混凝土细观层次界面初始缺陷含量损伤破坏的初步研究

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摘要：混凝土材料的破坏开始于其结构在加载前就有的内部不可见的损伤和缺陷，在细观层次上对初始损伤进行分析，更能反映真实的混凝土破坏行为。本文描述混凝土细观破坏特征，并介绍对混凝土细观结构初始缺陷的研究进展，结合骨料与初始缺陷的关系，确定初始缺陷含量，结合文献成果，研究细观结构破坏。关键词：细观结构；初始缺陷；破坏准则

Abstract: the concrete material damage began in the structure before loading some internal no visible damage and defects, at the mesoscopic level of initial damage analysis, can reflect the real damage of concrete behavior. This paper describes the concrete meso damage features, and introduced the progress in the research on the mesoscopic structure of concrete initial defects, combined with the relationship between aggregate and initial defects, to determine the initial defect content, combined with literature research results, microstructural damage.

Keywords: meso-structure; initial imperfection; failure criterion

中图分类号：文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

1 引言

混凝土材料的破坏开始于其结构在加载前就有的内部不可见的损伤和缺陷，当混凝土受到外荷载作用时，不论其所在的部位是处于粗骨料与水泥石的结合面，或是在水泥石的基材中，其细观层次的孔洞或微裂纹，都将因为应力集中而发展，逐渐降低强度刚度，最后导致材料的宏观破坏。因此混凝土材料的力学性能不仅取决于水泥、骨料等组成物质，还也受到细观初始缺陷的影响。研究混凝土材料的损伤破坏必须从细观层次做起，充分运用损伤力学和细观力学的方法，才能抓住事物的本质。

2骨料及初始缺陷

2.1细观力学的研究尺度

细观力学是研究材料细观结构对荷载作用、外界因素的响应，分析细观结构与宏观力学性能的物理关系的一门热点学科[1]，它将固体力学与材料科学紧密结合。而细观尺度只是一个相对尺度，并没有严格定义哪个几何尺寸范围为细观尺度的大小，对于不同的材料和研究对象，该尺度的范围是不同的，混凝土的细观尺度只不过是人们针对混凝土的结构而提出的。

混凝土是水泥水化产物、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹、细骨料、粗骨料等物质组成的结构复杂的复合材料，混凝土的内部结构具有多尺度性。研究尺度可以分为微观(MieroscopiC)、细观(Mesosopie)和宏观(Maeroseopie)。通常来说,混凝上的细观是指10一5(亚微米)至10一2m(厘米)之间的尺度。但是，细观尺度又是一个相对尺度，针对不同的材料体系，按照上述物理模型的定义来调整对应的细观和宏观的空间尺度界限，如混凝土的细观模型可以细到毫米或厘米的量级，而地质和地震研究中的细观模型可能粗到几公里的量级。

在细观尺度下，可观察到较大的孔隙以及骨料颗粒等一些初始缺陷，水泥砂浆与粗细骨料颗粒间的耦合作用是混凝土的一个基本特征，并且混凝土材料非均质性实际上是由于材料内部细观结构的非均匀性导致应力集中，从而导致宏观强度降低而引起的。因此，在细观尺度下研究初始缺陷更能真实反映混凝土损伤破坏演化的基本规律。

2.2混凝土的细观结构破坏特征

混凝土大多由人工或者机器搅拌而成，由于其本身的结构特性, 在不受力的自然状态下就存在天然初始缺陷（裂缝、孔洞）。

根据混凝土组成材料颗粒的大小，破坏可以分为三级：硬化水泥浆、混凝土和砂浆的破坏。硬化水泥浆和砂浆也不是均质的，其中包括一些孔隙及未被水化的水泥颗粒，这些都是材料的初始缺陷。水泥浆体的破坏从这些初始缺陷开始。对于视砂浆为母体的混凝土材料，粗骨料为填料、骨料和砂浆母体的结合缝比砂和水泥浆的结合缝大一个量级。在相同的应力状态下，砂浆和骨料的结合面会产生第一条裂缝。因此，混凝土的破坏实际上是一个非常复杂的结构变化过程。

2.3 有限元中确定混凝土细观结构初始缺陷含量

随机骨料结构由文献[2]的方法生成(二维问题)，假定其中的骨料形状是圆形的，骨料位置是随机分布的。过渡区的界面是混凝土的薄弱部位，因此本文考虑界面过渡区中的初始缺陷。引起界面初始微缺陷的主要是干缩和水分蒸发[3]两个因素，其中干缩引起的应力集中与骨料间距有关，因此，根据文献[18]本文假设：

(1)如果骨料相互间的间距在一定范围之内，这个局部范围就存在初始缺陷。

(2)本文初始缺陷由破坏单元表示，骨料上初始缺陷的长度与破坏单元个数和单元平均尺寸有关。

由以上假设可知，初始缺陷的含量可以由初始缺陷长度和骨料最小距离控制。相关文献则将初始缺陷的长度视为破坏单元的个数和单元尺寸的乘积。

初始缺陷含量按下述步骤确定：

(1)划分网格。

(2)选取一个骨料计算与骨料Ai间距小于给定最小距离的骨料集合S={Aj |dist(Ai，Aj)

(3)从集合S中取出一个骨料Ai，计算骨料Ai的界面单元与Ai圆心的距离，根据初始缺陷的长度L和单元的平均尺寸l，以最近的n(n=L／l)个单元表示初始缺陷。

(4)重复第3步，遍历集合S中的所有骨料，得到Ai表面的所有初始缺陷。

(5)重复第2步到第4步，直到所有骨料遍历一遍，得到所有骨料的初始缺陷。

3对混凝土细观结构初始缺陷的研究进展

3.1 混凝土细观损伤的基本特征

混凝土在形成之初，混凝土内部在细观层次上就有肉眼看不见的微孔洞、微裂缝等初始缺陷存在。在加载过程中,这些初始损伤会逐渐发展，从而造成破坏单元的应力- 应变关系逐步地偏离线性关系，显示出非线性的基本特征。同时，由于混凝土材料内部缺陷分具有随机分布性质，也致使之后的损伤演化过程, 都必然地具备随机性的特征。也就是说，混凝土材料构成本身具有随机分布性质，也就一定会导致损伤具有随机演化性质。随机的损伤演化，必然导致随机的强度表现、随机的本构关系[4]。

从细观上看混凝土的破坏过程既是：在环境变化或外部加载的情况下，因为结构内部细观层次的初始缺陷如微裂纹、孔洞等，将在温度、荷载等因素持续作用下产生弥散裂缝，然后进一步生长、扩大，并逐渐交并、结合，最后形成肉眼可见的宏观裂纹，导致结构的强度、刚度下降，最终发生断裂和破坏。

3.2细观结构的初始缺陷的损伤研究现状

很多学者在习惯尺度上对混凝土初始缺陷对开展了大量的研究，目前采用的研究方法大致分为２种：试验方法和数值模拟方法。