混凝土损伤的研究现状

混凝土结构损伤的研究现状

一、混凝土结构的损伤机制及分类

混凝土是由粗骨料、细骨料和水泥浆组成的非均质混合物，其表现出来的力学性能并不仅仅是这几种材料性能的简单叠加，而是与其内部的组成结构紧密相关。这一特点决定了混凝土材料的非均质性和物理性态的复杂性。这使得混凝土在承受外载之前，由于干缩、泌水等原因,已存在大量的微孔隙和界面裂缝，且这些缺陷的分布完全是随机的。当混凝土受到外界作用以后,弥散在材料内部的微裂缝开始逐渐长大,并随着荷载的变化,在部分区域出现贯通，直至形成宏观大裂缝。混凝土的破坏是结合缝的产生、成核、扩展、分叉、和失稳的过程。

混凝土具有微观、细观、宏观等不同的层次结构，以往对于混凝土的研究大多基于宏观层次，把混凝土均匀化为宏观均质连续材料，不考虑混凝土内部的细观结构及其演化。这种均匀化的处理方法对于研究混凝土结构的宏观力学性能无疑是行之有效的，但是要想深入研究混凝土的工作机理还应从混凝土的细观组成结构入手，抓住材料非均质性的特点，揭示混凝土结构宏观表现的内在机制。现在通常先在细观层次建立了混凝土的数值模型，分析混凝土损伤破坏机理，并以此为基础在宏观层次提出了混凝土损伤断裂理论分析模型，通过宏、细观两个层次的相互联系与补充对混凝的破坏行为进行研究。

从细观角度看，混凝土材料的力学特性是由其内部的细观结构及其变化决定的。作为一种典型的非均质材料，混凝土在多种尺度下都表现出了非均质性。根据复合材料的观点，将混凝土结构分为三级。第一级，即混凝土。可将砂浆视为基相，骨料视为分散相。骨料和砂浆的结合面为薄弱面，该处常因各种原因产生结合缝。混凝土的破坏首先从这里开始。第二级，即砂浆。可将水泥视为基相，砂视为分散相。砂和水泥的结合面也是薄弱面，也产生结合缝，但其尺寸笔砂浆和骨料之间的结合缝至少小一个量级。第三级，即硬化水泥浆。硬化水泥浆也不是匀质材料，其中包裹着一些未被水化的水泥颗粒及孔隙，他们就是缺陷。因此可将硬化水泥浆胶体视为基相，将这些缺陷视为分散相。水泥浆体的破坏可能从这些缺陷开始，裂纹由于克服硬化水泥浆分子间的引力而扩展。未被水化的水泥颗粒尺寸通常比砂和水泥浆的结合缝至少小几个量级。

从损伤力学的观点来看，如果混凝土体受到外界因素的作用，则混凝土体中原有损伤将会有所发展并会导致出现新的损伤，当损伤积累到一定程度时，混凝土体中将会出现宏观裂缝，而宏观裂缝的端部又将会发生新的损伤及产生新的损伤区，再经积累而引起裂缝的扩展，直至混凝土体的破坏，由上可见，混凝土的破坏过程实际上是损伤、损伤积累、宏观裂纹出现、宏观裂纹扩展交织发生的过程。

二、混凝土结构的破坏机理

在上述损伤机制下，混凝土的裂纹扩展存在四个阶段:

（1）预存微裂纹阶段。即在混凝土成形过程中，由于水泥浆硬化干缩，水分蒸发留下裂隙等原因，使构件中预存原始微裂纹。它们大都为界面裂纹，极少量为砂浆裂纹，这些裂纹是稳定的。这些裂纹的存在是混凝土具有初始损伤的原因之一。

（2）裂纹的起裂和稳定扩展阶段。在较低的工作应力下，构件内部的某些点会产生拉应力集中，致使相应的预存微裂纹延伸或扩展，应力集中则随之缓解，如果荷载不再增加，

将不会产生新裂纹，卸荷时少量裂纹还会闭合，这一阶段的应力－应变关系是线性的。当预存裂纹起裂后，如果继续加载，并使荷载维持在一个应力水平下，即长期破坏的临界应力(一般低于材料强度的70% -80%), 裂纹将继续扩展，有的深入砂浆。有的互相结合形成大裂纹，同时又有新裂纹形成，如停止加载裂纹扩展将趋于停止，这一阶段的应力-应变关系是非线性的，通常也称这一阶段为连续损伤阶段。

（3）裂纹的不稳定扩展阶段。当荷载超过临界值时，裂纹将继续扩展，聚合砂浆裂纹急剧增多，即使荷载维持不变，裂纹也将失稳扩展，造成破坏。

（4）完全破坏阶段。

通过大量研究，现在逐渐把研究混凝土破坏过程的关键放在混凝土断裂前的微裂纹扩展、汇合阶段所表现出来的力学行为上。

三、国内外研究现状和发展趋势

混凝土结构裂缝形成、扩展机理及其数值模拟计算一直是国内外学者的研究重点之一。近年来，随着断裂力学、损伤力学、数值计算方法、复合材料理论的发展，有关研究不断深入，在研究混凝土损伤断裂、裂缝扩展、粘结机理、弹性模量估算等方面取得了一定成果。然而，就国内损伤力学及其应用研究的状况而言，目前的研究偏重于理论而且能够应用的成果偏少。另外，由于损伤试验研究的难度较大，有关试验的研究并不多见，而且仅有的试验也还是仅停留在单个构件的层次上。

为了确定结构强度随裂纹扩展的变化规律及裂纹的萌生位置，断裂力学为此提供了理论依据，它是材料强度理论的重大发展。断裂力学是研究含缺陷（或裂纹）材料和结构的抗断裂性能，以及在各种工作环境下裂纹的平衡、扩展、失稳规律的一门学科。然而，混凝土是含有大量微裂缝的固体，有时还有宏观裂缝的存在。这些裂缝的稳定和发展对混凝土的强度、变形乃至结构的安全有着重要的影响，由于混凝土存在较大的断裂过程区，将线弹性断裂力学直接用于混凝土是不成功的，理论与试验结果表现出了相当大的离散性和一定程度的尺寸效应，仅可用于定性比较，而不能用于定量分析。

之后，损伤力学被引入我国。由于混凝土是一种含有初始缺陷的多相复合材料，外力作用以前就会有初始损伤存在。受力后，其内部沿着骨料界面产生许多微裂纹，其开裂面大体上同最大拉应变或拉应力垂直，裂纹主要是沿着骨料界面发展，使混凝土的应力一应变曲线出现“应变软化”效应。因此，混凝土的损伤是一个连续的过程，在很小的应力应变下就已发生，随着荷载的增加损伤不断累积，直至破坏。

事实上，损伤理论比较适用于分析混凝土的破坏机理是因为:（1）、混凝土的开裂过程即损伤发展过程是连续的,并在很小的应力或应变下就己经产生微裂缝了,也就是说混凝土是种裂纹敏感性材料;（2）、裂纹的扩展几乎和最大主应力是垂直的,可以通过确定最大主应力方向的损伤来确定裂纹的发展方向;（3）在荷载作用以前,混凝土内部既存的微缺陷可以作为初始损伤来处理。

目前形成的混凝土损伤分析成果中，大部分介绍的是在静力作用下材料或者结构的损伤特点,这点很有意义。近年来随着危害性较大的震害发生,对结构的动力损伤发展规律的研究刻不容缓。地震作为随机性动力荷载作用于结构,使得结构的强度、力学特性变化复杂,研究其损伤特性,对分析结构在复杂多变的外部作用下的安全稳定性、估算其寿命等提供科学的依据。

混凝土的宏观裂缝通常是由细观的微裂缝、孔隙等缺陷扩展、汇集演变形成。混凝土损伤发展所经历的时间占构件总寿命的较大比重。因此将断裂力学、损伤力学相结合是研究混凝土结构破坏机理的有效手段。

目前涌现了许许多多的混凝土损伤理论，但尚未出现比较公认的普遍的理论，其情形与20 世纪50 年代塑性理论大发展的状况比较相似。时至今日，我们仍在寻求新的损伤理论。具体说，混凝土损伤的发展趋势主要表现在以下几个方面:

（1）针对混凝土材料的损伤模型的应用研究。目前大多数混凝土损伤模型的提出从理论上解释了某些现象，在理论框架内取得了很大的进展，但是理论研究和实际应用之间还存在着一定的距离，因此，损伤力学在混凝土结构如大坝、桥梁中的应用研究日益引起了人们的重视。

（2）损伤力学和断裂力学的结合及他们的联合应用研究。损伤力学和断裂力学都属于破坏力学的范畴，两者各有不同又相互关联，因此混凝土领域断裂力学和损伤力学的衔接理论和方法的研究显得日益突出。

（3）混凝土材料宏观变形响应和损伤细观演化之间的关联研究。固体力学损伤理论的发展主要是沿着细观力学和连续唯象理论这两个分支.细观力学主要是探索材料内部损伤的形态和演化过程，但其与宏观现象脱离而难以反映细观损伤对宏观力学性能的影响;连续唯象理论则虽然能够描述损伤的宏观表现及其材料力学性能的影响，但却不能揭示细观层次上的损伤形态和演化发展。损伤力学应用于混凝土、岩石等脆性固体材料的研究起步较晚，其损伤模型大都是唯象的。另外，混凝土损伤过程的细观机制又十分复杂，人们难以在力学模型上穷尽对其机制的力学描述，从这个意义上说，基于细观过程的宏观唯象本构模型的研究日显重要。

（4）混凝土结构层次上的损伤力学实验研究。它既是损伤力学理论研究的基础又是应用研究能否得到推广的关键因素之一。

四、混凝土结构损伤的分类

材料的变形和损伤是不可以分割的，因此按材料变形的性质和状况,可以将损伤分为以下几类:

1.弹性损伤弹性损伤是由应力在弹性材料的作用中而产生的。材料发生损伤后，没有明显的不可逆变形，所以又是脆弹性损伤。如高强度混凝土、岩石等材料产生的损伤。

2.弹塑性损伤弹塑性材料中由应力作用而引起的损伤。材料损伤时，同时产生残余变形。如中强度混凝土、复合材料等工程材料出现的损伤。

3.循环损伤这类损伤由应力的重复而引起的，并为循环次数的函数。根据应力水平的不同,又可以分低周疲劳损伤和高周疲劳损伤。

4. 徐变损伤材料在蠕变的过程中产生的损伤，有时也称为粘塑性损伤。在给定温度下，这类损伤是时间的函数。对于混凝土而言,即使在常温下，恒定的应力会引起徐变而产生损伤。

5.动力损伤也称剥落损伤。在冲击荷载和高速荷载作用下产生的弹性损伤和弹塑性损伤。

五、如何确定混凝土的裂缝损伤

（1）通过肉眼、显微镜、一射线等观察;

（2）用光弹贴片法、应变片法及全息照像法等观测,

（3）测定混凝土的体积变化

（4）测定通过混凝土的弹性波的速度变化,

（5）检测混凝土破坏的噪音

（6）测定混凝土电阻率的变化

（7）通过混凝土结构组织的模型试验观察

六、混凝土损伤的研究方法

由于损伤场的形成实质上是材料细微观的变异,因此要了解损伤的成因和其微结构形态和特征,同时必须使用细观理论和材料学的方法。故混凝土结构损伤的研究方法大致可以分四种:宏观方法、细观方法、微观方法、统计学方法，另外宏、细、微观相结合的方法也产生并得到发展。

（1）.宏观方法

宏观方法也称唯象学方法。它是从材料的宏观现象出发并模拟宏观的力学行为。方法的核心是在本构关系中引入损伤变量，采用带有损伤变量的本构关系来真实的描述受损材料的宏观力学行为。这种方法的基础是连续介质力学和不可逆热力学。由于损伤的机制不同和用来描述损伤场的变量不同，从而有可能得到不同种描述损伤演化的方程。宏观方法由于是从宏观现象出发并模拟宏观力学行为，所以方程及其参数的确定往往是半经验半理论的，其研究的结果也可直接的用来分析实际情况，有明确的物理意义。缺陷是不能从细、微观结构层次上弄清楚损伤的形态和变化。但是这种方法考虑的因素相对简单，便于建立方程，可以满足工程需要。

（2）微观方法

主要从微观的角度来研究材料微结构(微裂纹和微孔洞)的形态和变化及其对材料宏观力学性能的影响。研究损伤演变的物理机制,对建立宏观唯象学的力学模型是十分必要的。透镜、扫描电镜的发明和近代实验力学方法、手段的发展使得人们可以从分子或原子的微观尺度去观察损伤的物理现象。但现在微观结构的变异和宏观的力学响应之间的相互关系和解释仍然是个难题，因此仅仅使用微观方法很难解释宏观的现象并用于宏观现象的计算和分析。尽管如此，我们仍然可以使用微观观察的现象来帮助解释损伤演变过程对宏观力学行为的影响。

（3）细观方法

根据研究的目的,选择适当尺寸的构元,对于构元可以看作均匀介质，而整体材料是不均匀的,通过获得构元的损伤特性来解释材料或者结构的宏观破坏机制。

（4）统计学方法

这种方法用统计学理论来研究结构或者材料中的损伤。在损伤的初期，微裂纹、微空洞等缺陷是随机性的。这一阶段,损伤变量场可以抽象为一个具随机性特征的场变量。因此可以用细观方法研究个体微缺陷,再用统计学方法归纳出损伤场变量。