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混凝土结构模型研究综述 王立久王文亮营明莉 (大连理工大学土木水利学院) 摘薹混凝土的高性能研究离不开对其结构模型的认识。本文在对混凝士复合材料的材料特性进行简 单分析的基础上，从简化复合模型、复合材料强度理论、混凝土强度理论研究、大中心质理论、徐变理 论、细观力学研究和断裂、损伤计算研究等几个方面，对以往混凝土研究中的混凝土的结构模型进行r 总结．阐锈了从捏凝士复台材料的材料特性、混凝土的组织结构、空问构成出发对渑凝土结构模型进行 研究的重要性。 关键词混凝土结构模型组织结构 1 前言 任何材科的强度、破坏等宏观性质都是与其材料内部构造分不开的，混凝土更是如此。 其实，混凝土的许多重要性质都属于结构敏感性的。另一方面，由于历史、价格的原因，多 年来混凝土没有被当做一种复合材料进行研究，其实混凝土的内部组织结构特点充分说明混 凝土实质上是一种颗粒增强复合材料。用复合材料的原理和机理来研究混凝土会更有成效， 而且有利子提高混凝士性能。 近年来，特别是随细观力学的发展，众多研究都致力于根据混凝土的复合材料性质及受 力破坏特点，建立以内部结构变化反映相应宏观结构体系变化的关系。即混凝土的结构模型。 另外，根据中心质假说和包围垛密结构理论可以看出，混凝土内部各级介质在空间摊布形成 结构，此结构也可称做为混凝土的结构模型。建立合理的混凝土结构模型不仅可以对混凝土 的相关力学性能提供很好的近似，而且对于研究混凝土的各种破坏机理也是十分重要的。 11混凝土的结构组织及研究尺度 混凝土的结构组织是用水泥浆把粗细骨料结合在一起的多相材料，其结构非常复杂。严 格而言，混凝士是～种颗粒型多项复合材料，包含着至少七个项，即粗集料、砂、未水化水 泥颗粒、水泥凝胶、凝胶孔、毛细管孔腔和引进的气孔。因此，混凝土是一种可以在多尺度 F研究的复台材料．实际混凝士材料研究主要集中在三个尺度，即微观、细观和宏观。 Wittmann最先把这种三个尺度的研究应用到混凝土材料研究中，如图1所示。 ■■曩于■托 木化誓●■■■土■t 鬟●一Jt一 ■肯 饕辫潞塑墼 “ ●t “ 图I混凝土的三个研究尺度 微观尺度一般指微米尺度，在该尺度下。能够辨清硬化水泥砂浆的颗粒以及粗骨料石子 的结构。硬化水泥浆体由C-S-H和氢氧化钙(包括广泛的毛细iL网络。这些毛细孔或者是千 涸的或是被水填充)加上一些尚未水化的水泥颗粒组成；在更细的超微观层次上，c-S-H为 各种形状及化学成分极不相同的结晶不良的颗粒的混合物，它们环绕着或多或少是连续的胶 孔系统，而胶孔也可能是干涸的或是被水填充。在这一数量级范围内，混凝土的结构单元可 以用x一射线、电子探针、红外光谱、核磁共振及电子显微镜等技术进行实验研究，在这一层 次上的理论分析是根据统计力学的方法。细观尺度所包含的范围较大，结构单元尺寸从l旷cm 到几个cm，甚至更大些。在该尺度下结构颗粒结构是最重要的，可以观察到骨料颗粒以及较 大的空隙，骨料颗粒与砂浆基质的相互作用是混凝十的一个基本特征。在宏观尺度下，混凝 土由镶嵌在砂浆基材中的粗集料组成。我们忽略混凝士的内部结构，把其假定为均匀备向同 性材料，材料被视为由尺寸大于几厘米的结构单元组成，单元的尺寸大小足够在平均比例上 反映均匀化的材料性质。 2 混凝土的简化复合结构模型 许多学者根据混凝土细观非均质的特征研究组成材料对混凝土强度所起的作用。并将之 作为混凝土材料设计的主要依据。在假设集料相及浆体相都是均质且各向同性的基础上，将 混凝土看做是二项复合材料，将其模型化：混凝土的粒子相可以是细集料或粗集料，对应的 基体相则分别为：水泥石和砂浆。砂浆和水泥石也可以被看做是二相复合材料。前者的粒子 相和基体分别为砂和水泥石，后者分另唾为毛细管孔腔和水泥凝胶。并可以利用这样的简化细 观力学分析，进行了混凝土弹性模量的相关计算。 l 岸I珊,Ii蝌吲恻窀 图2混凝土简化复合模型 B．Paul应用线弹性力学的极值(变分)方法分析合金(多相金属材料