混凝土的宏观与细观力学性能分析,力学论文.docx

混凝土的宏观与细观力学性能分析,力学论文混凝土，是一种由水泥石、骨料和二者之间的界面过渡区所构成的三相复合材料。并且，各相之中由于天然或人工的因素而包含大量的初始微缺陷 微裂缝和微空洞等 .故，混凝土的力学性能不可避免地由三相与微缺陷所共同决定。 然而，不仅混凝土材料复杂的宏观力学行为，让人们难于把握； 而且，从宏观层次所进行的力学性能研究，也很难从根本上解释各种宏观力学行为。于是，在细观层次上，对混凝土材料细观构造构成及其变化，进行现象规律等的试验统计、简化概括等的数值模拟、抽象升华等的理论分析等一系列研究，人们希望能够从中找到既能有效表征混凝土材料力学性能的模型，又能合理解释其复杂力学行为的理论。也因而，混凝土细观力学研究，成为当下一个人们极为热衷的研究方向。 本试验介绍了混凝土宏细观力学性能及细观力学机理研究现在状况，总结了混凝土细观力学机理研究的缺乏之处，提出了混凝土力学性能与力学机理的 宏细统一，拉压同质，压拱拉裂 的研究思路与力学模型。此研究思路与力学模型，有可能较好地统一混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化经过，较好地解释混凝土在拉压应力、拉压循环应力等状态下力学行为的细观损伤机理 本质 . 1 混凝土宏观力学性能 混凝土的宏观力学性能，主要有： 不同加载方式下的力学性能，不同加载速率下的力学性能和不同构件尺寸的力学性能等。下文简述前两者。 1.1 不同加载方式下的力学性能 混凝土在不同加载方式下的力学性能，主要表现为： - ε曲线特征方面、弹性模量方面、强度方面、应变或变形方面和单边效应方面等 表 1 .故分别概述混凝土各个方面的力学性能。 1 - ε 曲线特征方面在单轴单调荷载作用下，混凝土的应力 - 应变关系曲线具有明显的非线性特征1: 初始阶段表现出线弹性，而后则为非线性，且呈现出应变强化与应力软化等特征。 通过 KARSAN 等2的单轴拉伸试验与 GOPALAR-ATNAM 等3的单轴循环压缩试验 图 1 ,可知： 混凝土 - ε曲线具有滞回效应，主要表现为循环单轴荷载作用下，由卸载 - 再加载的应力应变曲线包围构成环状的滞回面积。三轴拉伸的线性，主要表现混凝土在三轴拉伸荷载作用下，各轴向的应力应变关系曲线均基本表现为线性。 2 弹性模量方面通过单轴拉伸试验与单轴循环压缩试验2 -3 图 1 ,可知： 混凝土弹模劣化，主要表现为随着荷载的循环作用，混凝土的割线弹性模量不断降低等。 3 强度方面单轴单调受拉的混凝土强度远低于单轴单调受压的强度，前者仅为后者的 1201101.在双轴压缩荷载作用下，混凝土具有强度提高性，主要表现为随着一个方向抗压强度的提高，另一个方向的抗压强度逐步提高，且双轴等压时的抗压强度略高于单轴抗压强度。在拉压双轴加载时，混凝土拉压性能的随拉性，主要表现为压缩加载方向的强度，随拉伸加载方向的拉应力的增加而降低。双轴拉伸加载时，混凝土力学性能的无影响性，主要表现为双轴受拉的强度稍低于单轴抗拉强度，或者二者基本一致等1. 4 应变或变形方面混凝土单轴单调受拉表现出脆性，而单轴单调受压表现出明显的延性 塑性 ,并且前者的变形集中发生在极限强度附近，后者的变形表现出较明显的缓慢发展经过。 通过 KARSAN 等2的单轴拉伸试验与 GOPALAR-ATNAM 等3的单轴循环压缩试验 图 1 ,可知： 在混凝土的不可复变形方面，主要表现为卸载后材料一部分不可恢复的变形，随着循环荷载作用而逐步增大。 双轴压缩的体积膨胀现象，主要是指尽管体积应变在极限值以前随荷载增加而减小，但到达极限应变后，其随荷载而不断增大等1.三轴压体积应变的应力比条件性-应力比小的时候，体积膨胀显着； 而应力比增加，其体积膨胀越不明显； 三轴的压力比约为 1 的时候，没有明显的体积膨胀1. 5 单边效应方面单轴单调的拉、压荷载作用下，混凝土的单边效应是指，在强度和变形等方面混凝土表现出迥然不同的特性1: 在强度方面，单轴单调受拉的混凝土强度远低于单轴单调受压的强度； 在变形方面，混凝土单轴单调受拉表现出脆性，而单轴单调受压表现出明显的延性 塑性 ,并且前者的变形集中发生在极限强度附近，后者的变形表现出较明显的缓慢发展经过。 混凝土在单轴反向循环加载下1,其单边效应，主要表现为弹性模量的反向增加或降低，即当经过单轴拉荷载作用后，反向施加压荷载，混凝土的弹模明显比拉伸后的状态增加 可以称为弹模恢复 ; 而反之，弹模降低。 6 其他方面在双轴压缩加载时，混凝土的双向应力比影响性，主要指应力比的不同，导致双向的不同的初始弹模，不同的强度，以及不同的塑性发展情况等1. 三轴荷载作用下，围压与拉压硬化性，主要表现为混凝土的强度与极限应变都随着围压的增大而增大，其塑性性能显着发展，并且表现出了硬化性； 拉压加载时，亦然1. 三轴荷载作用下，混凝土的毁坏面特征1,主要表现为毁坏面的子午线从静水受拉点不断沿静水受拉轴朝外扩展。 7 小结通过以上概述，笔者以为，不管非线性还是拉压不对称性，假如假定混凝土的力学性能，仅仅仅是由单一的力学机理完全决定的 如塑性力学机理或弹性断裂损伤机理等 ,如此，不太可能完全准确地揭示其复杂行为的本质。 同时，在针对其脆性与延性行为的表征与机理研究时，最好应区别混凝土与金属二者延性行为的本质，且不应忽视单轴单调受拉时混凝土材料脆性行为主导下的塑性行为与本质。 不管是三轴加载、双轴加载，还是单轴加载，混凝土的单边效应、非线性 强度特征 以及塑性与脆性变形等，都深入的反映在了相应的试验经过与结果之中。故若能从单轴加载情况下把握住其各方面力学行为的机理，那么，多轴情况下的力学行为本质也就可能迎刃而解。 1.2 不同加载速率下的力学性能 在不同加载速率下，混凝土的力学性能主要表现为单轴加载的强度与应变率对数的线性关系、单轴加载的弹模与应变率对数的线性关系、单轴加载的泊松比无应变率影响和三轴围压的应变率影响等6 -8. 首先，单轴加载情况下，混凝土强度与应变率对数具有线性关系，即强度随应变率的对数增加而线性增加8;并且弹性模量与应变率对数也由线性关系，弹性模量随应变率增大而增大7; 而泊松比无应变率影响，即为单轴加载时，混凝土泊松比与应变率几乎没有相关性7. 其次，三轴围压的应变率影响7,主要表现为围压状态对混凝土强度有影响： 低围压时，其强度随着应变率的增加而明显增大； 并且这一影响随着围压的增大而逐步降低，直至围压大于强度时，这一影响基本不存在。 笔者以为，当前针对应变率影响的机理研究已有多种理论，但应结合混凝土受荷时的其他力学性能 如非线性、塑性等 的机理，进而不致应变率机理脱离混凝土材料的损伤劣化本质这一理论基础，也就能够更全面地揭示混凝土力学行为的本质。 2 混凝土细观力学性能 混凝土材料的宏观力学性能，主要源于其内部 尤其是界面过渡区 的微缺陷 微空洞、微裂缝等 的萌生、扩展、交汇贯穿等细观构造的变化经过。下面概述： 混凝土材料受荷损伤毁坏的典型细观构造变化五阶段，多维加载与循环拉压加载的裂缝开展情况等。 2.1 混凝土受荷损伤毁坏细观构造变化五阶段 混凝土材料受荷损伤毁坏的典型细观构造变化五阶段，以单轴单向压缩为例，主要包括线弹性阶段、初步非线性阶段、非线性发展阶段、非线性阶段和应变软化阶段 或局部软化阶段 等五阶段 表 2,图 2 . 2.2 混凝土材料多轴加载的裂缝开展情况 在多轴荷载作用下，混凝土材料内部细观构造变化 微缺陷的构成、微裂缝的发展等 ,这一系列变化发展经过，是在单轴荷载作用下混凝土材料相应细观与宏观变化发展经过的基础上构成的。故，固然前者比后者更为复杂，但前者考虑的因素却只在后者的基础上增加加载方式 拉或压 、应力比等。 在二轴荷载作用下，混凝土的开裂特征1主要有： 双轴压时，一个方向的压荷载阻碍着另一个方向由于压荷载而产生的宏观微裂缝的发展，最终仅产生一些散杂的细小裂缝，且双轴压力越相近时，这一特征越易观察到； 拉压加载时，拉压应力比对微裂缝的构成会聚以及主裂缝的发展均有主要的影响作用，相对拉应越大，则裂缝越趋向于该拉应力产生拉裂缝的方向发展； 双轴拉时，宏观裂缝趋向于最大主拉应力的垂直方向发展。 在三轴加载 三轴压 时，混凝土开裂特征主要为4:围压较小时，裂缝的构成与开展类似于单轴受压的情况；而围压越大时，围压的作用越明显，且微裂缝在垂直于围压的方向也有发展并局部化，最终与轴向压力产生的裂缝交接，构成交织贯穿试件的宏观裂缝。 笔者以为，不仅单轴加载下的混凝土宏细观裂缝构成发展是多轴加载下的基础，而且反过来，通过对多轴加载下混凝土细宏观裂缝的开展特征进行归纳研究，可以以找到相应的单轴加载下裂缝产生发展与损伤毁坏机理的更为直观的研究资料和更为有效的研究方式方法。 2.3 混凝土材料循环拉压加载的裂缝开展情况 在拉压循环荷载作用下，混凝土的裂缝发展产生发展的经过1,主要有： 拉伸加载，垂直于拉伸荷载方向的微裂缝产生； 拉伸荷载，部分微裂缝闭合 但没有愈合 ,卸载结束时，仍有一部分微裂缝不能完全闭合 能够以为混凝土的不可复变形或塑性行为就是由此而来 ; 压缩加载，之前未闭合的微裂缝受力而部分闭合，继续施压，微裂缝偏向发展 或因微裂缝壁的摩擦，或因加载条件所致 ; 往复拉压，裂缝纵横发展，最终试件毁坏。 笔者以为，拉压循环加载是，一方面，从本质上而言，是屡次重复进行的单次拉压加载经过，故应以单次拉压加载的混凝土细观力学行为的研究作为基础； 另一方面，拉压循环加载的混凝土力学性能试验，也为单边效应、不可复变形的研究等，提供了直接的原始根据，应予以重视。