混凝土物理力学特性的多尺度分析研究成果

混凝土是由胶凝材料将集料胶结成整体而形成的工程复合材料的统称。通常所讲的混凝土是指用水泥作胶凝材料，砂、石作集料，与水（加或不加外加剂和掺合料）按一定比例配合，经搅拌、成型、养护而得的水泥混凝土，也称普通混凝土，它广泛应用于土木工程［5］。

硬化混凝土是一种复杂的颗粒复合材料，具有复杂的内部结构，而在不同的尺度上，其结构组成又表现出不同的特点，如图1-1所示。在混凝土构件尺度上，由于构件的尺度远大于混凝土材料的特征尺度，所以分析中一般将混凝土视为均质连续体；在混凝土材料尺度上，混凝土是一种颗粒增强复合材料，基体为水泥砂浆，增强颗粒为粗骨料；同时水泥砂浆也具有颗粒增强复合材料的结构特点，其基体为水泥胶体，而增强颗粒为细骨料；水泥胶体本身也具有相当复杂的微结构，其中包含水化水泥胶体、未水水化水泥颗粒、水分蒸发留下的气孔以及混凝土干缩形成的裂缝等。由于不同尺度上微结构的影响，混凝土在外力作用下不仅表现出高度的非线性，而且表现出典型的随机性，对这两个基本性质的合理描述，构成了现代混凝土科学研究的核心［1，2］。

图1-1　混凝土多尺度结构

混凝土的非线性主要来源于其内部微裂缝的产生和演化。在混凝土硬化过程中，未与水泥颗粒发生反应的水分陆续蒸发，在水泥胶体中留下了大量的气孔；同时水泥硬化过程中的干缩也导致了混凝土基体中初始微裂纹的产生。在外荷载作用下，初始缺陷附近的应力集中导致微缺陷和微裂缝的发展，这一过程必然使得混凝土的应力应变关系偏离线弹性阶段而进入非线性阶段。当微裂缝的扩展和汇集导致宏观裂缝的产生时，混凝土的力学行为逐渐由强化转化为软化，应力应变关系进入下降段。最后由于宏观裂缝的贯通和切割，导致混凝土失去承载力而最终破坏。分析大量试验中所观察到的混凝土的典型非线性行为可以发现：强度软化和刚度退化都源自混凝土中裂缝的发展；单边效应来自裂缝的张开和闭合；受拉受压强度迥异源于混凝土对于受拉裂缝与受剪裂缝的抗力不同；残余应变源于裂缝的不完全闭合。一言以蔽之，混凝土的非线性受力特征均与混凝土中的微裂缝有关。(www.xing528.com)

在问题的另一个方面，无论是在试验过程中还是在实际生产过程中，人们都不可能精确控制混凝土的材料结构和组成。因此，混凝土材料各组分具有典型的随机分布特征。这就使得无论是初始的微裂缝分布还是后续的裂缝演化过程，都不可避免地具有随机性的特征。而随机的微裂缝演化，必然导致随机的强度和非线性表现［1］。换句话说，混凝土材料构成的随机分布性质，必然导致其在外力作用下的响应具有随机演化性质。事实上，混凝土的随机性与非线性有着复杂的相互影响和耦合。混凝土在破坏和损伤过程中表现出的渐进性特性，就源于随机性引起的材料性质的非均匀性；而混凝土微结构的随机性又可能被非线性效应放大或者缩小，最终呈现出丰富多彩的随机非线性响应特性。

在动力荷载作用下，混凝土还表现出明显的率敏感性，即随着加载速率的提高，混凝土的强度和刚度都会随之表现出明显的提高。混凝土的率敏感性实质上是其非线性在动力荷载作用下的特殊表现。但是由于其对于结构动力分析具有重要的意义，所以现有的研究倾向于将其独立于静力非线性的研究而单独开展。另一方面，虽然混凝土受力行为的率敏感性已经被众多的试验研究所证实，但是混凝土率敏感性产生的物理机理却长期没有定论，现有的文献中大多将其归结为：黏性效应、惯性效应和微裂缝演化效应［6］。黏性效应主要用于描述黏性流体的率敏感性，用于混凝土材料是否适合还没有定论；惯性效应只有在很高的加载速率下才会产生明显的效果，但是实验证实在不高的应变率作用下混凝土的强度提高已经很明显；微裂缝的演化触及了率敏感性的实质，即不同的应变率下微裂缝的演化是不一样的，但是并没有具体指出怎样的微裂缝动力演化引起怎样的率敏感性。换句话说，微裂缝效应仅定性地触及了率相关效应的物理机制，而缺乏从定量角度揭示其本质的研究。

一般而言，混凝土的本构关系是指在外部作用下混凝土内部应力与应变之间的物理关系。由于这种物理关系在细观意义上描述了混凝土的基本力学性质，因此，它构成了研究混凝土构件和结构在外部作用下的变形及运动的基础。在一定意义上，混凝土非线性分析研究的核心和灵魂是混凝土本构关系的研究［1］。将混凝土的基本物理力学特性用数学物理模型加以合理的描述，是混凝土的本构关系研究的基本目的。