混凝土损伤特性与演化规律

2023-08-26 理论教育版权反馈

【摘要】：从材料层次上看，混凝土类脆性固体材料属于先天性微裂纹材料，材料中大量存在的先天微裂纹是这类材料及其组成的结构在服役过程中损伤演化导致材料或结构破坏的源头。细观尺度上混凝土的观测结果表明，非均匀性和先天存在的细观裂纹是混凝土材料最重要的材料特性，而内部存在的微裂纹对混凝土这类脆性材料的损伤性能及其破坏起到了至关重要的作用。

从材料层次上看，混凝土类脆性固体材料属于先天性微裂纹材料，材料中大量存在的先天微裂纹是这类材料及其组成的结构在服役过程中损伤演化导致材料或结构破坏的源头。而要认识混凝土在微细观尺度上的损伤特征，必须从认识混凝土在微细观尺度上的材料非均匀性开始。

混凝土是以水泥砂浆为基体、以骨料为加劲材料的复合材料。它与前几节中分析的金属等均质材料有着截然不同的内在结构和力学性质，其最大的特点就是其组成是由硬化水泥浆和粗、细骨料等构成的多相复合结构，这一特点决定了混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性。在混凝土组成结构中，砂、石是骨料，对混凝土起骨架作用，其中小颗粒填充大颗粒的空隙；水和水泥组成水泥浆，包裹在所有粗细骨料的表面并填充在骨料空隙中。从细观角度可以将混凝土看作由粗骨料、硬化水泥浆体以及两者之间的界面粘结带组成的三相复合材料，大量的实验表明这三者的力学性能差异明显，粗骨料的强度最大，硬化水泥浆体次之，界面层最弱，这种现象导致其宏观层面的复合力学性能极其复杂。作为这样一种典型的非均质材料，混凝土在多种尺度下都表现出了非均质性。从不同的尺度上观测和分析，混凝土材料非均匀性的主要表现为（如图2.42）：

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图2.42　混凝土骨料界面区和界面微裂纹

（1）在粗骨料级尺寸上观测，混凝土可以视为粗骨料与水泥砂浆基体组成的两相复合材料，这种材料是不均匀的；在荷载作用下，混凝土的力学性能很大程度上受到粗骨料与水泥砂浆之间的界面过渡区的影响。

（2）在细骨料级尺寸上观测，又可将细骨料与水泥浆视为两种材料，水泥砂浆也是不均匀的。

（3）在更小尺寸上，在水泥浆基体中由于存在有微小孔洞和孔隙，水泥浆基体也是不均匀的；粗细骨料与相应的基体之间存在着相应的界面过渡区，界面过渡区是混凝土的薄弱环节，其力学性能很大程度上会受到界面过渡区的影响。此外，水泥砂浆基体中还有其他的更小尺度的缺陷，这些缺陷的存在都会影响混凝土的性能。

由于上述先天的多相非均质性，在混凝土材料内部，微裂纹从一开始就不可避免地大量存在着。正是混凝土在微细观尺度上的非均质多相复合结构，使得混凝土在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因，已存在大量的微孔隙和界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的。实验表明，混凝土浆体的硬化过程中的收缩导致其在加载之前内部就出现了微裂纹。在混凝土内部，砂浆和骨料之间的界面层是最薄弱的部分，正是这种薄弱的界面层造成了混凝土不抗压的特性，而由于水泥浆体与骨料的刚度不匹配，其内部的裂纹将会不断地扩展，所以在混凝土的加载过程中，应力应变的变化将不会是线性的。细观尺度上混凝土的观测结果表明，非均匀性和先天存在的细观裂纹是混凝土材料最重要的材料特性，而内部存在的微裂纹对混凝土这类脆性材料的损伤性能及其破坏起到了至关重要的作用。例如，混凝土在宏观上表现出金属没有的脆性断裂、拉压异性等特性，这些特性就是由不同材料内部非均质性和微裂纹扩展过程中呈现出的差异而造成的。在混凝土材料损伤演化的早期阶段，材料性能劣化是由随机分布的微观裂纹扩展所导致的。在这个阶段，可能存在一些微裂纹的聚合，但未形成宏观裂纹。在中后期阶段，随着微裂纹的进一步聚合，才逐渐形成了宏观裂纹，进而导致了损伤的局部化。

由此可见，混凝土中损伤演化的起源是骨料与砂浆的界面上的裂纹，其损伤演化的过程是这些裂纹成核、扩展、融合、发展为宏观裂纹并失稳扩展的过程。也即弥散在材料内部的微裂缝受到外界作用以后，开始逐渐扩展，在高应力区域出现贯通，直至形成宏观裂缝。混凝土损伤演化是以微细观裂纹跨尺度扩展为主导的直至破坏的过程。描述这样的损伤演化过程预示其本构行为将是非常复杂的，如果只单纯用经典弹性力学或塑性力学的处理方法来描述将难以获得理想结果。对含先天缺陷的材料力学行为的描述必然要考虑缺陷导致的损伤演化和损伤对材料性能的影响，来获得损伤后的本构关系。因此，目前损伤材料的本构行为就包括了变形、损伤和断裂三个方面。材料的变形引起损伤发展，损伤演化导致材料性能劣化、内部裂纹扩展，裂纹扩展又会引起材料中的应力重分布进而改变材料的变形性能。因此，损伤演化是和材料的变形行为相互耦合的。混凝土组分的独立本构关系在很大范围内都是线弹性的，但混凝土的线弹性范围却很窄（约极限强度的30%～40%），更多的是非线性行为。有人称之为混凝土的塑性，但考虑到混凝土材料内部微结构的特点，更应该将这种非线性行为归结于损伤的观点。而看似“塑性”的变形实际是不可逆变形，它导致了能量的耗散。

上述混凝土中各种组分、各种尺度下的缺陷或裂纹都是各种形式的损伤。这时如果混凝土受到外部荷载及环境因素的作用，则混凝土中原有损伤将会有所发展（演化）并会导致出现新的损伤，当初始发生在微细观尺度上的损伤演化到一定程度时，混凝土中将会出现宏观裂缝，而宏观裂缝的端部又将会发生新的损伤及产生新的损伤区，再经积累而引起裂缝的扩展，直至混凝土的破坏。由此可见，混凝土的破坏过程实际上是以微细观尺度上以裂纹为主导形式的损伤跨尺度演化、发展到宏观裂纹及其扩展导致发生破坏的过程。

如前所述，混凝土材料在没有任何外力作用下已经含有大量的微观缺陷（如微裂纹和空洞），骨料砂浆的接触区域尤为如此；随着外力的作用，微缺陷会进行分布式的生长聚合，发展到一定程度之后材料内部会形成宏观的主裂纹；随着进一步加载，宏观裂纹的持续扩展将导致混凝土的最终破坏。对应于加载曲线，一般认为初始的线弹性性质是由内部微缺陷没有明显生长而导致；到达弹性极限后的峰前非线性阶段（prepeak nonlinearity）是由微裂纹的分布式生长导致的；峰后软化阶段（postpeak softening）由宏观裂纹的形成与扩展导致；而最后的尾部区域则被认为是骨料的自锁或其他摩擦原因导致的。上述过程描述中，早期微裂纹生长一般在较大的区域内发生，即在空间上具有分布性；而主裂纹即一般只会在局部产生，即空间上高度局部化。

但是，上述针对混凝土材料的细观构造特性形成的损伤演化与破坏机理的定性分析与解释，对于考虑这种损伤演化进行材料与结构的强度计算和损伤演化导致的材料与结构性能劣化下降是远远不够的，必须建立损伤演化与破坏的定量分析模型和计算方法。

混凝土损伤特性与演化规律

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