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1、混凝土的宏观与细观力学性能分析关于 混凝土的宏观与细观力学性能分析 ，是我们特意为大 家整理的，希望对大家有所帮助。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
2、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，
3、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。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
4、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。强度方面单轴单调受拉的混凝土强度远低于
5、单轴单调受 压的强度，前者仅为后者的1 201 101 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
6、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
7、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，
8、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
9、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
10、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
11、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
12、 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
13、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，
14、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
15、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
16、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
