混凝土材料的细观损伤机理

□芈书贞（河南省郑州水利学校）

混凝土力学试验是研究其断裂过程和宏观力学性能的基本手段。但是，由于试验条件的限制，往往其试验结果不能反映试件的材料特性，而只能反映整个试样——加载系统的结构特性。细观力学数值模拟，在计算模型合理和混凝土各相材料特性数据足够精确的条件下，可以取代部分试验，而且能够避开试验条件的客观限制和人为因素对其结果的影响。

一、混凝土的细观结构

混凝土是由水、水泥和粗细骨料组成的复合材料。一般从特征尺寸和研究方法的侧重点不同将混凝土内部结构分为3个层次。

（一）微观层次

材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从＜10-7cm至10-4cm，着眼于水泥水化物的微观结构分析。由晶体结构及分子结构组成，可用电子显微镜观察分析，是材料科学的研究对象。

（二）细观层次

从分子尺度到宏观尺度，其结构单元尺度范围在10-4cm至几厘米，或更大一些，着眼于粗细骨料、水泥水化物、孔隙、界面等细观结构，组成多相复合材料，可按各类计算模型进行数值分析。在这个层次上，混凝土被认为是一种由粗骨料、硬化水泥砂浆和它们之间的过渡区（粘结带/界面）组成的三相材料。砂浆中的孔隙很小而量多，且随机分布，水泥砂浆力学性能可以看作细观均质损伤体。相同配合比、相同条件的砂浆试件，通常其力学性能也比较稳定，可以由试验直接测定。由泌水、干缩和温度变化引起粗骨料和水泥砂浆之间产生初始粘结裂缝，而这些细观内部裂隙的发展将直接影响混凝土的宏观力学性能。

（三）宏观层次

特征尺寸大于几厘米。混凝土作为非均质材料存在着一种特征体积，一般认为是相当于3～4倍的最大骨料体积。当小于特征体积时，材料的非均质性质将会十分明显。当大于这个体积时，材料假定为均质，有限元计算结果反映了一定体积内平均效应，这个特征体积的平均应力和平均应变的关系成为宏观的应力应变关系。

二、混凝土损伤细观分析

对混凝土细观结构的研究表明：即使在加载以前，混凝土内部已有微裂缝存在。这种微裂缝一般首先在较大骨料颗粒与砂浆接触面（粘结带/界面）上形成，即所谓的初始粘结裂缝。这是由于水泥砂浆在混凝土硬化过程中干缩引起的。砂浆和粗骨料接触面处是混凝土内部的薄弱环节，正是这种接触面导致混凝土具有较低的抗拉强度。粘结裂缝的数量取决于许多因素，包括骨料尺寸及其级配、水泥用量、水灰比、固化强度、养护条件、环境湿度和混凝土的发热量等。由于骨料和砂浆的刚度不同，在加载过程中，这种裂缝还将进一步发展，以致使混凝土在宏观上的应力应变曲线呈现出非线性。

试验证实混凝土试件开始加载后直至极限荷载σmax，内部的微裂缝逐渐增多和扩展，具体可分为3个阶段。

（一）微裂缝相对稳定期

此时混凝土的压应力较小，虽然有些微裂缝的尖端因应力集中而沿界面略有发展，也有些裂缝和间隙因受压而有所闭合，对混凝土的宏观变形性能无明显变化。即使荷载有多次重复作用，或者持续较长时间，微裂缝也不致有大发展，卸载后的残余变形很小。

（二）稳定裂缝发展时期

混凝土的应力增大后，原有的粗骨料界面裂缝逐渐延展和加宽，其他粗骨料表面也将出现新的界面粘结裂缝。部分界面裂缝的延伸，渐次的进入水泥砂浆，或者水泥砂浆中原有的缝隙处的应力集中将砂浆拉断，产生少量微裂缝。这一阶段，混凝土内部微裂缝发展较多，变形加快增加。但是，当荷载不再增大时，微裂缝的发展亦将停滞，裂缝形态保持稳定。这类裂缝称为稳定裂缝。在荷载长期作用下，混凝土的变形虽继续增长，但渐趋收敛，不会过早破坏。

（三）不稳定裂缝发展期

混凝土在更高的应力作用下，粗骨料的界面裂缝突然加宽和延伸，大量的进入水泥砂浆；水泥砂浆中的已有裂缝也加快发展，和相邻的粗骨料界面裂缝相连。这些裂缝逐个地联通，构成大致平行于压应力方向的连续裂缝，称为纵向劈裂裂缝。若混凝土中有些粗骨料的强度较低，或存在节理和缺陷，也可能发生骨料劈裂。这一阶段的应力增量不大，而裂缝发展加速，变形增长大；即使应力维持常值，裂缝仍将继续发展，不再能保持稳定状态。这些裂缝称为不稳定裂缝。纵向的通缝将试件分隔成多个小柱体，承载力下降而导致混凝土的最终破坏。

三、混凝土的单轴受力破坏

（一）混凝土的单轴受拉破坏

混凝土的受拉的实验难度较大，微裂缝在单轴受拉过程中起主要作用，混凝土的单轴拉伸的经典应力应变曲线如图。由图1可以看出：当应力σ～σf时，σ～ε曲线基本呈线性增长关系，只是在约(0.7～0.9)σf以上部分稍微偏离直线；在上升段中，初始损伤将有所发展，并可能萌生新的损伤，但上升段中的损伤基本上不引起试件不可恢复的变形，因而属于脆弹性损伤，且上升段的损伤度D不大，当应力达到σf时，表示在试件的最薄弱区段内，材料开始开裂破坏，该处损伤发展较快，并开始产生不可恢复的变形，在应力达到σf时，由于开裂处混凝土材料的啮合作用，还可继续传递应力。因而应变还会继续增加，所以σ～ε曲线还将延续下去，并进入新阶段。在新阶段中，由于仍有应力作用，不可恢复的应变将继续增大，同时损伤也逐渐扩大，表示在这一阶段中损伤是逐渐增大的，且其中不可恢复的成分越来越大，因而属于弹塑性损伤。在这一阶段中，由于损伤的发展，材料性能将不断劣化，因而传递应力的能力将逐渐下降，所以σ～ε曲线随着ε的增大而下降，这就是全曲线的下降段。在下降段，ε随应力渐减而继续增大的现象称为混凝土的应变软化效应。下降段是损伤发展的主要阶段，也正是由于损伤的发展才出现“软化”，这就是混凝土应变软化效应的损伤机理。在下降段的末端，当传递应力的能力已降到零时，表明材料已完全破坏，即已完全裂开，此时的损伤达到极限值。总的来说，混凝土试件在单向拉伸时，试件的破裂缝与加载方向垂直且只有一条，即沿最大拉伸变形方向拉断破坏。

图1 混凝土轴拉应力-应变曲线

（二）混凝土的单轴受压破坏

相对于单轴受拉而言，混凝土受压条件下受力性能与破坏机理要复杂得多。

从图2可以看出，混凝土试件破坏过程可以分为4个阶段：

图2 混凝土单轴受压应力应变曲线

当应力小于30%抗压极限强度fc时，混凝土内的骨料和水泥晶体基本处于弹性阶段，其应力－应变曲线接近直线。在卸载后，应变将重新恢复到零。

当应力为（30%：50%）fc时，应力－应变曲线开始偏离直线，相应于粘结裂缝以稳定的方式缓慢扩展，在此阶段基体只是轻微开裂。

当应力达到（50%：75%）fc时，应力－应变曲线曲率逐渐增加，相应于粘结裂缝继续扩展，并延展到基体之中。随着基体的开裂，原先孤立的粘结裂缝开始贯穿，发展成为一个更为广泛和连续的裂纹体系。若维持应力为75%fc左右不变，这些裂缝将持续增长，并最终导致混凝土破坏。

当应力超过75%fc，应力－应变曲线明显弯曲，相应于基体中砂浆裂缝急剧增加，并与附近的界面裂缝连接成宏观大裂缝，其方向主要是平行于外荷载的方向，此时裂缝扩展是不稳定的。当裂缝延伸发展并相互连接时，混凝土的承载能力降低，应力－应变曲线出现下降段，材料开始“软化”。但是要测得并描绘应力－应变曲线的下降段，必须采用刚度很大的试验机和采用控制应变速率的加、卸载装置。

总的来说，单向压缩时，试件的破裂呈现出平行的多条裂缝，即沿加载方向开裂，这主要是由于受压时自由面向外膨胀产生拉伸变形。