混凝土强度数值试验方法研究及CT验证.pdf

西安理工大学学报 J o u r n a l o f Xi a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ( 2 0 1 4 )Vo 1 3 0 No 3 2 6 1 文章编号 ：1 0 0 6 4 7 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 2 6 1 - 0 7 混凝土强度数值试验方法研究及 C T验证 方建银 ，党发 宁 ( 西安理工大学 岩 土工 程研究所 ， 陕西 西安 7 1 0 0 4 8 ) 摘 要 ： 基 于弹性损 伤本 构模 型 ， 利 用均质 岩样研 究 了在 不 同加载 方 法 、 不 同试样 尺 寸 条件 下试 件 的 受 力特 性 ， 确 定 了混 凝 土数值 试验 的加 载 方法及 “ 数 字混 凝 土” 强度 的计 算 方法 ， 并从 细观层 面上 分 析 了混凝 土 受力破 坏机理 及 裂纹 演化规 律 。最后 用混凝 土 C T 试验 验证 了此 法 的合 理性 。说 明可 以用位 移控 制 的应 力应 变 曲线极值 点作 为“ 数 字混凝 土” 的强度 点 ； 不论是 拉 还是 压荷 载作 用下 ， 混 凝土裂纹均从相对较弱的界面开始 萌生， 然后微裂纹绕着骨料扩展 、 贯通， 即裂纹追随结构的弱面 发展 ； 混凝 土试样 的 强度取 决 于其破 坏 面积 。 关 键词 ： 损 伤本 构模 型 ；裂纹 演化规 律 ；数值 试验 ；C T 试验 ；数 字混凝 土 中图分 类号 ： TU5 0 1 文献标 志码 ： A Re s e a r c h o n nu m e r i c a l me t ho d f o r s t r e ng t h o f c o n c r e t e a n d CT t e s t i ng F ANG J i a n y i n，DANG Fa n i n g ( I n s t i t u t e o f Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g， Xi a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， Xi a n 7 1 0 0 4 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n e l a s t i c d a m a ge c o ns t i t ut i v e mod e l ，t he me c ha n i c a I c h a r a c t e r i s t i c s un de r d i f f e r e nt l oa d i n g m e t ho ds a nd s a m pl e s i z e s i s s t ud i e d us i ng t he ho mog e n e ou s s a mpl e of r o c k The l o a d i ng me t ho d o f t he n ume r i c a l t e s t a nd t he c a l c u l a t i on me t h o d o f” d i g i t a l c o nc r e t e”s t r e ng t h a r e d e t e r mi ne d，a nd t he c r a c k e v o l ut i on l a w a n d f a i l ur e m e c ha ni s m o f c o nc r e t e a r e a n a l y z e d a t t h e me s o s c op i c l e v e 1Fi n a l l y t he CT t e s t i S do ne t o ve r i f y t he r a t i o na l i t y o f t hi s m e t ho d I t c a n be c o nc l u de d t ha t t he e x t r e me va l u e po i nt o f s t r e s s s t r a i n c u r ve un de r t he di us e d a s t he s t r e ng t h p o i nt o f c o nc r e t e；whe t he r u nd e r t e n s i l e o r c o rn be gi n f r o m t he r e l a t i v e l y we a k i nt e r f a c e， t h e n e x t e n d a r ou nd t he s t a t i c c r a c k o f c o nc r e t e d e v e l o pme nt f o l l o ws t he s t r uc t ur e o f t he we c on c r e t e d e p e nd s on t he d a m a ge d a r e a of t h e s a mpl e Ke y wo r ds ：d a ma g e c o ns t i t u t i v e m o de l ；c r a c k e v o l u t i on；nu m e r i c a l rOnr rP t P 岩石 、 混凝 土 等脆 性材 料 大 量 应 用 于 土木 工 程 建设 ， 其力学特性受到广泛关注和研究 ， 特别是当前 水利大坝建设所需的大体积混凝土 ， 其静 、 动力学特 性 更 是研 究 中的重 点 和难点 。当前利 用 物理试 验对 其 进 行 的研 究 ， 往往 由于试验 设 备 的局 限性 ， 达 不 到 理想的预期结果 。“ 数值试验” 具有灵 活性高 、 可重 复 操作 、 可 模拟 物理 试 验 不 能 进 行 的 试 验 以及 研 究 成 本低 等优 点 ， 倍 受科 研 人 员 的青 睐 。而如 何 能 够 合理地利用数值试验来研究 岩石 、 混凝 土等非均匀 收稿 日期 基 金 项 目 作者简 介 s pl a c e m e n t c o nt r o l l i ng c a n b e p r e s s i ve l oa d，c on c r e t e c r a c k s a gg r e ga t e， i t s ho ws t h a t t he a k pl a n e；The s t r e n gt h of t he e x pe r i m e nt s ；CT t e s t ；di g i t a l 脆性 材料 的力 学 特性 是 许 多 研 究 者 亟 待 解 决 的 难 题 。为此 ， 以细观层次 为基础 的数值模拟方法应运 而生 。 目前 的 研 究 大 多 仅 从 二 维 和 三 维 模 型 建 立_ 1 j 、 裂纹 演化 规律 及尺 寸效 应 l 6 等 方 面进 行 了研 究 ， 而三 维随机 骨料 模 型的建 立 、 加 载方 式和 试 样 尺 寸效 应对 脆性 材 料 特 性 、 损 伤 破裂 的影 响 及 脆 性材料数值强度定义方面研究较少 。 本 文 基 于 损伤 力 学 原理 ， 利 用 均 质岩 样 研 究 了 加 载方 式 和试样 尺 寸 对 材料 特 性 和 裂 纹 的影 响 ， 确 2 O1 4 一 O 3 2 O 水利部公益性行业科研专项基 金资助项 目( 2 0 1 2 0 1 0 5 3 0 3 ) ； 陕西省 黄土力学与工程 重点实验 室重点科研计 划 基金资助项 目( 0 9 J S 1 0 3 ) 。 方建银 ， 男 ， 博士生 ， 研究方 向为岩石 、 混凝土等脆性材料强度特性数值仿真试验 。E - ma i l ： f j y l x r 】 6 3 t o m。 党发宁 ， 男 ， 教授 ， 博导 ， 博 士 ， 研究方 向为计算力学 和岩 土工程数值分 析。E ma i l d a n g f n ma i l x a u t e d u c n 。 2 6 2 西安 t大学学报 ( 2 0 1 4 ) 第 3 O卷第 3期 定 丫适合 研 究 脆 性 材 料 强 度 及 裂 纹 演 化 的 数 值 方 法 。将此 方法 推广 到细 观混 凝土 的强 发及 裂纹 演化 分析 中 ， 从 细 观层 面上 研 究 了混 凝 土 的 搬 度 与破 裂 特性 。 并利用 C T试验验 证了本义所确定的数值 试 验方法的合理性。 l 细观损伤演化模 型及试 验条件 本文选用 弹性损 伤 本构 关 系来 描述 混凝 土 类 脆 性材料的力学特性 。依据 I e ma i t r e等价应变原理可 以将应 力应 变关 系表示为 =E E ， 其 中 EE、 ( 1 一D) 是材料受损 后 的弹性 模缱 ， E 是材 料初 始弹 性模 量 ， D是损伤变量。 对 于混 凝 土 类脆 性 材 料 ， 无 论是 拉 破 坏 还 是 破坏 归根到 底都 是 山于 材料 内部 单 元 所 承 受 的拉 应力 超 出 了其 抗拉 极 限强 度 。因此本 文采 用最 大拉 应变 强度 准则 。 即当 细 观 材料 单 元 的 最 大 主拉 应变 值超 l _r给定 的极 限拉 应 变 闽值 时单 元 开 始损 伤 ， 此时 兀仍然具有一定 的刚度和承载力 ， 损伤演化 模型 见式 ( 1 ) 。 D = e ： 0 o e (1 ) e 叩 ) 为 极 限拉 应 变 ； 为 极 限 应 变 系 数 ； 1 为加载历史上主拉应变的最大值 。 对 于损伤 演化 方程 ( 1 ) 中 的参数 的取 值 。 根据文 献 8 ， 取 一0 1 ， 叩 一5 ， 一1 0 。当 元的最大拉应 变达 到 E l l 时认 为单 元完 全破 坏 ， 将 该 单元 杀死 。 1 1 数值 模 型及 约束 条件 二维 混 凝 土 随机 骨 料 模 型是 从 细 观 出发 ， 将 混凝 土 看成 是 由骨 料 、 砂 浆 及 二 者 之 问 的结 合 面 所 组 成 的三 相 复 合材 料 ， 在 An s y s 软 件 【 f 1 采 用蒙 特 卡罗 ( Mo n t e C a r l o ) 方法【 ”， 利 用 随机 变髓 得 到骨 料 位 置 ， 据此 建 起 三维 “ 数 字 混 凝 土” 模 。然 后 运 用骨料投影网格法， 通过“ 多次划分单元” 技术来判 别出骨料、 砂浆及界面单 元。并分别对各绀分材料 赋予弹性模量等参数 ， 具体建模 清参考文献 1 0 。 均 质 岩样 及数 字 混 凝 土试 样均 采 用 】 2 O mm 6 O mm( 高 直 径 ) 模 型 。其 中数 字混凝 土 试样 如 图 1 所示 。约束采用试样底面 中心点 全约 束， 底面其 它节点采用垂向约束 ， 试样顶面节点采用垂 向约束。 ( a )二维网 、骨 料、砂浆及界n 6 模 露 ( b )网格 、骨料 、砂浆 及界嘶模型 ， 0 饿 【n 图 图 l 泄凝 土三相材料有 限元模型 Fi g1 FEM mo de l of l hr e e p ha s e ma t e r i a l o f c o nc r e t e 1 2数值 试 验参数 为了保证数值试验与真实试验的一致性 ， 采用 了西 北水 利水 电勘测 设计 研究 院测 定 的混凝 土三 相 组成 材料 的 力学 参 数 ( 见 表 1 ) ， 均 质 岩 样 选 用 骨 料 参数 。 表 1 混 凝土各组 分材料参 数 l a b1 M a t e r i a l pa r a n l e t e r s o f c on c r e t e c o m p on e nt s 2 数值试验的加载方法及试样尺寸选择 2 1 加载 方式 的选 择 力学 试验 和数 值 试验 均 町采用 以应 力控制 的 柔 加 载和 以位 移控制 的 刚性加 载方 式 。小 同加 载方 式往往得出不同的试验结果， 对于数值试验研究 更 足如此 。由于 可 以解 析计 算均 值岩 试 样单轴 拉压 时的 力及位 移 ， 为此 ， 本 文首 先针 对均 值岩石 试样 进 行 r 3个应 力控制 和 3个位 移控 制的单 轴压 缩 试 验 ， 以研究 用数 值 试验 恰 地确 定材 料强 度 的方法 ， 试验结 果 如图 2所水 。 “ 1 两种加 载 方 式 下 的试 验结 果 呵见 应 力 调 增 j l 1 法 的优 点是 荷载 易 于控 制 曲线 光泔 ； 不 足是应 力应变曲线单调增l J I 1 位移突变点不明 ， 数值计算 - 为 柔性加 载 ， 导 敛 试样顶 面各 点 位移 不相 同 ， 与 试验室 试样 顶 面位移 相 的边 界条件 符 合 。位 移 控 制加 载法 的优 点 是应 力应 变 曲线 试验 室应力 应 变全【 I l j 线l卡 l 1 似 。 峰 f 【 点 明显 数值 汁算 【 j 为刚性加 f 一 ， 。 参静 。簪 旦 方建 银 ， 等 ： 混凝土强度数值试验方法研究及 C T验证 2 6 3 载 ， 试样 顶 面各 节点位 移 相 同 ， 与试 验室 试样 顶 面位 移相同的边界条件相符合 ； 不足是与力学试验习惯 不 同 。应力 控制 加 载 的 数值 试 验 中 ， 应 力 只能 单 调 递增而不能衰减 ； 而位移控制加载的试验结果 中应 力的变化更符合实际。 5 O 4 0 矗 3 0 2 0 l 0 0 O 2 3 4 s 1 O ( a 1 应力加载 O O 0 5 1 0 l 5 s 1 O 一 f b ) 位移加载 2 0 图 2 不 同加 载方式下的 单轴受压试样应力应变 曲线 Fi g 2 St r e s s s t r a i n c u r v e s of s pe c i m e n und e r uni a xi a l c omp r e s s ion i n d i f f e r e nt l oa d i n g wa y s 对 比试验 结果 并考 虑数 值试 验与 力学 试验 结果 的一致性 ， 以下研究都采用以位移控制 的加载方式 ， 并将计算的应力应变曲线的峰值点作为材料的极限 强度 点 。 2 2试样 尺 寸的选 择 脆性材料力学特性的尺寸效应受到人们广泛关 注 。为 了验 证位 移 控制加 载 的损 伤模 型数值 试 验方 法 中试 件 的尺 寸 效 应 ， 利 用 6 0 i l l m1 2 0 mm、 1 2 0 ml T l 2 4 0 mm 和 1 8 O mm3 6 O mm 三种 尺 寸 的均 质 试样 ， 研 究 了长细 比相 同而 直 径 不 同对 试 样 强 度 的影响， 计算的应力位移 曲线和应力应变 曲线分别 如 图 3和 图 4所示 。 由图 3 可 以看 出 ， 三种 试样 的应力 位移 曲线不 论 位 移加载 还是应 力加载 ， 在 弹性 阶段 和屈 服的初期 阶 段均是完全重合的， 只有屈服的后期段由于加载方式 不同而导致残余段曲线不重合， 原因是应力控制加载 的数值试验中， 应力只能单调递增而不能衰减。 6 位移s mm 图 3 不 同试样应力位移 曲线 Fi g 3 S t r e s s d i s p l a c e me n t c u r v e s o f d i f f e r e n t s a mp l e s 0 图 4 不 同试样应力应变 曲线 Fi g4 St r e s s s t r ai n c ur ve s of d i f f e r e n t s a mpl e s 由图 4可看 出 ， 数值 试验 中在 相 同的长 细 比下 ， 不论 是应 力控 制加 载 还 是 位 移控 制 加 载 ， 三 种 试 样 的应力应变曲线都几乎重合， 即不论采用哪种试样 其弹性模量不会发生变化 ， 同样屈服强度也都不会 因为 试样 的大 小 而 不 同 。即对 于均 质 岩 样 ， 长 细 比 一 定的情况下数值试验 中不考虑其尺寸效应 的影 响。这与文献 7 7基于最弱链模型和缺陷 的 P o i s s o n分 布假 设建 立 的准脆 性 材料 统计 模 型所 得 的结 论是 一致 的 。 本 文 以下采 用 长细 比为 2的 6 0 mm1 2 0 mm 试 样 开展研 究 。 3 混凝土强度及破坏形态数值试验研究 3 1 损伤 区的划分 为 了能 定量 地 进 行分 析 研 究 ， 就需 要 对 材料 进 行分区定义。根据式( 1 ) ， 定义试样各单元的最大拉 应变 e e 。为弹性 区( 此时单元未发生损伤) ； 。 e e 为第一损 伤区 ( 此 时单元 开始损伤 ) r e 为第三损伤区( 此时单元主拉应变已经 超出了材料的最大拉应变极限值 ， 单元 已经破坏) 。 以下分析直接应用第一损伤区、 第二损伤 区和第 三 损 伤 区进行 描述 。 3 2“ 数字 混凝 土” 强度 计算 方 法研究 从细观力学角度将t 昆 凝 土看成 由骨料 、 砂浆和 界面组成的复合材料 ， 此时的混凝土是一种结构而 非一种材料 ， 其整体强度可 以由数值计算得到。将 利用 均质岩 样确 定 的方 法 应 用 于 “ 数 字 混凝 土 ” ， 通 s 1 0 一 ( a ) 单轴压缩 过试 样 的损 伤数 值模 拟试 验可 以得 出 图 5所示 的单 轴拉 、 压受 力状 态下 的应力 应 变 曲线 。 由图 5可看出， 数值试验所得应力应变 曲线不 论是 拉还 是 压 都 与 常规 力 学 试 验 的 应 力 应 变 全 曲 线 很相似， 它们 同样有上升段和下降段 ( 既有弹 性 阶段 和损伤 屈服 阶段 ， 也有 残余 变形 阶段 ) 。 因此 ， “ 数 字混 凝 土 ” 试 验 也 采 用 应力 应 变 曲线 的极值点 c点作为复合材料 的极 限强度点。据此 可 得本 次 “ 数 字 混 凝 土 ” 试 验 的 抗 压 强 度 为 7 3 2 MP a ， 抗 拉强 度为 1 6 9 MP a 。 O 0O 0O 5 O l 0 0 l 5 O - 2 O s 1 0 ( b ) 单轴抟伸 图 5应力一 应变全 曲线 Fi g 5 S t r e s s s t r a i n c u r v e 3 3 混凝 土损伤 特性 的细 观力 学研 究 态 下试样 损伤 单元 柱状 图 。 由损伤数值试 验可得图 6所示的单轴压 、 拉状 3 0 0 0 0 ， 2 5 0 0 0 翥 0 0 o 0 1 5 0 0 0 a- 1 0 0 0 0 5 0 0 0 O 20 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 一 第一损伤 区单元 - 一 I II I I【 5 1 0 1 5 2 O 2 5 荷载步数 步 ( a ) 单轴压缩界面损 伤单元 5 l 0 l 5 2 0 2 5 荷载步数 步 ( c ) 单轴拉伸界面损 伤单元 _ 1 ： 田 L _ 1 ： 旺 L -第一损伤区单元 图 6 单元损伤柱状 图 Fi g 6 Da ma g e hi s t o gr a m of un i t s 荷载步数 步 ( b ) 单轴压缩砂浆损伤单元 1 0 1 5 2O 2 5 荷载步数 步 ( d ) 单辅掩伸 砂浆损 伤单元 l l l 1 1 O O O O O 日 ， D 0 如 加 ：2 方建 银 ， 等 ： 混凝土强度数值试验方法研究及 C T验证 2 6 5 对 比 图 6 ( a ) 、 ( b ) 可 以 看 出 ， 在 单 轴 压 缩 试 验 中 ， 前 三步荷 载 时不 论 是 界 面 还 是砂 浆均 没 有 单 元 损 伤 ， 说 明试 样 处于完 全 弹 性 阶段 ， 这 与 图 5的 O A 段 相对 应 ； 而随着 荷载 步 的增加 ， 界 面单 元首 先开 始 出现损伤且 均为第 一损 伤 区， 这一 特性 与 图 5的 AB段相 对 应 ， 即试 样 出 现 非 线 性 阶 段 。随着 荷 载 的不断增加 ， 试样界面单元损伤数量急剧增加 ， 当达 到第 6步荷载时 ， 有大量界面单元进入第二损伤区， 且有少量单元损伤破坏 ， 同时此 阶段有砂浆单元进 入第一损伤区， 且随着荷载增大 ， 界面和砂浆进入第 一 损 伤 区的单元 数也 在 不断增 加 。 随着荷载进一步增加 ， 当达到第 7步荷载时， 开 始有试 样界 面单 元 进 入 第 二损 伤 区 ， 而第 9步 荷 载 正 好是 试样 的极 限荷 载 步 ， 这 与 图 5的 BC段 相 对 应 。从第 9步荷载开始一直到加载完成 ， 随着荷载 的增加 ， 界面第二损伤 区的单元在增加的同时开始 向损伤破坏区转变 ， 破坏单元急剧增加 ， 而砂浆单元 大 部分 还处 于第 一损 伤 区 ， 只有 少量 单元 进入 第二 、 堰 O 总损伤 单元数( 1 0 4 个) ( a ) 单轴压缩 第 三损 伤 区 ， 即只有少 量砂 浆单 元破坏 ， 这 与 图 5的 CE段 对应 。 另 外 ， 可 以发现 ， 整个加 载 过程 中界 面单元 的损 伤数量及被杀死数量均 比砂浆单元数量多 ， 这说 明 混凝 土试 件 在 静 压 破 坏 时破 裂 面 追 随试 件 薄 弱 面 ( 界面) 发展。对于单轴静拉试验如 图 6的( c ) 、 ( d ) 两图所示 ， 其规律和单轴压缩试验一样 。说 明不论 是单轴拉伸还是单轴压缩 ， 试样破坏裂纹都是追随 试样 中薄弱 的界 面 而发 展 的 ， 裂 纹 遵 从 萌生 、 发 展 、 贯通 的发 展过 程 ， 其 裂纹 演化 如 图 8和 图 9的 ( a ) 、 ( b ， ) 、 ( C ) 所示 。 3 4“ 数 字 混凝土” 强 度与损 伤单 元关 系的分 析 为了更进一步分析强度与损伤面积的关 系， 可 以通过 荷载 与损 伤单 元 面积 的关 系 曲线来 研究 。单 元总的损伤面积为总的损伤单元个数乘以一个单元 的面积 ， 而一个单元的面积仅为 0 2 1 9 8 T I I T I ， 为此 可 以用荷载与损伤单元总数的关系曲线来代替荷载 与 损伤单 元 面积关 系 曲线进 行分 析 ( 如 图 7所示 ) 。 图 7 荷载一 总损伤单元数关系 曲线 Fi g 7 Lo ad da ma ge e l e me nt s 由图 7 可 以看 出 ， 不论 是 单 轴 压 缩 还是 单 轴 拉 伸 ， 随着位 移加 载 的增 大 ， 弹 性 阶段都 没有 单元 发生 损伤 ， 随着加载进一步增大， 开始 有单元发生损伤 ， 应力到峰值强度时损伤单元数量并未达到最大值 ， 而是 随着 位移 加载 继续增 多 ， 但增 加 幅度越 来越 小 。 当增 大到 一定值 时 ， 出现 了损 伤 单 元 数 随着 加 载 开 始减少， 直到加载停止。深入分析可以发现 ， 这种现 象主要 由两方 面 因 素 造成 。一方 面 ， 从 开始 加 载 到 损伤单 元 数达 到最 大 这 个 过程 中 ， 随着 位 移 加 载 的 增 加试 件 中大量 单元 的应 变超 出了其 弹性应 变极 值 而发 生损 伤 ， 所 以 损 伤 单 元 一 直 处 于 增 多 的 趋 势 。 但是 ， 这一过程 中， 随着位移加载的增大有少量单元 的应 变超 出 了其 极 限 应 变 发生 破 坏 ， 并 释 放 了少 量 的应变能 ， 这致使损 伤单元数量的增加幅度在这一 过程末 尾 时变 缓 ， 这 时试 样 中产生 了微 裂纹 ； 另 一方 面， 随着位移加载的增加 ， 有越来越多单元应变超 出 2 1 日 皇1 0 枢 0 总损伤单元数( 1 o 4 个) ( b ) 单轴扣伸 了其极 限应变 发生 损 伤 破 坏 ， 微 裂纹 相 互 贯 通 形成 宏 观 裂纹 ， 试样 这时 释放 出 了大量 的应变 能 ， 致 使 整 体损伤单元数量出现了减少的趋势。 4数值试验与 C T试验对 比研 究 为 了验 证位 移控 制加 载 的混凝 土损伤 模 型计算 结果的合理性 ， 采用单轴拉压状态下 的 C T试验结 果 对 比研 究混凝 土破 坏裂 纹 的演化过 程 。试验 采用 西 门子 S OMAT OM p l u s医用 C T扫 描仪 和 西安 理 工 大学 开发 的 C T专用 动态 三轴仪 ， C T扫描 分 辨率 为 0 3 5 6 I T t m0 3 5 n q _ m 1 mi t t ， 采 用 应 变 控 制 。 试 样规 格 为 6 0 1 T I IT I 1 2 0 I T I I T I 的一 级配 C1 5混 凝土 圆柱体 。 根据 C T机 自带的图像重建程序建立的 C T试 验 结果 如 图 8及 图 9的 ( a ) ( f ) 所 示 ， 由 于 扫描 图 片的数量很大， 所 以本文只选取一个扫描断面有代 2 6 6 旧安 工大学学报 ( 2 o 1 q ) 第 3 ( ) 卷第 3 期 性的 次 l 描结果和数值 试验中对应的 步加载 试验结果进行对 比分析 。 ( a ) 第1 次扫描 ( b ) 第2 次扫描 ( C ) 第3 次描 ( a ) 第l 9 步 ( b ) 第2 2 步 ( C ) 筇2 3 步 圈 圈 圈 瓣瓣 ( d ) 第1 次扫描 ( e ) 第2 次于 1 描 ( f ) 筇3 次扫描 ( d ) 第 l 9 步 ( c ) 第2 2 步 ( f ) 第2 3 步 图 8受压试件不 同衙载步损伤截 面图 Fi g8 Da ma ge s e c t i ons of s a m p l e s u nd e r c ompr e s s i o n s t r e s s i n d i f f e r e nt l o ad s t e ps ( a ) 第 1 次扫描 ( b ) 第2 次扫描 ( c ) 第3 次扫描 ( a ) 第 l 9 步 ( b ) 第2 2 步 ( c ) 第2 3 步 图 9 受拉 试件不同荷载步损伤截 面对 比图 Fi g9 1 ) a ma ge s e c t i ons of s amp l e s und e r t e n s i l e s t r e s s i n d i f f e r e nt l o a d s t e ps 分 析 8及 图 9可得 出 以下几 点 。 1 )C T实时扫描作为一种无损探测 技术 町以 商 观地 发现 混凝 土 试 样 内部 的 裂纹 萌 生 发 展 情 况 ， 探测 发 现试样 在单 轴拉 压情 况 下首 先界 面 出现 肉眼 不 可 见的损 伤微 裂纹 ， 随 着荷载 的增 大 。 裂纹 绕过 骨 料 发展 贯通 ， 进 而形成 贯通 的 裂纹 面 ， 反 映 了静载 荷 作 j 钓 下 试样 界面 是 其 薄弱 环 节 ， 裂纹 追 随 薄 弱 环 节 发 展 ， 由于骨 料 强度 高 ， 可 以 阻碍 微 裂 纹 的 发 展 ， 进 提高 混凝 土 的强度 ； 当荷载 达到 峰值 时 ， 试件 中形 成 的微 裂纹 不 明 显， 肉眼 很难 观察 到 ， 随后随 着应 变 增 大 ， 试 件进 入 残 余 强度 变 形 阶段 ， 裂 纹 开 始 分 叉 、 伸 长、 大链 的微 裂纹贯 通 形成 一条 主裂 纹 ， 肉眼 町以 观地 分辨 出来 ， 表 明试 件 失 稳 并 发 生 破 坏 。单 轴 压缩 试 验试 样 破 裂 面 大 体 与 试 样 成 4 5 。 ， 且破 裂 面 积较大 ， 破裂较彻底 ， 而单轴拉仲试样破裂面几乎垂 A 于试 样 ， 只有 一道 贯通 的横 向裂 纹 ， 由于压 试件 的 裂 纹面 积远 大 于拉 试 件 的 裂纹 面积 ， 根 据 断 裂 力学 形成 位裂纹面所需的能量是 常数这一规律 ， 因此 混 凝土 的 轴压 缩 试验 强度远 大 于单轴 拉伸 试验 强 度， 叮以从一个侧面解释混凝土压强度 高于拉强度 的根源 所在 。 2 )“ 数字 混凝 土 ” 拉 压 试样 损 伤 截 面如 图 8和 图 9的 ( a ) ( f ) 所尔 。 町以看 出不论 是单轴 压缩 还 是单 轴 拉伸 ， 界 面单元最 先 开始 出现损 伤 。 进而 导致 整 个试 件应 力重 分 布 ， 在它 们 周 围容 易 形 成 应力 集 中， 促使周围单元 发生集中拉应力 。 产生拉伸损伤， 导 致单 元进 一步 的损 伤 破 坏 ； 其 次 是 砂 浆 元 发 生 损 伤进 而破 坏 ， 骨 料单 元 由于 强度 大 不 破 坏 ； 另 外 ， 随着荷 载逐 级增 大 ， 当超过 峰值 荷载 后 ， 试 样裂 纹开 始 发展 、 贯通 ， 最 终 形 成贯 通 的破 裂 面 ， 且 都 同样 追 随最 薄弱 的界 面 。对 于单 轴 压 缩 ， 裂 纹 大 体 与 试样 成 4 5 。 角 ， 而 对 于单 轴 拉 伸则 形 成 与试 样 垂 直 的单 一 水平 裂纹 。 3 )C T试 验结果 与数 值模 拟 的结果在 裂 纹 的萌 生 、 扩 展过程 上有 一 定 的一 致性 ， 从统 计 意义 j 二 讲 ， 其 破坏 规律 是基 本相 同的 。 5 结 论 1 )通 过 数值试 验 比较 ， 得 出本 文建立 的混 凝土 二维 随机 骨料模 型 、 确 定 的 位 移控 制 加 载 方 法 及采 方建银 ， 等 ： 混凝土 强度数值 试验方法研究及 C T验证 2 6 7 用的损伤本构模型， 可以较好地模拟混凝土的损伤 演 化特性 。 2 )可以用数值 试验位移控制的应力应 变曲线 极值点作为数字混凝土材料的强度点。 3 )不论 是在 拉还 是压 荷 载作 用 下 ， 混凝 土 裂 纹 均 是先从 相 对较 弱 的界 面层 开 始 萌 生 ， 然 后 微 裂 纹 绕着 骨料 扩展 、 贯 通 ， 这与 C T实 时扫 描 试验 结 果具 有较好的一致性 ， 说明混凝土的静态裂纹追随结 构 的 弱面发 展 。 4 )通过 混凝 土 单 轴拉 压试 验 裂缝 形 态 的 比较 发现 ， 单轴压缩试验试样破坏彻底 ， 裂纹面积大 ； 单 轴拉 伸试 验试 样破 坏 简单 ， 裂纹 面积 小 ， 这与物 理试 验试 样破 坏形 式相 同。说 明 了细观 混凝 土试样 强 度 取决 于其 受 力状态 ， 应 力状 态 决 定 了试 样 的破 坏 形 态 ， 而破 坏形 态决定 了试样 的破 坏 面积 ， 破 坏 面积 的 大小正 比于试样的强度。初步解释了压强度高于拉 强度 的实 质是 破坏 时破 坏 面积 不 同造 成 的 。 参考文献 ： E l i唐春 安 ， 朱 万成 混凝 土 损伤 与 断裂 数值 试 验 M 北 京 ： 科 学出版社 ， 2 0 0 3 2 宋玉普 多种 混凝 土材料 的本 构关 系和 破坏 准则 M 北京 ： 中国水利水电 出版社 ， 2 0 0 2 3 Mo h a me d A R，Ha n s e n WMi c r o me c h a n i c a l mo d e l l i n g o f c on c r e t e r e s p on s e u nde r s t a t i c l o a di n g Par t 1：M od e l d e v e l o p me n t a n d v a l i d a t i o n J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 19 9 9，96( 2)： 1 9 6 - 2 03 4 梁昕宇 数值混凝土模型 的改进及 其细观力 学特性研 究 D 西 安 ： 西安理工大学 ， 2 0 0 8 Li a ng Xi n yu Th e i mpr ov e me n t of nu me r i c a l mo de l on c o n c r e t e me s o me c h a n i c s a n d t h e s t u d y o f i t s d y n a m i c p r o p e r t i e s D X i a n ：X i a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y ， 2 00 8 5 杨强 ， 张浩 ， 周 维垣 基于格构模 型的岩石类材料 破坏过 程 的数值模拟 J 水利学报 ， 2 0 0 2 ， ( 4 ) ： 4 6 5 0 Ya n g Qi a n g，Z h a n g Ha o，Z h o u W e i y u a n La t t i c e mo d e l f o r s i mu l a t i n g f a i l u r e p r o c e s s o f r o c k J J o u r n a l o f Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g，2 0 0 2， ( 4 ) ： 4 6 5 0 6 黎保琨 ， 彭一江 碾压 混凝 土试 件细观 损伤 断裂 的强度 与尺 寸效应分析 J 华北 水利 水 电学 院学 报， 2 0 0 1 ， 2 2 ( 3 ) ： 5 0 5 3 L i B a o k u n，P e n g Yi j i a n g S t r e n g t h a n d s i z e e f f e c t a n a l y s e s o f me s o l