混凝土界面动态特性数值仿真研究现状

潘韡静

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数值模拟计算是细观力学不可少的有效研究手段。人们可以在细观层次上合理地采用各相介质本构关系的情况下，借助于计算机的强大运算能力，对混凝土复杂的力学行为进行数值模拟，而且能够避开试验机特性对于试验结果的影响。数值模拟可直观再现混凝土细观结构损伤和破坏过程。

1962年，Lyubimove等人首次在细观层面上对界面进行研究，提出界面过渡区的概念。他们用显微硬度测试技术发现，在靠近骨料表面处，硬度最小，向水泥基方向移动，硬度逐渐增加，呈梯度变化，到100mm以后达到常数。

1983年，Wittmann F H和Zaitsev Y V把混凝土看作非均质复合材料，在细观层次上研究了混凝土的结构、力学特性和裂缝扩展过程。随着计算技术的发展，在细观层次上利用数值方法直接模拟混凝土试件或结构的裂缝扩展过程及破坏形态，直观地反映出试件的损伤破坏机理引起了广泛的注意。

近十几年来，基于混凝土的细观结构，人们提出了许多研究混凝土断裂过程的细观力学模型，最具典型的有格构模型(Lattice model)、Bazant (1990年)提出的随机粒子模型(Random particle model)、Mohamed A R (1999年)等提出的细观模型、随机骨料模型(Random aggregate model)及朱万成(2002年)、唐春安 ( 2003年)提出的随机力学特性模型等。这些模型都假定混凝土是砂浆基质、骨料和两者之间的黏结带组成的三相复合材料，用细观层次上的简单本构关系来模拟复杂的宏观断裂过程。另外，倪玉山 (1997年)、谢和平（1997年）、Mechtcherine (2001年)等，根据混凝土材料特性与分形维数的相关关系，运用分形方法定量描述了混凝土的损伤演化行为。

1990年，Bentur采用SEM（电子扫描显微镜）等对浆体与集料界面的组成，结构及成因进行了研究。研究发现：在混凝土中集料与浆体间存在过渡区，区域内的孔隙、微裂缝和氢氧化钙晶体含量比在水泥石内多，且此范围随着水化过程而减小，从早期的100mm厚减至15mm左右。

1990年, Stankowski等的连续有限元模型模拟结果显示：当砂浆与集料间的界面粘结由通常情况变为完美粘结时，混凝土的抗压强度只提高了7%，抗拉强度提高了29%

1992年和1999年，SchlangenVan Mier分别采用有限元网格模型（lattice model）模拟了界面强度对混凝土抗剪强度的影响，结果发现：当界面粘结强度提高10倍时，抗剪强度提高了30%～35%，因此他们认为基体强度是控制混凝土强度的主要因素。

1992年，Schom采用类似的网格模型（bochum method）进行了模拟，结果发现：混凝土的抗拉强度确与界面黏结强度相关，但并非呈线性关系，界面黏结强度的降低将在一定程度上导致混凝土抗拉强度减小；只要界面黏结强度不为零，界面黏结强度的变化对混凝土抗压强度的影响就不是很大。

1999年，Mohamed通过有限元微观力学模型模拟显示：界面强度与基质强度之比对混凝土材料特性有很大关系。当界面强度在基质强度的60%以下时，混凝土的承载能力会明显降低。若大于60%，则裂缝不会出现在界面，而是在基质；若大于80%，则骨料强度对混凝土起很重要的作用。

在数值模拟中，界面通常被简化为均匀材料。然而2003年，Nadeau通过数字图像与有限元方法相结合的方法，研究界面刚度与砂浆刚度的影响。发现界面厚度增加导致ITZ体积分数增加，进而会导致混凝土有效弹性模量降低。

2003年，陈惠苏结合SPACE系统和HYMOSTRUCTURE系统，采用计算机模拟技术，探讨了截面分析法对界面过渡区厚度的放大作用以及集料形状对放大倍数的影响。研究了混凝土界面过渡区体积随集料体积率、集料粒径分布以及界面过渡区厚度的变化情况。

2005年，陈惠苏采用计算机力学模拟技术，对混凝土强度、弹性模量、断裂力学性能等方面，研究混凝土界面过渡区微观结构变化对混凝土力学性能的影响。2006年，陈厚群等正采用并进行有限元计算，来解决计算量的问题。

到目前，基于细观研究混凝土时，考虑计算量的问题，模拟ITZ性能的界面单元的尺寸取值比实际情况要大（通常取50mm-0.5mm左右），同时排除了模型混凝土中颗粒径过大及过小的粒子，此外模型混凝土中集料的体积分数也比实际情况要小得多，这是目前采用有限元方法，模拟界面性能对混凝土宏观性能的影响时，需要注意的几个问题。

同时，在细观层次上对混凝土数值模拟大都为平面静力问题，并仅限于少级配小尺寸混凝土试件的研究，多数文献注重对破坏过程的数值模拟，距可以替代部分试验的目标还相差甚远，而模拟全级配混凝土在静、动力作用下的破坏过程仍是一项空白。

迄今为止，尽管应用格构模型进行数值模拟的成果较多，并且有很多优点，但该类模型不能反映单元实际变形形态，单元的破坏为不可逆过程，很难反映卸载和动力反复加载问题。随机骨料模型未考虑各相力学特性在计算域内的随机分布，而随机力学特性模型未考虑骨料颗粒在计算域内的随机分布。实际上，粗骨料颗粒在试件域内的随机分布及各相细观材料的力学特性在试件域内的随机分布对混凝土试件的宏观力学特性均有一定影响，因此，这些细观模型均有待改进。

混凝土细观力学是建立在实际试验基础上的，混凝土各相介质的力学特性、损伤本构关系及其损伤演化规律都必须经过试验测定。将连续介质力学、损伤力学和计算力学相结合，输入参数的不定性与概率统计理论相结合，试验与计算相结合的细观力学研究方法，可以架起混凝土微观结构与宏观力学特性的连接桥梁。