混凝土微裂缝扩展形态在不同应变率下的研究

不均匀性是混凝土材料的本质特点，微裂缝是决定其性能的主导因素。混凝土材料在承载过程中初始微裂纹或微孔洞扩展、再生、连通是混凝土材料损伤演化的基本特征。试验观察发现，在低应变率和高应变率作用下，混凝土的微裂缝扩展形态、裂纹密度以及破坏的形态有显著差异。

如图3.1所示是王礼立等（1996）对不同应变率下单轴压缩水泥砂浆试件进行的轴压破坏试验结果。从图中给出的不同应变率下的破碎形态可以看出，随着应变率的提高，由于伴随更多的微裂纹生成，破碎粒度更加细小。同时还发现，在给定应变率下对混凝土试件加载到不同应变值而试件又不破坏的情况下卸载，卸载后测得的弹性模量随预应变值增大而降低。对有机玻璃PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）在准静态和高应变率下的压缩试验研究发现，在试件整体破坏前，总可以观察到分布于透明试件内部越来越多的微裂纹形式的损伤。在给定的高应变率下，这种微裂纹随应变率增加而增大；另外，在给定的低应变率下极少观察到微裂纹，而在高应变率下可见到明显的微裂纹，如图3.2所示。因为试件为有机玻璃，当然可以断定这个结果与水的黏性无关。根据这个试验结果，王礼立等认为这类微裂纹形式的损伤演化同时依赖于应变率和应变的大小。

图3.1　水泥砂浆试件在不同应变率下的破碎形态（王礼立等，1996）

（a）应变率为1.5×10－5/s；（b）应变率为2.0×10－3/s；（c）应变率为1.0×100/s；（d）应变率为1.7×101/s

图3.2　高应变率下PMMA试件内部微裂纹分布（王礼立等，1996）(www.xing528.com)

（从左到右应变率增加，微裂纹密度增加）

陈厚群等（2006）为了探索不同应变率加载对混凝土内部结构破坏形态的影响。采用粒径为10～15mm的单级配碎石配制C15混凝土、直径60mm、高度120mm的圆柱体试件进行轴压试验。对在不同加载速率下破坏的混凝土试件，进行了离线CT扫描，每个试件每次扫描20个层位。从其中等间距抽样。图像层位距顶端分别为30mm，45mm，60mm，75mm，90mm处。扫描层厚2.5mm。最高应变率为1.2×10－2/s，相当于在1s内压坏试件，最低应变率为1.2×10－3/s。得到了与王礼立等类似的结果，如图3.3所示，高应变率时截面破裂范围更广，裂缝更多并导致其承载强度增长。

王礼立等（1996）通过上述类似的试验事实总结出这样的结论，材料的流变过程总是对应或伴生着某种主导形式的材料内部缺陷或微损伤演化，直至材料破坏。不同材料的试验研究一致表明，不论什么形式的材料内部缺陷或微损伤，其演化过程都同时依赖于应变和应变率。

图3.3　不同加载速率下混凝土试件破坏形态（陈厚群等，2006）

（a）加载前扫描；（b）低应变率加载（1.2×10－3/s）扫描；（c）高应变率加载（1.2×10－2/s）扫描

从能量角度来看，混凝土材料的破坏是由于裂纹的产生和扩展而导致的，根据断裂力学观点（Eibl、M.Curbach，1989；Rossi，1991），相对于裂纹扩展所需的能量，裂纹形成过程所需的能量远比裂纹扩展过程中所需的能量高。加载速率越高，产生的裂纹数目就越多，因而就需要耗散更多的能量。