(1.北京工業大學分校，北京100044；2.中國水利水電科學研究院工程地震研究中心，北京100044)
介紹了混凝土細觀力學的研究方法，總結了迄今為止混凝土試驗研究和細觀層次數值模擬的研究成果，詳細分析和討論了細觀力學的三種數值模型:晶格模型、隨機骨料模型和隨機力學性質模型的優缺點。目前混凝土細觀力學的研究主要集中在細觀數值模型的研究上，已經建立的細觀數值模型還有待完善，還缺乏各種材料力學特性參數的系統實驗結果。用微觀力學的數值模擬代替壹些實驗任務還有很多工作要做。
關鍵詞:混凝土；細觀力學；數值模擬；試驗研究
中國圖書館分類號:TV313文獻識別碼:a。
1簡介
混凝土是由水、水泥和粗細骨料組成的復合材料。壹般混凝土內部結構根據特征維度和研究方法的不同分為三個層次(如圖1所示):(1)微觀層次。材料的結構單元尺度在原子和分子量水平，即從小於10-7 cm到10-4 cm，重點分析水泥水化物的微觀結構。它由晶體結構和分子結構組成，可以用電子顯微鏡觀察和分析，是材料科學的研究對象。(2)中觀層面。從分子尺度到宏觀尺度，其結構單元的尺度從10-4cm到幾厘米，甚至更大，集中於粗細骨料、水泥水化物、孔隙、界面等細觀結構，形成多相復合物，可根據各種計算模型進行數值分析。在這個層面上，混凝土被認為是由粗骨料、硬化水泥砂漿和它們之間的過渡區(粘結區)組成的三相材料。砂漿中的孔隙小、數量多且隨機分布，水泥砂漿的力學性能可視為細觀均勻損傷。相同配合比、相同條件的砂漿試件通常具有相對穩定的力學性能，可以通過試驗直接確定。粗骨料與水泥砂漿之間的初始粘結裂縫是由泌水、幹縮和溫度變化引起的，這些細觀內部裂縫的發展將直接影響混凝土的宏觀力學性能；(3)宏觀層面。當特征尺寸大於幾厘米時，混凝土作為壹種非均質材料，有壹個特征體積，壹般認為相當於最大骨料體積的3 ~ 4倍。當小於特征體積時，材料的非均勻性會非常明顯；當它大於特征體積時，材料被認為是均勻的。有限元計算的結果反映了壹定體積內的平均效應，這個特征體積的平均應力和平均應變的關系就變成了宏觀的應力應變關系。
圖1混凝土層次結構圖
長期以來，人們十分重視混凝土材料和構件宏觀力學性能劣化全過程的機理、本構關系、力學模型和計算方法，並用各種理論和方法進行了研究。為了研究材料的結構、裂紋的發展以及單軸、雙軸和三軸應力與強度的關系，人們做了大量的實驗。強度理論也從最簡單的最大拉應力理論、最大拉應變理論發展到單剪應力系列、八面體剪應力系列、雙剪應力系列。到目前為止，有三種統壹的強度理論:(1)彈性本構模型，包括線彈性本構模型和非線性彈性本構模型；(2)基於經典塑性理論的本構模型；(3)基於不可逆熱力學的本構模型，包括內稟時間模型和損傷力學模型。
對混凝土微觀結構的研究表明，即使在加載之前，混凝土中也存在微裂縫。壹般這種微裂紋首先在較大骨料顆粒與砂漿的接觸面(粘結帶)上形成，稱為初始粘結裂紋。這是混凝土硬化過程中水泥砂漿的幹縮造成的。砂漿與粗骨料的界面是混凝土中的薄弱環節，導致混凝土抗拉強度低。粘結裂縫的數量取決於多種因素，包括骨料粒徑及其級配、水泥用量、水灰比、養護強度、養護條件、環境濕度、混凝土熱值等。由於骨料和砂漿的剛度不同，這種裂縫會在加載過程中進壹步發展，從而使混凝土的宏觀應力-應變曲線呈現非線性。不均勻性是混凝土材料最本質的特征，而微裂紋是決定其性能的主導因素。
材料和物理學家從微觀角度研究微觀缺陷的機理，但結果不容易與宏觀力學量聯系起來。混凝土斷裂力學的理論和方法以宏觀裂紋分析為核心，主要研究裂紋尖端附近的應力場、應變場和能量釋放率，從而建立宏觀裂紋起裂、穩定裂紋擴展和不穩定裂紋擴展的判據。而斷裂力學無法分析宏觀裂紋出現之前，材料中微缺陷或微裂紋的形成和發展對材料力學性能的影響。
為了建立混凝土的細觀結構缺陷與其特征的非均質性及其宏觀力學性能之間的關系，自20世紀70年代末以來，混凝土被視為壹種非均質復合材料，從微觀層面研究混凝土的結構、力學性能和裂紋擴展過程。隨著計算技術的發展，直接利用數值方法在細觀層次上模擬混凝土試件或結構的裂紋擴展過程和破壞形態，直觀地反映試件的損傷破壞機理，受到廣泛關註。近十年來，基於混凝土的細觀結構，人們提出了許多細觀力學模型來研究混凝土的斷裂過程。最典型的模型是晶格模型和隨機粒子模型。這些模型都假設混凝土是由砂漿基體、骨料和它們之間的粘結帶組成的三相復合材料，在細觀層次上用簡單的本構關系來模擬復雜的宏觀斷裂過程。此外，文獻提出(如圖4)。為了考慮混凝土構件力學性能分布的隨機性，將各構件的材料性能按照給定的威布爾分布進行賦值。將各種組分(包括砂漿基體、骨料和界面)投影到網格上進行有限元分析，對各相的材料單元賦予不同的力學參數，數值得到壹個力學性能隨機的混凝土數值樣本。用有限元法計算了這些細觀單元的應力和位移。根據彈性損傷本構關系描述細觀單元的損傷演化。最大拉應力(或拉應變準則)和摩爾庫侖準則分別作為細觀單元拉伸損傷和剪切損傷的門檻條件。文獻[29]用該模型系統地模擬了混凝土的單軸拉壓、雙軸拉壓組合、拉伸ⅰ型斷裂、三點彎曲和拉剪斷裂。然而，沒有考慮試件中各級骨料分布的隨機性。事實上，混凝土骨料級配和空間分布的隨機性對計算結果是有影響的。
圖4隨機力學特性模型
到目前為止，混凝土細觀層次的數值模擬大多是平面靜力問題，而且僅限於級配較少的小尺寸混凝土試件的研究。大部分文獻關註的是破壞過程的數值模擬，遠沒有達到替代部分試驗的目的，但是模擬全級配混凝土在靜力和動力作用下的破壞過程還是空白。
5結束語
到目前為止，雖然用格子模型進行數值模擬有很多成果和優點，但這種模型不能反映單元的實際變形形式，單元的破壞是壹個不可逆的過程，很難反映卸載和動態重復加載的問題。隨機骨料模型不考慮計算域內各相力學性質的隨機分布，隨機力學性質模型不考慮計算域內骨料顆粒的隨機分布。事實上，粗骨料顆粒在試件域內的隨機分布和細觀材料力學性能在試件域內的隨機分布對混凝土試件的宏觀力學性能有壹定的影響，因此這些細觀模型需要改進。混凝土的細觀力學是以實際試驗為基礎的，混凝土各相介質的力學性質、損傷本構關系和損傷演化規律必須通過試驗來確定。細觀力學方法將連續介質力學、損傷力學和計算力學結合起來，將輸入參數的不確定性與概率統計理論結合起來，將試驗和計算結合起來，在混凝土的微觀結構和宏觀力學性能之間架起了壹座橋梁。實驗觀測手段的提高和計算機技術的飛速發展為混凝土細觀力學的研究展示了廣闊的前景。
/Journal/iwhrxb/200402/09.html
/research.htm
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