混凝土損傷機理及飽和混凝土力學性能研究.pdf

1、與混凝土工程應用繁榮興旺的背景相比較，關于混凝土科學、尤其是混凝土本構關系研究明顯趕不上發(fā)展的需要。正確合理的揭示材料損傷破壞機理，已成為混凝土損傷力學能否進一步發(fā)展的關鍵。圍繞著我國西部大開發(fā)、西電東送及南水北調等戰(zhàn)略需求，我國西部地區(qū)正在或即將興建一大批重力壩和拱壩等高壩水電項目。我國西部地區(qū)屬于地震高發(fā)區(qū)，同時高壩混凝土結構大部分處于深水高壓飽和狀態(tài)，因此針對孔隙水壓對混凝土材料靜動態(tài)力學性能的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文結合國家

2、自然科學基金重點項目(90510018)和國家自然科學基金面上項目(50679006)，針對混凝土材料細觀損傷演化機制以及濕態(tài)混凝土力學特性進行了系統(tǒng)深入的研究。 1.逶過對連續(xù)損傷力學與細觀統(tǒng)計損傷力學的基本理論進行比較，指出現(xiàn)有損傷力學模型的缺陷和不足，將混凝土材料細觀損傷對宏觀力學性能的影響重新概括為斷裂損傷和屈服損傷兩種模式。基于平行桿模型PBS，并結合現(xiàn)代非線性科學中協(xié)同學、突變論、混沌學的有關原理以及聲發(fā)射試驗的有關

3、成果，確定了細觀兩種損傷模式演化過程的特征參數(shù)，建立了描述混凝±等準脆性材料單軸拉伸變形破壞全過程的細觀統(tǒng)計損傷模型。將材料整個拉伸破壞過程分為兩個損傷階段，均勻損傷階段和局部破壞階段；區(qū)分了峰值名義應力狀態(tài)和臨界狀態(tài)，解釋了兩狀態(tài)對應的物理含義，強調了臨界狀態(tài)在整個拉伸破壞過程中所起的關鍵性作用。假設了局部破壞階段斷裂過程區(qū)內的變形機制，并建議臨界狀態(tài)作為本構模型的最終破壞點。 2.固體的破壞過程是力學家與固體物理學家為之奮斗

4、了三個半世紀的跨層次難題，揭示材料的損傷破壞機理，是數(shù)十年來眾多國內外研究者矢志不渝的目標和方向?；谒⒌募氂^統(tǒng)計損傷模型描述的混凝土單軸拉伸損傷演化過程，本文提出了新的準脆性材料破壞理論——材料內在力學性能發(fā)揮機制理論。結合協(xié)同學的觀點，將混凝土等準脆性材料看作是能動的、具有自組織行為特性的復雜系統(tǒng)；認為材料變形破壞過程本質上是材料以“損傷”為代價，通過自身潛在的力學性能不斷發(fā)展和釋放以適應外界荷載環(huán)境變化的能動的魯組織行為過程；

5、而這個自組織行為賴以進行所遵循的內在動力學機制由材料內在力學性能發(fā)揮機制控制。采用類比的科學分析方法，通過將材料損傷演化、生物進化、社會發(fā)展這三類客觀世界中典型的非線性運動形式進行比較，證明本文提出的材料破壞理論的正確性和合理性。 3.混凝土材料的動態(tài)力學性能和靜態(tài)相比有顯著的不同，一般認為混凝土動態(tài)應變率效應包括慣性效應和孔隙水粘性效應兩部分。傳統(tǒng)唯象的宏觀損傷本構模型無法反映材料復雜的細觀損傷演化機制，因此更無法描述動態(tài)應變

6、率效應對材料細觀損傷演化機制的影響。本文針對干燥混凝土建立了考慮慣性效應的單軸拉伸動態(tài)統(tǒng)計損傷模型，針對飽和混凝土建立了綜合考慮慣性效應和粘性效應的單軸拉伸動態(tài)統(tǒng)計損傷模型。材料自身的慣性效應引起材料破壞形態(tài)以及細觀損傷演化過程的改變，模型中通過調整兩種細觀損傷模式演化過程的特征參數(shù)來模擬；水的粘性效應則調整了混凝土基體的受力狀態(tài)，模型中通過并聯(lián)一個阻尼元件來模擬。所建議模型物理意義直觀、明確，形象的呈現(xiàn)出了干燥及飽和混凝土動態(tài)拉伸破壞

7、過程的物理圖景；從宏細觀相結合的角度進一步揭示了混凝土等準脆性材料損傷破壞的力學機制。 4.混凝土的壓縮破壞過程實質上是由于泊松效應在細觀產(chǎn)生局部拉應變從而引起微裂紋萌生、擴展、成核的連續(xù)損傷演化過程。傳統(tǒng)唯象的宏觀壓縮本構模型無法反映材料的細觀損傷演化機制。本文根據(jù)混凝土材料單軸壓縮破壞過程的細觀損傷機理，在單軸拉伸統(tǒng)計損傷模型的基礎之上，進一步建立了混凝土單軸壓縮統(tǒng)計損傷模型。根據(jù)柏松效應引起的橫向拉損傷的演化過程，確定受壓

8、方向的損傷演化規(guī)律并建立相應的壓應力-應變本構關系。通過理論預測和試驗結果進行比較，初步說明采用本文建議的統(tǒng)計損傷模型描述混凝土材料單軸受壓過程損傷破壞機理的可行性和適用性。 5.大部分針對濕態(tài)或飽和混凝土力學性能的研究均是在試驗的基礎上給出宏觀現(xiàn)象的描述，而很少有從理論層面上探討影響機理。本文采用復合材料等效夾雜理論，將細觀孔隙分為活性孔隙和非活性孔隙，建立了雙類孔隙夾雜模型，預測不同飽和度情況下孔隙及孔隙水對混凝土材料彈性模

9、量的影響。將兩類孔隙和水泥砂漿作為等效基體，粗骨料作為硬化夾雜，建立了雙重夾雜模型，并結合細觀斷裂力學方法，建立了綜合考慮多種因素統(tǒng)一的混凝土單軸壓縮強度公式，探討細觀各種組分不同體分比、不同孔隙率以及不同飽和度情況對濕態(tài)混凝土抗壓強度的影響。將太沙基有效應力原理引入到飽和混凝土力學性質的研究中，建立了符合混凝土材料自身微結構特點的有效應力原理表達式，探討復雜受力環(huán)境中孔隙水壓力對混凝土抗壓強度的影響機制。根據(jù)大量的試驗結果研究了濕態(tài)混