混凝土的宏观与细观力学性能分析
混凝土材料的宏观力学性能，主要源于其内部的微缺陷的萌生、扩展、交汇贯通等细观结构的变化过程，以下是一篇关于混凝土宏观力学性能探究的论文范文，供大家阅读借鉴。
引言
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，对混凝土材料细观结构构成及其变化，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。也因此，混凝土细观力学研究，成为当前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状，总结了混凝土细观力学机理研究的不足之处，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过程，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：σ-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)σ-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σ-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形成环状的滞回面积。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1?20~1?10[1].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渐提高，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过程。
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渐增大。
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，但达到极限应变后，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过程。
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(也可称为弹模恢复);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，混凝土的破坏面特征[1],主要表现为破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，笔者认为，不论非线性还是拉压不对称性，如果假定混凝土的力学性能，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。
不论是三轴加载、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，都深刻的反映在了相应的试验过程与结果之中。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渐降低，直至围压大于强度时，这一影响基本不存在。
笔者认为，目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，从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、交汇贯通等细观结构的变化过程。下面概述：混凝土材料受荷损伤破坏的典型细观结构变化五阶段，多维加载与循环拉压加载的裂缝开展情况等。
2.1混凝土受荷损伤破坏细观结构变化五阶段
混凝土材料受荷损伤破坏的典型细观结构变化五阶段，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结构变化(微缺陷的形成、微裂缝的发展等),这一系列变化发展过程，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过程的基础上形成的。故，虽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因为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形成汇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，裂缝的形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，形成交错贯通试件的宏观裂缝。
笔者认为，不仅单轴加载下的混凝土宏细观裂缝形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，也可以找到相应的单轴加载下裂缝产生发展与损伤破坏机理的更为直观的研究资料和更为有效的研究方法。
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过程[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(可以认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，最终试件破坏。
笔者认为，拉压循环加载是，一方面，从本质上而言，是多次重复进行的单次拉压加载过程，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，提供了直接的原始依据，应予以重视。
3、混凝土细观力学机理研究现状
3.1混凝土材料各层次力学研究比较
混凝土宏观力学方面。首先，通过大量的试验，人们发展了各种强度理论(目前已发展的统一强度理论);其次，通过应力应变关系曲线的试验研究，人们发展了各种本构关系模型，从线弹性模型到非线弹性模型，从弹塑性模型到损伤力学模型，从非黏性模型到黏性模型等，而目前较为热门的是损伤力学模型等。可以说，对混凝土宏观力学性能的试验与理论研究，是人们认识混凝土材料的第一步---最直接直观地关注材料的工程性能，也是人们较好地应用混凝土材料的先决条件---初步掌握材料的力学性能才能满足早期的工程应用要求。然而，这种直观的、与工程直接联系的宏观力学理论(强度理论和本构模型),没有揭示混凝土材料的损伤破坏本质，并且也暴露了现有宏观力学理论的不足：过分直观地描述部分力学性能，而忽略了其他力学性能的表征。
混凝土细观力学方面，细观力学研究具有宏观力学所不具备的诸多优势：直观地表征细观结构组成与受荷劣化损伤过程等，更接近各种力学行为的本质充分的表征许多方面的力学性能等。首先，人们发现，混凝土材料在受荷以前，内部已有微缺陷(如微空洞，微裂缝等);而且，这种微缺陷主要集中在界面过渡区，使得界面过渡区成为混凝土的薄弱环节;混凝土的损伤往往都是从界面过渡区、界面过渡区的微缺陷产生的;同时，界面过渡区和水泥水化物等，都具有较低的抗拉强度，材料受荷就首先从界面过渡区的微缺陷处产生受拉微裂纹;随着微缺陷部位的微裂纹的产生、发展与演化贯通等，使混凝土在宏观上的应力应变曲线呈现出非线性;还有，由于在拉荷载作用下，微缺陷部位的微裂纹的产生、发展与演化贯通等直接迅速，所以，混凝土材料在宏观上具有较低抗拉强度和较为明显的脆性等，而在压荷载作用下，微裂纹的产生、发展与演化贯通等相比前者缓慢，并且整个材料内部的微裂缝与宏观裂缝都发展得比较充分，这就是混凝土单边效应等。于是，通过这些研究，混凝土材料诸多力学性能的本质原因得到了较好的解释，并且更多的力学行为能够用一种或较少的细观力学模型加以刻画;混凝土细观力学研究，也越来越受到人们的重视[9-14,20].
混凝土微观力学方面。材料和物理学家从微观的角度研究微缺陷产生和扩展的'机理，但是所得结果不易与宏观力学量相关联。
于是，由于混凝土细观力学在揭示混凝土损伤破坏机理与准确表征其宏观力学性能方面的优势，细观力学体系被大量研究人员发展起来[9-14,20].以下主要对近年来的相关新发展作简要介绍与评述。
3.2混凝土细观力学试验研究
由于试验技术和设备的发展水平，混凝土细观力学试验才由20世纪70年代逐渐发展起来。
首先，混凝土各相材料的力学性能试验[20].相应研究主要有吴科如等[13]的界面过渡力学性能试验，刘光廷等[14]对粗骨料、水泥砂浆体以及界面过渡区结合力等的试验研究等。还有其他许多文献也报道了相关的试验研究[15-18].
其次，混凝土微裂缝的产生与发展的试验研究[20].主要有宋玉普[19]对试件的破坏形态与裂缝扩展路径的研究等，VanMier[15]对不同荷载下混凝土的裂缝产生与发展以及细观机理的研究等。另外，还有采用CT测试技术等进行的研究[9-11,21-22].
笔者认为，测试技术与方法试验研究的根本，往往细观力学试验研究的重大突破都源自于新设备技术和新方法的应用;但作为土木工程科研与技术人员，不能仅仅等待新的设备技术从设备研究领域发展起来，而应该主动去发展适合于混凝土材料细观力学测试的新技术、新方法。
同时，应该重视细观力学试验研究的基础作用，不能在细观数值计算与细观理论研究中忽视力学依据，应该从试验出发、进行分析研究，最终以试验结果作为相关研究成果的检验标准。
3.3混凝土细观力学数值模拟研究
由于试验研究的巨额成本、试验过程的约束条件等，混凝土细观力学数值模拟方法被发展起来。细观力学数值1较好的方便性。
经典的细观力学数值模型[20,23],主要有格构模型[20],随机骨料模型，随机力学特性模型等[25-26].下面介绍相关研究的新进展，并作探讨。
首先，格构模型[20],使用简单的杆单元本构关系与破坏准则，能够有效地模拟受拉破坏。但由于单元设置过于简单，使得模拟受压破坏的应力应变关系曲线未能充分展示材料的塑性发展过程;并且单元断裂为一次性，不能表征卸载过程力学行为。须注意，格构模型具有诸多裨益之处：通过单元属性定义，可以模拟三相材料，而通过三相材料的定义，即可模拟不同大小的骨料以及不同的界面区等。这些优点也基本被其他数值模型的吸收应用。
其次，随机骨料模型[20],在确定了骨料粒数、骨料分布模型之后，判定并赋予单元材料特性，从而模拟混凝土的宏观力学行为。但其中的某一相材料的单元力学特性都是相同，这似乎与实际情况不一致。这种随机骨料的生成与三相材料的材料的力性分别赋定，并未因为一相中单元材性的确定性而阻碍发展。相反，吸引了大量专家学者进行许多更深入的研究[28-35].
应注意，随着CT技术的发展与应用，骨料的生成已经跨过了最初的人为随机生成，到达可以模拟生成更接近真实的CT三维骨料[9-11,21-22],但由于目前CT技术的局限，往往对于界面区的扫描与三维构成还未能达到相应的测试精度，并且该处大量复杂的初始微缺陷也难以表征，而界面区(包含大量初始微缺陷)对于混凝土力学性能有极其重要的影响，甚至决定作用。
最后，随机力学特性模型[25-26],可以表征混凝土材料各项中单元的随机力学特性，避免了前两种模型在此方面的不足。但未能表达出骨料的随机分布。
笔者认为，数值模型都应充分表征出混凝土材料的两个方面的随机性---几何形状的随机性与局部(力性)的随机性。在几何形状的随机性方面，除了骨料的几何随机性，还应充分考虑界面过度区的几何随机性;而局部力性的随机性方面，应充分考虑微缺陷在各个组成成分之间的力学性能影响作用，并在微观层次予以表征。
3.4混凝土细观力学理论研究
混凝土细观力学理论研究(细观机理),作为混凝土细观力学试验与数值模拟的抽象升华，是对大量试验与数值分析的归纳总结。于是，往往试验与数值分析(尤其是试验)达到了新的水平，细观机理才能获得相应发展。但是，有时候通过合理的抽象推理，细观机理的研究成果能够启发引领试验与数值的相关研究。因此，除了细观机理对于试验与数值研究的归纳抽象作用，其对于后者的启迪作用也不应忽视。
当前，混凝土细观力学理论研究，主要集中在细观损伤力学方面。由于通过对材料的细观结构的损伤变化进行有效的的数学统计分析，从而得到材料宏观力学性能，细观损伤力学包含了三方面的数学物理量的表征，即细观力性表征、宏观表征和数学统计表征[20].其中数学统计表征是联系了细观力性(或细观结构变化)与宏观力性(或材料宏观损伤过程)的桥梁。并且，根据数学统计表征方法的不同可以将混凝土细观机理研究分为两大类：确定性细观机理研究与随机性细观机理研究。
确定性细观损伤力学理论研究，主要的代表工作有：Bazant等[36]的微平面模型，其认为由于任意开裂方向的细观微裂缝，使得损伤应该用微平面上的正应变与剪应变来表达，而损伤发展是通过相应裂缝的扩展路径来决定的;Wong等[37]用Weibull分布表达脆性材料的细观非均匀性，从而建立了一种脆性材料压缩损伤破坏模型;冯西桥[38],基于微裂缝扩展区的理论，建立了准细观损伤力学模型，并分析了微裂缝的相互影响;邬翔等[39]针对混凝土三相组成中的界面区，给出了一种简化的细观的界面区模型，并在相应的骨料和硬化水泥胶体的细观单元本构关系与损伤准则的基础上，建立了一种细观模型。
随机性细观损伤力学理论研究，主要代表工作有：Au-gusti等[40],将微裂缝密度变化作为随机过程，在引入损伤熵流动，并定义位形熵之后，利用损伤准则，表征了材料损伤破坏过程中能量的耗散;李杰等在经典弹簧模型的基础上，引入随机变量细观断裂应变，以这种弹性断裂作为混凝土材料非线性的本质，并考虑样本整体中个体的统计特性，从而建立了混凝土单轴受荷的随机本构关系(包络曲线)模型[41-42];在此基础上，李杰等[43]通过引入了双标量弹塑性损伤模型(宏观)与等效能量应变理论(宏观),建立了混凝土多轴随机本构模型(包络曲线模型);白卫峰[44],对经典弹簧模型做出改进，引入了材料随机塑性性能这一随机变量，从而建立一种同时表征弹性随机断裂与塑性随机滑移的随机细观损伤模型。
笔者认为，在混凝土细观力学理论研究以及细观损伤力学理论研究中，确定性与随机性的分类，关键在于相应理论模型中是否包含宏观试件母体中个体的随机特征。因为，承认细观结构及其变化的差异性或随机性，正是细观力学产生的前提与根本，亦即细观力性表征必定刻画了这一细观层次上细观单元的随机性。故不论何种细观力学模型，都具备细观力性表征的随机性;而随机性细观力学理论，是在确定性细观力学理论的基础上，增加了宏观层次上单个构件(个体)的随机特征表达。
另外，对于混凝土应力应变关系曲线的非线性，如果仅仅用随机弹性断裂来解释，就会产生两个矛盾：一是所有损伤均来源于弹性断裂损伤，事实上这一损伤仅仅导致了弹性模量劣化;另一是不可复变形不存在，而事实上其必然存在。因此，从这一方面来说，考虑塑性性能的随机性理论，比不考虑的更具有逻辑自恰性与力性表征性。
3.5混凝土细观力学机制研究的不足
(1)综上所述，由于目前试验技术的不足，针对混凝土细观力学与损伤机理的研究大都集中在数值模拟方面。而通过数值模拟所获得的试验数据与结果，一方面，缺乏相应的细观力学试验加以验证;另一方面，也往往被淹没在经验公式与现象描述的大海之中，缺乏有效的总结归纳，未能上升至细观力学理论。于是，发展更为精确与方便的细观力学试验技术迫在眉睫，而充分利用现有试验与数值模拟结果，发展出更为有效的细观力学机理理论(模型)也尤为重要。
(2)根据现有的混凝土宏细观力学性能试验研究与机理分析，可以发现，大部分研究人员将混凝土的宏观力学性能与细观力学性能割裂开来，尤其是将混凝土宏观拉压力学性能的差异(拉压不对称)与其对应的细观机理割裂开来---把混凝土拉压应力作用下的力学行为当成两种截然不同的过程进行处理。
这种宏细分离、拉压区别的研究方法，好处在于可以从宏观唯像经验上获得较为准确的拉压力学性能。不利之处，则在于这种唯像经验上的满足，掩盖了混凝土材料力学性能的本质，蒙蔽了混凝土材料受荷下的损伤破坏机理，妨碍了混凝土结构在复杂应力作用下的应用。
4、建立混凝土损伤演化力学模型的新思路
通过上述分析总结，笔者认为，对混凝土损伤演化力学模型建立可采用下列新思路进行，即把混凝土宏观与细观力学性能结合起来，对比研究，从而寻求混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化过程之间的有机统一;把混凝土在拉压应力状态、拉压循环应力状态下的力学行为与细观损伤机理结合起来，对比研究，从而寻求混凝土单边效应等力学行为的共同本质;最终，提出混凝土力学性能与损伤演化的“宏细统一，拉压同质，压拱拉裂”的研究思路与力学模型。
所谓“宏细统一，拉压同质，压拱拉裂”,就是指通过混凝土宏观非线性力学行为与细观损伤演化过程之间的有机统一，认为混凝土在拉压应力状态、拉压循环应力状态下的力学行为，具有共同的细观损伤机理(共同本质)---混凝土材料在拉应力下的脆性断裂;而混凝土在压应力作用下的细观损伤机理，是由于微缺陷的存在与产生(图3),混凝土材料形成了压应力作用下的受压应力“拱”---绕过微缺陷的压应力流，且其多产生于微缺陷相对集中且强度较低、易于形成新微缺陷的界面(过渡)区(图4所示的界面区及其应力流情况)---该压应力拱在垂直于压力作用方向形成拉应力分量，于是，在这些拉应力分量的作用下，混凝土带有微缺陷的界面区(或其他带有微缺陷的部位)产生了拉裂裂缝，并且随着压应力拱的变化扩展，这些拉裂缝不断扩展，直至混凝土被拉裂贯通成很多平行于压力作用方向的条柱块体，彻底溃坏，这就是“压拱拉裂”
结语
综上所述，“宏细统一，拉压同质，压拱拉裂”的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过程，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)
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