混凝土界面動態特性數值仿真研究現狀

潘韡靜

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數值模擬計算是細觀力學不可少的有效研究手段。人們可以在細觀層次上合理地采用各相介質本構關系的情況下，借助于計算機的強大運算能力，對混凝土復雜的力學行為進行數值模擬，而且能夠避開試驗機特性對于試驗結果的影響。數值模擬可直觀再現混凝土細觀結構損傷和破壞過程。

1962年，Lyubimove等人首次在細觀層面上對界面進行研究，提出界面過渡區的概念。他們用顯微硬度測試技術發現，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。

1983年，Wittmann F H和Zaitsev Y V把混凝土看作非均質復合材料，在細觀層次上研究了混凝土的結構、力學特性和裂縫擴展過程。隨著計算技術的發展，在細觀層次上利用數值方法直接模擬混凝土試件或結構的裂縫擴展過程及破壞形態，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，基于混凝土的細觀結構，人們提出了許多研究混凝土斷裂過程的細觀力學模型，最具典型的有格構模型(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)提出的隨機力學特性模型等。這些模型都假定混凝土是砂漿基質、骨料和兩者之間的黏結帶組成的三相復合材料，用細觀層次上的簡單本構關系來模擬復雜的宏觀斷裂過程。另外，倪玉山 (1997年)、謝和平（1997年）、Mechtcherine (2001年)等，根據混凝土材料特性與分形維數的相關關系，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，結構及成因進行了研究。研究發現：在混凝土中集料與漿體間存在過渡區，區域內的孔隙、微裂縫和氫氧化鈣晶體含量比在水泥石內多，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等的連續有限元模型模擬結果顯示：當砂漿與集料間的界面粘結由通常情況變為完美粘結時，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分別采用有限元網格模型（lattice model）模擬了界面強度對混凝土抗剪強度的影響，結果發現：當界面粘結強度提高10倍時，抗剪強度提高了30%～35%，因此他們認為基體強度是控制混凝土強度的主要因素。

1992年，Schom采用類似的網格模型（bochum method）進行了模擬，結果發現：混凝土的抗拉強度確與界面黏結強度相關，但并非呈線性關系，界面黏結強度的降低將在一定程度上導致混凝土抗拉強度減??；只要界面黏結強度不為零，界面黏結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模型模擬顯示：界面強度與基質強度之比對混凝土材料特性有很大關系。當界面強度在基質強度的60%以下時，混凝土的承載能力會明顯降低。若大于60%，則裂縫不會出現在界面，而是在基質；若大于80%，則骨料強度對混凝土起很重要的作用。

在數值模擬中，界面通常被簡化為均勻材料。然而2003年，Nadeau通過數字圖像與有限元方法相結合的方法，研究界面剛度與砂漿剛度的影響。發現界面厚度增加導致ITZ體積分數增加，進而會導致混凝土有效彈性模量降低。

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

2005年，陳惠蘇采用計算機力學模擬技術，對混凝土強度、彈性模量、斷裂力學性能等方面，研究混凝土界面過渡區微觀結構變化對混凝土力學性能的影響。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，基于細觀研究混凝土時，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數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，在細觀層次上對混凝土數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，多數文獻注重對破壞過程的數值模擬，距可以替代部分試驗的目標還相差甚遠，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，盡管應用格構模型進行數值模擬的成果較多，并且有很多優點，但該類模型不能反映單元實際變形形態，單元的破壞為不可逆過程，很難反映卸載和動力反復加載問題。隨機骨料模型未考慮各相力學特性在計算域內的隨機分布，而隨機力學特性模型未考慮骨料顆粒在計算域內的隨機分布。實際上，粗骨料顆粒在試件域內的隨機分布及各相細觀材料的力學特性在試件域內的隨機分布對混凝土試件的宏觀力學特性均有一定影響，因此，這些細觀模型均有待改進。

混凝土細觀力學是建立在實際試驗基礎上的，混凝土各相介質的力學特性、損傷本構關系及其損傷演化規律都必須經過試驗測定。將連續介質力學、損傷力學和計算力學相結合，輸入參數的不定性與概率統計理論相結合，試驗與計算相結合的細觀力學研究方法，可以架起混凝土微觀結構與宏觀力學特性的連接橋梁。