混凝土材料微观结构分析

混凝土是由水、水泥和粗细骨料组成的复合材料。一般根据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三个层次（Zaitsev et al.，1977；马怀发等，2004），如图5.1所示。

图5.1　混凝土的层次结构示意图（Van Mier，1997）

（1）微观层次（Micro-level）。材料的结构单元尺度在原子、分子量级，即从小于10－7～10－4cm，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。

（2）细观层次（Meso-level）。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（黏结带/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。泌水、干缩和温度变化在粗骨料和水泥砂浆之间将会产生初始黏结裂缝。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。

（3）宏观层次（Macro-level）。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，假定材料为均质，有限元计算结果反映了一定体积内的平均效应，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。(www.xing528.com)

长期以来，人们将混凝土视为宏观均匀材料，对其材料本身及其构件的宏观力学性能、本构关系的研究都非常重视。强度理论也从最简单的最大拉应力理论、最大拉应变理论，发展到单剪应力系列、八面体剪应力系列、双剪应力系列，直至统一强度理论（俞茂宏，2002）。关于混凝土本构关系研究也有大量文献。概括起来混凝土本构关系模型（谢和平，1990；董毓利，1997）主要有以下三种：

（1）弹性本构模型。包括线弹性和非线性弹性本构模型。

（2）以经典塑性理论为基础的本构模型。

（3）基于不可逆热力学的本构模型。包括内蕴时间模型和损伤力学模型。

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（黏结带/界面）上形成，即所谓的初始黏结裂缝。这是由于水泥砂浆在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部位，正是这种接触面导致混凝土具有较低的抗拉强度。黏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，使混凝土在宏观上的应力—应变曲线呈现出非线性。不均匀性是混凝土材料的最本质的特点，微裂缝是决定其性能的主导因素。

混凝土材料损伤、破坏现象是在其服役过程中，由于内部大量的微损伤（微裂纹或微孔洞）的萌生、扩展和连接，导致其宏观力学性能逐渐劣化直至最终失效的过程。这种过程涉及从微观到宏观各种尺度，各个层次的相互耦合，而细观尺度成为联系微观与宏观尺度的桥梁。