素混凝土裂缝研究.pptx

1.素混凝土裂纹分析素混凝土裂纹分析n n混凝土是一种由粗骨料、细骨料和水泥浆体等组混凝土是一种由粗骨料、细骨料和水泥浆体等组成的多相材料，由于其自身存在的诸多优点，多成的多相材料，由于其自身存在的诸多优点，多年来广泛应用与土木、水利、交通和矿山等工程年来广泛应用与土木、水利、交通和矿山等工程领域，取得了很大的经济效益和实用价值。但是，领域，取得了很大的经济效益和实用价值。但是，混凝土内部存在许多微裂缝、微空隙等初始缺陷，混凝土内部存在许多微裂缝、微空隙等初始缺陷，这些缺陷的抗拉强度远低于混凝土基体的抗拉强这些缺陷的抗拉强度远低于混凝土基体的抗拉强度，导致混凝土构件在受力后存在着易开裂和脆度，导致混凝土构件在受力后存在着易开裂和脆性断裂的问题，因此，正确阐述混凝土断裂时内性断裂的问题，因此，正确阐述混凝土断裂时内部缺陷的演化方式和物理力学性能一直是国内外部缺陷的演化方式和物理力学性能一直是国内外有关学者的重点研究课题之一。有关学者的重点研究课题之一。n n对某一物理现象进行合理的本质意义上的科学解释，首先要对该现象进行准确全面的宏观、微细观观察，这是研究并解决问题的基础；然后在此基础上应用合理的物理方法提出符合该现象的物理模型;最后经过实践检验该模型的合理与否。n n按照这一思路，一些学者对混凝土开裂进行了大量宏观、微细观观察并应用微细观力学、局部化理论、分行方法、非平衡统计力学等对混凝土开裂的物理力学机制进行了深入研究和定量描述。2.混凝土裂缝微观描述混凝土裂缝微观描述n n一些学者通过模型和三点弯曲断裂一些学者通过模型和三点弯曲断裂SEMSEM试验，详试验，详细研究了混凝土断裂全过程和亚临界扩展的细观细研究了混凝土断裂全过程和亚临界扩展的细观机理。试验中，为了深入认识混凝土断裂行为及机理。试验中，为了深入认识混凝土断裂行为及其微细观物理力学过程，应用带扫描电镜全数字其微细观物理力学过程，应用带扫描电镜全数字电液伺服加载系统实时原位观测了混凝土试件从电液伺服加载系统实时原位观测了混凝土试件从加载开始到最终破坏全过程中内部细观裂纹起裂、加载开始到最终破坏全过程中内部细观裂纹起裂、扩展、汇聚直至最终破坏的演化机制。试验中获扩展、汇聚直至最终破坏的演化机制。试验中获得了混凝土断裂全过程中不同加载时期内部细观得了混凝土断裂全过程中不同加载时期内部细观裂纹扩展状态和细观结构变化的照片，并对开裂裂纹扩展状态和细观结构变化的照片，并对开裂过程进行了微细观描述。过程进行了微细观描述。n n试验表明，混凝土材料的细观断裂是一个非常复杂的过程，细观裂纹起裂和临界扩展均表现出显著的不规则性和不连续性：n n1.断裂裂纹无论细观还是宏观尺度上总是互相“桥接”绕骨料向前扩展的，扩展路径明显受到骨料的影响，扩展路径不是平直的，而是曲折的；n n2.初始起裂裂纹并不一定演变为导致混凝土最终破坏的临界失稳裂纹；n n3.在细观尺度上，混凝土断裂从初始起裂到形成临界失稳扩展，经历了一个明显的亚临界扩展过程；n n4.混凝土存在断裂过程区，断裂过程区伴随混凝土亚临界裂纹扩展而存在，裂纹尖端微开裂与裂纹周围附近区域的微开裂没有本质区别。3.断裂过程区及亚临界扩展研究断裂过程区及亚临界扩展研究n n由于测试方面的困难，目前关于断裂过程区的研究还无法取得一致的认识。现在可以确定的是由于断裂过程区的存在，造成混凝土断裂试验中普遍存在尺寸效应。n n研究发现，断裂过程区是一个微裂纹网络区，网络有分岔、相交等现象。微裂纹网络的形成和扩展由材料内部细观结构及外部荷载作用决定。沿着裂缝扩展方向是微裂纹的主方向，微裂纹的开度仅为1.0m。在微裂纹过程区扩展中，各裂纹相互抑制、竞争。由于主微裂纹的扩展，其附近区域成为卸载区，与之竞争的微裂纹闭合，从而受到抑制。断裂过程区的宽度一般约为0.5mm，长度约2-3mm。n n同时，一些研究表明，在荷载作用下，混凝土宏观裂缝的端部高应力区将出现微裂纹区，随着荷载的增大和微裂缝的增长，将会不断形成主裂缝的起裂和扩展。n n大连理工大学通过激光散斑法以及光弹性贴片法的研究也说明，随着缝端应力的不断增大，微裂缝区内微裂纹的生成量也不断增大，微裂纹间相互搭接，在缝端会逐步形成一布满微裂纹的损伤区。当遇见粗骨料时，微裂纹扩展方向会发生偏转。当荷载达到一定值，损伤区的微裂纹己经得到充分发展时，宏观裂缝就会出现亚临界扩展过程。4.裂缝模型的提出裂缝模型的提出n n混凝土材料开裂模型主要分为两种：弥散裂缝模型(也可称为模糊裂缝模型)和分离裂缝模型。n n弥散裂缝模型是建立在试验现象上，根据试验中对各种现象(如塑性等)的观察，采用平均应力应变关系公式化。n n分离裂缝模型运用断裂力学的有关知识，对微观的应力应变关系进行描述。比较两种模型，分离裂缝模型在分析中的实现较复杂和费时，需要在有限元分析中不断对模型的网格进行重新划分。弥散裂缝模型应用与结构的应力和应变为常量常量的领域面积内。然而，结构包含的区域中，应力和应变是扰动和重分布的，因此，分离裂缝模型更加适于进行应力及应变不断发展变化的情况。另外，分离裂缝能够在试验中观察到，所以，分离裂缝模型可以被用来对不同结构构件的界面或者构件的不同性质区域的截面进行分析。n n弥散裂缝模型可以分为固定裂缝模型以及旋转裂缝模型。在固定裂缝模型中，裂缝方向由开裂瞬间主应力方向给出。而旋转裂缝模型中，主应力方向与主应变方向一致，这样，在开裂截面处没有剪应变发生。n n对于旋转裂缝模型，应力应变关系按照正交各向异性材料固定的主n-t轴，这里n指(I型断裂)开裂面的法向，t指(ii型断裂)开裂面的切向。n n旋转裂缝模型假定开裂方向与主应变得方向始终保持平行。这一假定符合试验现象。Gupta和Akbar(1984)对试验中裂缝旋转的解释为：当裂缝出现时，会引起刚度的变化，形成应力不平衡，此时在裂缝处出现平行于裂缝的不平衡剪应力。这样，混凝土中主应力方向不再平行与裂缝方向，导致裂缝方向出现变化。n n一般来说，因为裂缝出现后应力重分布以及过度的应力旋转，因此，与旋转裂缝模型相比，固定裂缝模型得出的结果与试验结果比较呆板。研究也表明，旋转裂缝模型的分析结果与试验结果有较好的符合。n n5.结论n n 对素混凝土的裂缝形成机理和计算模型进行了详细的研究和探讨。n n参考文献：参考文献：n n1 Kaplan M F.Crack propagation and the fracture of 1 Kaplan M F.Crack propagation and the fracture of concrete,Joumal of the American Concrete concrete,Joumal of the American Concrete Institute,1961,58(5).591-610.Institute,1961,58(5).591-610.n n2 Wittmann F H Fracture Toughness and Fracture 2 Wittmann F H Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete,Elsevier Science Publisher,The Energy of Concrete,Elsevier Science Publisher,The Netherlands,1986.629-694.Netherlands,1986.629-694.n n3 Bazant Z P,Crack band theory for fracture of 3 Bazant Z P,Crack band theory for fracture of concrete.,Materials and Structures,1983,16(93).155-concrete.,Materials and Structures,1983,16(93).155-177.177.n n44赵国藩赵国藩.光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程J,J,水力发电学报水力发电学报,1991(3),8-170.,1991(3),8-170.n n55鞠杨鞠杨,刘彩平刘彩平,谢和平谢和平,混凝土断裂及亚临界扩展的混凝土断裂及亚临界扩展的细观机制细观机制J,J,工程力学工程力学,V61.20,2003(10),1-9.,V61.20,2003(10),1-9.