潘韡靜

江蘇省南京市龍創(chuàng)公司 江蘇 南京 210000

數(shù)值模擬計算是細(xì)觀力學(xué)不可少的有效研究手段。人們可以在細(xì)觀層次上合理地采用各相介質(zhì)本構(gòu)關(guān)系的情況下，借助于計算機的強大運算能力，對混凝土復(fù)雜的力學(xué)行為進行數(shù)值模擬，而且能夠避開試驗機特性對于試驗結(jié)果的影響。數(shù)值模擬可直觀再現(xiàn)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷和破壞過程。

1962年，Lyubimove等人首次在細(xì)觀層面上對界面進行研究，提出界面過渡區(qū)的概念。他們用顯微硬度測試技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在靠近骨料表面處，硬度最小，向水泥基方向移動，硬度逐漸增加，呈梯度變化，到100mm以后達到常數(shù)。

1983年，Wittmann F H和Zaitsev Y V把混凝土看作非均質(zhì)復(fù)合材料，在細(xì)觀層次上研究了混凝土的結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性和裂縫擴展過程。隨著計算技術(shù)的發(fā)展，在細(xì)觀層次上利用數(shù)值方法直接模擬混凝土試件或結(jié)構(gòu)的裂縫擴展過程及破壞形態(tài)，直觀地反映出試件的損傷破壞機理引起了廣泛的注意。

近十幾年來，基于混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，人們提出了許多研究混凝土斷裂過程的細(xì)觀力學(xué)模型，最具典型的有格構(gòu)模型(Lattice model)、Bazant (1990年)提出的隨機粒子模型(Random particle model)、Mohamed A R (1999年)等提出的細(xì)觀模型、隨機骨料模型(Random aggregate model)及朱萬成(2002年)、唐春安 ( 2003年)提出的隨機力學(xué)特性模型等。這些模型都假定混凝土是砂漿基質(zhì)、骨料和兩者之間的黏結(jié)帶組成的三相復(fù)合材料，用細(xì)觀層次上的簡單本構(gòu)關(guān)系來模擬復(fù)雜的宏觀斷裂過程。另外，倪玉山 (1997年)、謝和平（1997年）、Mechtcherine (2001年)等，根據(jù)混凝土材料特性與分形維數(shù)的相關(guān)關(guān)系，運用分形方法定量描述了混凝土的損傷演化行為。

1990年，Bentur采用SEM（電子掃描顯微鏡）等對漿體與集料界面的組成，結(jié)構(gòu)及成因進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)：在混凝土中集料與漿體間存在過渡區(qū)，區(qū)域內(nèi)的孔隙、微裂縫和氫氧化鈣晶體含量比在水泥石內(nèi)多，且此范圍隨著水化過程而減小，從早期的100mm厚減至15mm左右。

1990年, Stankowski等的連續(xù)有限元模型模擬結(jié)果顯示：當(dāng)砂漿與集料間的界面粘結(jié)由通常情況變?yōu)橥昝勒辰Y(jié)時，混凝土的抗壓強度只提高了7%，抗拉強度提高了29%

1992年和1999年，SchlangenVan Mier分別采用有限元網(wǎng)格模型（lattice model）模擬了界面強度對混凝土抗剪強度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)界面粘結(jié)強度提高10倍時，抗剪強度提高了30%～35%，因此他們認(rèn)為基體強度是控制混凝土強度的主要因素。

1992年，Schom采用類似的網(wǎng)格模型（bochum method）進行了模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混凝土的抗拉強度確與界面黏結(jié)強度相關(guān)，但并非呈線性關(guān)系，界面黏結(jié)強度的降低將在一定程度上導(dǎo)致混凝土抗拉強度減??；只要界面黏結(jié)強度不為零，界面黏結(jié)強度的變化對混凝土抗壓強度的影響就不是很大。

1999年，Mohamed通過有限元微觀力學(xué)模型模擬顯示：界面強度與基質(zhì)強度之比對混凝土材料特性有很大關(guān)系。當(dāng)界面強度在基質(zhì)強度的60%以下時，混凝土的承載能力會明顯降低。若大于60%，則裂縫不會出現(xiàn)在界面，而是在基質(zhì)；若大于80%，則骨料強度對混凝土起很重要的作用。

在數(shù)值模擬中，界面通常被簡化為均勻材料。然而2003年，Nadeau通過數(shù)字圖像與有限元方法相結(jié)合的方法，研究界面剛度與砂漿剛度的影響。發(fā)現(xiàn)界面厚度增加導(dǎo)致ITZ體積分?jǐn)?shù)增加，進而會導(dǎo)致混凝土有效彈性模量降低。

2003年，陳惠蘇結(jié)合SPACE系統(tǒng)和HYMOSTRUCTURE系統(tǒng)，采用計算機模擬技術(shù)，探討了截面分析法對界面過渡區(qū)厚度的放大作用以及集料形狀對放大倍數(shù)的影響。研究了混凝土界面過渡區(qū)體積隨集料體積率、集料粒徑分布以及界面過渡區(qū)厚度的變化情況。

2005年，陳惠蘇采用計算機力學(xué)模擬技術(shù)，對混凝土強度、彈性模量、斷裂力學(xué)性能等方面，研究混凝土界面過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)變化對混凝土力學(xué)性能的影響。2006年，陳厚群等正采用并進行有限元計算，來解決計算量的問題。

到目前，基于細(xì)觀研究混凝土?xí)r，考慮計算量的問題，模擬ITZ性能的界面單元的尺寸取值比實際情況要大（通常取50mm-0.5mm左右），同時排除了模型混凝土中顆粒徑過大及過小的粒子，此外模型混凝土中集料的體積分?jǐn)?shù)也比實際情況要小得多，這是目前采用有限元方法，模擬界面性能對混凝土宏觀性能的影響時，需要注意的幾個問題。

同時，在細(xì)觀層次上對混凝土數(shù)值模擬大都為平面靜力問題，并僅限于少級配小尺寸混凝土試件的研究，多數(shù)文獻注重對破壞過程的數(shù)值模擬，距可以替代部分試驗的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)，而模擬全級配混凝土在靜、動力作用下的破壞過程仍是一項空白。

迄今為止，盡管應(yīng)用格構(gòu)模型進行數(shù)值模擬的成果較多，并且有很多優(yōu)點，但該類模型不能反映單元實際變形形態(tài)，單元的破壞為不可逆過程，很難反映卸載和動力反復(fù)加載問題。隨機骨料模型未考慮各相力學(xué)特性在計算域內(nèi)的隨機分布，而隨機力學(xué)特性模型未考慮骨料顆粒在計算域內(nèi)的隨機分布。實際上，粗骨料顆粒在試件域內(nèi)的隨機分布及各相細(xì)觀材料的力學(xué)特性在試件域內(nèi)的隨機分布對混凝土試件的宏觀力學(xué)特性均有一定影響，因此，這些細(xì)觀模型均有待改進。

混凝土細(xì)觀力學(xué)是建立在實際試驗基礎(chǔ)上的，混凝土各相介質(zhì)的力學(xué)特性、損傷本構(gòu)關(guān)系及其損傷演化規(guī)律都必須經(jīng)過試驗測定。將連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、損傷力學(xué)和計算力學(xué)相結(jié)合，輸入?yún)?shù)的不定性與概率統(tǒng)計理論相結(jié)合，試驗與計算相結(jié)合的細(xì)觀力學(xué)研究方法，可以架起混凝土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)特性的連接橋梁。