski等的連續(xù)有限元模型模擬結(jié)果顯示：當(dāng)砂漿與集料間的界面粘結(jié)由通常情況變?yōu)橥昝勒辰Y(jié)時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度只提高了7%，抗拉強(qiáng)度提高了29%

1992年和1999年，SchlangenVan Mier分別采用有限元網(wǎng)格模型（lattice model）模擬了界面強(qiáng)度對(duì)混凝土抗剪強(qiáng)度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)界面粘結(jié)強(qiáng)度提高10倍時(shí)，抗剪強(qiáng)度提高了30%～35%，因此他們認(rèn)為基體強(qiáng)度是控制混凝土強(qiáng)度的主要因素。

1992年，Schom采用類似的網(wǎng)格模型（bochum method）進(jìn)行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混凝土的抗拉強(qiáng)度確與界面黏結(jié)強(qiáng)度相關(guān)，但并非呈線性關(guān)系，界面黏結(jié)強(qiáng)度的降低將在一定程度上導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度減??；只要界面黏結(jié)強(qiáng)度不為零，界面黏結(jié)強(qiáng)度的變化對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響就不是很大。

1999年，Mohamed通過(guò)有限元微觀力學(xué)模型模擬顯示：界面強(qiáng)度與基質(zhì)強(qiáng)度之比對(duì)混凝土材料特性有很大關(guān)系。當(dāng)界面強(qiáng)度在基質(zhì)強(qiáng)度的60%以下時(shí)，混凝土的承載能力會(huì)明顯降低。若大于60%，則裂縫不會(huì)出現(xiàn)在界面，而是在基質(zhì)；若大于80%，則骨料強(qiáng)度對(duì)混凝土起很重要的作用。

在數(shù)值模擬中，界面通常被簡(jiǎn)化為均勻材料。然而2003年，Nadeau通過(guò)數(shù)字圖像與有限元方法相結(jié)合的方法，研究界面剛度與砂漿剛度的影響。發(fā)現(xiàn)界面厚度增加導(dǎo)致ITZ體積分?jǐn)?shù)增加，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致混凝土有效彈性模量降低。

2003年，陳惠蘇結(jié)合SPACE系統(tǒng)和HYMOSTRUCTURE系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，探討了截面分析法對(duì)界面過(guò)渡區(qū)厚度的放大作用以及集料形狀對(duì)放大倍數(shù)的影響。研究了混凝土界面過(guò)渡區(qū)體積隨集料體積率、集料粒徑分布以及界面過(guò)渡區(qū)厚度的變化情況。

2005年，陳惠蘇采用計(jì)算機(jī)力學(xué)模擬技術(shù)，對(duì)混凝土強(qiáng)度、彈性模量、斷裂力學(xué)性能等方面，研究混凝土界面過(guò)渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。2006年，陳厚群等正采用并進(jìn)行有限元計(jì)算，來(lái)解決計(jì)算量的問(wèn)題。

到目前，基于細(xì)觀研究混凝土?xí)r，考慮計(jì)算量的問(wèn)題，模擬ITZ性能的界面單元的尺寸取值比實(shí)際情況要大（通常取50mm-0.5mm左右），同時(shí)排除了模型混凝土中顆粒徑過(guò)大及過(guò)小的粒子，此外模型混凝土中集料的體積分?jǐn)?shù)也比實(shí)際情況要小得多，這是目前采用有限元方法，模擬界面性能對(duì)混凝土宏觀性能的影響時(shí)，需要注意的幾個(gè)問(wèn)題。

同時(shí)，在細(xì)觀層次上對(duì)混凝土數(shù)值模擬大都為平面靜力問(wèn)題，并僅限于少級(jí)配小尺寸混凝土試件的研究，多數(shù)文獻(xiàn)注重對(duì)破壞過(guò)程的數(shù)值模擬，距可以替代部分試驗(yàn)的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，而模擬全級(jí)配混凝土在靜、動(dòng)力作用下的破壞過(guò)程仍是一項(xiàng)空白。

迄今為止，盡管應(yīng)用格構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值模擬的成果較多，并且有很多優(yōu)點(diǎn)，但該類模型不能反映單元實(shí)際變形形態(tài)，單元的破壞為不可逆過(guò)程，很難反映卸載和動(dòng)力反復(fù)加載問(wèn)題。隨機(jī)骨料模型未考慮各相力學(xué)特性在計(jì)算域內(nèi)的隨機(jī)分布，而隨機(jī)力學(xué)特性模型未考慮骨料顆粒在計(jì)算域內(nèi)的隨機(jī)分布。實(shí)際上，粗骨料顆粒在試件域內(nèi)的隨機(jī)分布及各相細(xì)觀材料的力學(xué)特性在試件域內(nèi)的隨機(jī)分布對(duì)混凝土試件的宏觀力學(xué)特性均有一定影響，因此，這些細(xì)觀模型均有待改進(jìn)。

混凝土細(xì)觀力學(xué)是建立在實(shí)際試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，混凝土各相介質(zhì)的力學(xué)特性、損傷本構(gòu)關(guān)系及其損傷演化規(guī)律都必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)和計(jì)算力學(xué)相結(jié)合，輸入?yún)?shù)的不定性與概率統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合，試驗(yàn)與計(jì)算相結(jié)合的細(xì)觀力學(xué)研究方法，可以架起混凝土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性的連接橋梁。