（机械设计及理论专业论文）高压水射流破碎水泥混凝土路面破碎机理研究.pdf

摘要 水射流技术是近年迅速发展起来的一种新型射流技术，它具有独特的优点， 其系统结构简单，因而受到极大地重视。而且采用高压水射流切割旧水泥混凝土 路面突破了水泥路面传统的维修方法，摈弃了机械式破碎设备进行路面破碎带来 的负面影响。高压水射流破碎路面，它的工作介质是水，因此它具有高效、节能、 无污染、易操作等特点，而且工作装置与混凝土之间不存在机械接触，所以不存 在磨损，减少了更换工作装置的时间，提高了效率，降低了成本。引入这种新技 术维修公路，延长公路的使用寿命，对于减少公路的维修费用，提高公路网的营 运经济效益具有重要意义。 本文主要研究高压水射流对水泥混凝土路面的破碎机理。通过了解国内、外 对混凝土破碎理论研究现状，在此基础上，提出了自己的一些新的思想，把损伤 力学应用到模型中，建立了混凝土路面破坏新的损伤模型和破坏准则，研究和开 发了数值计算混凝土破坏模型程序，为研究水射流破碎混凝土路面探索了一种新 方法，并应用此方法对水射流切割混凝土破碎机理进行了较深入的探讨。 本文通过使用了几组数据进行计算机仿真，即对应于不同的压力和速度的水 射到水泥混凝土表面，会得出不同的应力、应变分布图。通过对采用不同数据所 得结果的分析比较，从而得出了水泥混凝土路面随水射流压力变化的破坏情况。 关键词：水泥混凝土；水射流；本构关系：破坏准则；有限元分析：破碎机理 a b s t r a c t w a t e r j e tt e c h n o l o g yi san e wj e tt e c h n o l o g yd e v e l o p e dq u i c k l yi nr e c e n ty e a r s i t h a sm o r ea d v a n t a g e st h a no t h e rm a c h i n i n gt e c h n o l o g y a n di t sj e ts y s t e mi ss i m p l e ，s o i ti si m p o r t a n t f u r t h e r m o r e ，m e a n so fa d o p t i n gh i g h p r e s s u r ew a t e r j e tt oi n c i s er o a d s u r f a c ei ss u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a lm e a n s i t sw o r k i n gm e d i u mi sw a t e r ，s oi th a sh i g h e f f e c t ，e c o n o m ye n e r g y , w i t h o u tp o l l u t i o n ，e a s ym a n i p u l a t i o ne t c a n dt h a tb e t w e e n e q u i p m e n ta n dc o n c r e t eh a sn om a c h i n ec o n t a c t i n g ，s o t h e r ei sn oa b r a s i o ni n e q u i p m e n t ，a n d r e d u c e st i m eo f r e p l a c i n ge q u i p m e n t a n di n c r e a s e s e f f i c i e n c y i n t r o d u c e dt h en e wt e c h n o l o g yi nm a i n t a i n i n gh i g h w a y i tp r o l o n g ss e r v i c et i m eo f h i g h w a ya n dr e d u c e sm a i n t e n a n c ec o s t sa n di n c r e a s e se n c o n o m i cb e n e f i t t h ep a p e rs t u d i e sm a i n l yt h em e c h a n i s mo fc r u s h i n gc o n c r e t es u r f a c eb y h i g l l p r e s s u r ew a t e r j e t o nt h eb a s i so fk n o w i n gt h e o r yo fc r u s h i n gc o n c r e t ei nt h e w o r l d ，ib r i n gf o r w a r ds o m en e wi d e a s ，a n dt h a tis e tu pd a m n i f i c a t i o nm o d e la n d f a i l u r ec r i t e r i o no fc o n c r e t es u r f a c e a n di e m p o l d e rp r o g r a mo fc a l c u l a t i n go f c r u s h i n gc o n c r e t e s ot h i sp a p e rh a sg o tan e ww a yt os t u d yw a t e r j e tf l o w i th a s a p p l i e di t sr e s u l t st or e s e a r c ht h e o r yo fw a t e r j e tc r u s h i n gc o n c r e t es u r f a c e t h i sp a p e ru s e ss e v e r a lg r o u p so fd a t a st os i m u l a t e ，t h a ti st os a y , w h e nt h e d i f f e r e n ts p e e do fw a t e rs h o o t i n gt oc o n c r e t es u r f a c e ，i tg e t sd i f f e r e n tp r e s s s ot h e r e s u l tcane d u c ed i f f e r e n ts t r e s sa n ds t r a i n t h ea n a l y z i n gr e s u l ts h o w st h a tc o n c r e t e s u r f a c eh a sd i f f e r e n td e g r e eo fd e m o l i s h m e n ta l o n gw i t hd i f f e r e n ts p e e do fw a t e r k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t e ，w a t e 6 e t ，c o n s t i t u t i v em o d e l ，f a i l u r ec r i t e r i o n ，f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，c r u s h i n gm e c h a n i s m i i 1 ，1 课题研究目的与意义 第一章绪论 水泥混凝土路面具有整体强度高、承载能力大、使用寿命长及成本低等特点， 但它在产生路面病害后维护修理工作难度大的缺点。如果路面局部出现损害后如 何扶蘧整齐切割痴害处瑟不损坏周边良好璐蘑是追在眉屣的难题。近年来，有海 多专家学者试图解决水泥路厦维修问题，如使用冲击器破碎、锯片切割、重锤砸 板等方法。但事实证明，这些方法在环保要求、维修质量、能量利用等诸多方面 存在问题。如冲击嚣破碎、重锤殛援以及锯片切割，不仅产生无法忍受的嗓音、 飞扬的尘土，而且冲击器破碎、重锤砸板对本来完好的混凝土路面产生微裂纹而 加剧混凝士路面的损坏，锯片切割时由于剧烈磨损，导致成本大幅度提高。事实 证明，这些传统的维护方法在环保要求、维修质量、能量利用等诸多方面都存在 问题，因此必须寻找更好的方法来维护水泥混凝土路面【卜列。本文试图从理论上研 究高压水射流与旧混凝土路面相互作用的原理与效果，力图探索一种适应于水泥 公路维修的新方法。 在这种新的理论指导下形成的新技术将产生巨大的社会、经济效益。公路是 我国国民经济的命脉，而水泥混凝土路面在我国公路网中占据了相当大的比重， 尤其像我国南方这样的多雨地区。这是因为水泥混凝土路面寿命相对较长，雨天 不透水、不晃光、不泥泞。而且我国水泥产量居世界首位其价格较低，所以在 我国修建路面是最适合不过了。但由于缺乏高水平的水泥路面养护机械，当路面 产生病害届不能快速高效地维修损坏的路面，影响公路运输的畅通，对于保障国 民经济的歃速发展产生负面影响。因此近年来许多地区不得不舍弃了水泥路面， 而改用进1 ：3 沥青修筑沥青混凝土公路。据统计，现在使用进1 3 沥青及改性沥青修 筑的公路较用水泥修筑的公路造价商3 5 一4 0 ，即每公里公路造价高逝2 0 0 万元 以上。试想一下，若能拽到一种合适的方法养护水泥路面我国每年新修筑的数 千公里路面就可以采用水泥路面，每年节约的资金将是十分巨大的。所以本研究 将产生巨大的经济效益，同时减少避e 1 沥青而使用国产水泥对于拉动国民经济的 持续高速发展也具有重大的意义，因此本研究还具有重大的社会效益。 其次，本项目突破了水泥混凝路面的传统维修方法，摈弃了机械式破碎设 备进行路面破碎带来的负面影响。而用高压射流理论破碎水泥混凝土路面，它的 工作介质是水，所以它具有高效、节能、无污染、易操作的特点，而且工作装置 与混凝土之间不存在机械接触，所以不存在磨损，减少了更换工作装置的时间， 提高了效率，降低了维修成本。本新技术还可保证维修路面的质量。质量就是最 大的效益。引入这种新技术维修公路，延长公路的使用寿命，对于减少公路的维 修费用、提高公路网的营运经济效益具有重要意义。而保证我国国民经济命脉的 畅通，对于保障国民经济的快速发展所产生的经济效益和社会效益就更加巨大。 通过研究得出的高压水射流与水泥混凝土路面相互作用的理论，还可用于指 导桥梁、涵洞及建筑物的维修，可为旧混凝土工程结构表面翻新加固提供一种崭 新的施工方法。 这种新理论、新技术的引进，必将对我国甚至全国公路桥梁养护和建设产生 深远的影响。 1 2 混凝土破坏理论研究现状 1 2 1 断裂力学和损伤力学在混凝土破坏中的应用 混凝土作为一种建筑材料，已经有1 0 0 多年的应用历史。随着科学技术水平 的提高和生产力的发展，混凝土的应用模式、应用环境已由单房屋建筑等简单结 构逐渐扩大到像海洋石油钻井平台、高拱坝以及核电站预应力混凝土保护层等复 杂应用环境下的复杂结构。无论是这些复杂结构将要出现的破坏形态，还是常见 的建筑物，如桥墩、房基、烟囱等工程裂纹问题，都成为建筑工程中急待解决、 而又非常棘手的问题。 。 混凝土结构由于应力作用而损伤断裂破坏，这种作用应力分为内部应力和外 部应力二类。内部应力是因混凝土的泌水作用、干燥收缩、水化热，以及外部环 境条件，如温度、湿度变化、化学腐蚀作用等，使材料内部组织产生变化而伸缩， 后又因结构约束( 外部约束) 和组构约束( 内部约束) 的作用而造成。混凝土的 开裂就是为了缓和这些内部应力的作用。外部应力是由于地震、风力、静动荷载 以及不均匀地层下陷等作用造成。它们是混凝土结构损伤断裂发展直至破坏的主 要驱动力1 6 。 混凝土材料最大的特点是它的多相性质。从研究破坏的角度出发，一般可以 将混凝土结构分为3 级。第1 级，即混凝土。可将砂浆视为基相，骨料视为分散 相。骨料和砂浆的结合面为薄弱面，该处常因各种原因产生结合缝。混凝土的破 坏首先从这里开始。第2 级，即砂浆。可将水泥视为基相，砂视为分散相。砂和 水泥的结合面也是薄弱面，也产生结合缝，但其尺寸比砂浆和骨料之间的结合缝 至少小1 个量级。第3 级，即硬化水泥浆。硬化水泥浆也不是均质材料，其中包 裹者一些未被水化的水泥颗粒及孔隙，它们就是缺陷。因此，可将硬化水泥浆胶 体视为基相，将这些缺陷视为分散相。水泥浆体的破坏可能从这些缺陷开始，裂 纹由于克服硬化水泥浆分子间的引力而扩展，未被水化的水泥颗粒尺寸通常比砂 和水泥浆的结合缝至少小几个量级。 由于混凝土具有这种多级多相的组织结构，所以其力学性能受到基相、分散 相以及界面结合强度的综合制约和影响。又由于这种组织结构的各级结合缝的不 同量级尺寸，在同样应力状态下，骨料和砂浆的结合面必先发生裂纹扩展，其次 是砂和水泥浆的结合面开裂，最后裂纹进入硬化水泥浆。这一过程的发展决定了 混凝土材料的破坏必然是一个较长的结构交化过程。 很多研究结果都表明 7 , e l ，混凝的破坏是结合缝的产生、闭合、扩展、分叉、 聚合和失稳扩展过程。对一般结构来说，这一过程大致要经历3 个阶段：( 1 ) 弥 散化阶段，遍布结构内部的所有微裂纹都很活跃，并处于独立盼发展状态；( 2 ) 集中化阶段，只有部分区域的微裂纹较为活跃，并出现贯通趋势或已经贯通，而 其他部分的微裂纹则发展缓慢，甚至休止：( 3 ) 局部化阶段，应力超过粘着应力 峰值后，微裂纹集中在某一局部区域内发展，并进一步贯通，形成宏观大裂纹。 此时，结构的性能主要由一条或几条宏观裂纹控制。变形则主要集中在大裂纹上， 裂纹以外的区域则卸载，表现出强烈的各向异性。 混凝土材料及破坏的上述特点决定了传统混凝土强度理论，如m o h r c o u l o m b 理论、剪应变能理论、极限拉应变理论以及g r i f f i t h 强度理论，在一定程度上 不能满足强度设计要求。6 0 年代以后，人们开始将断裂力学和损伤力学等新的破 坏理论应用于混凝土破坏研究中。 最早将断裂力学用于混凝土研究的是k a p i a n t 9 , 1 0 】。随后的工作几乎都是在假定 线弹性断裂力学对混凝土成立的前提下，对其断裂参量的研究【9 , 1 1 l 。但是由于没有 再清混凝土断裂破坏的特殊性质，所以导致了很多相互矛盾的结果。许多研究发 表的混凝土断裂韧度的测定值，其可变性已经引起很多学者对线弹性断裂力学能 否应用于混凝土的怀疑。例如，g l u c k l i c h 1 2 】证明，临界应变能释放率要比混凝土 的表面能的2 倍大得多。其他越来越多的试验结果表明，混凝土的k ，值随着试件 尺寸的变化而变化，并与裂纹长度和相对缺口深度有关。不仅如此，k ，c 还随骨料 体积、形状、水灰比和龄期的不同而不同【1 3 】。后者由于材料性质的变化而引起k 。 3 的变化，单就尺寸变化引起的k 。的不同结果，就值得怀疑线弹性断裂力学对混凝 土的适用性。然而，随着近年来对大尺寸混凝土试件( h 2 m ) 实验结果的分析【1 1 1 4 】， 人们已经认识到，以往对混凝土断裂参量的测定，实际上并不真正代表混凝土的 断裂韧度，而仅仅是名义值。由于混凝土复杂的组织结构，只有在试件尺寸大到 一定程度后f 1 0 , 1 1 j ，才能测定出不随尺寸而变化的稳定的嚣。值，这才真i e ) 2 映了混 凝土的断裂韧度。但是大尺寸混凝土实验比较困难，一般实验难以做到。 有关混凝土断裂的研究分为两类，一类是用线弹性断裂力学中的参量表示混 凝土的断裂韧度特性，另一类则着重研究裂纹形态和断裂表面，以了解材料不均 匀性对裂纹的影响。 混凝土材料从开裂到断裂始终都不是线弹性的，也不是真正均匀各向同性【15 1 。 由于不符合线弹性断裂力学中的许多假定，需要研究怎样模拟混凝土断裂。混凝 土应力应变间的非线性关系意味着它在完全破坏前，一直存在裂纹缓慢发展和局 部材料的损伤。每当载荷或材料损伤增大时，都应做应力和破坏分析。因此，无 论是多裂纹模型还是单一裂纹模型，混凝的亚临界裂纹扩展阶段【1 6 l 都不能忽略。 考虑到混凝土裂纹的这些特点，以及线弹性断裂力学遇到的困难，人们提出 了不少混凝土断裂破坏的非线性分析方法及模型。归纳起来有：( 1 ) 阻力曲线法。 研究表明，混凝土的阻力曲线不随尺寸的变化而变化。( 2 ) 裂纹端微裂区模型f 1 刀。 该模型预测出，混凝裂纹端部存在类似于金属材料裂尖塑性区那种形状的微裂 纹区。( 3 ) 虚拟裂纹模型。该模型假定混凝土裂纹端部材料服从软化应力位移关 系。( 4 ) 过程区模型1 1 引。该模型将真实裂纹长度屑有效裂纹长度取代。有效裂纹 尖端应力仍由线弹性断裂力学计算。但在有效裂纹的过程区上作用有闭合压应力， 如果过程区是窄条带状结构，则闭合应力分布就可以从单轴应力位移曲线中得到。 ( 5 ) 钝化裂纹带模型。该模型假定混凝土裂纹前部为一带状的正交各向异性弹性 材料。近年来，还涌现出不少在上述模型基础上的改进型。虽然这些模型各异， 但总的思想都是将裂纹端部的一定区域视为各向异性的非线性软化地带，以便能 够考虑微裂纹、骨料等因素对宏观裂纹的屏蔽作用。在小尺寸试件断裂破坏分析 时，各种模型的结果比较接近。但对大体积试件，其结果则比较分散【”j 。对这些 模型的评估，还有待进一步的研究。 最早将损伤力学概念用于混凝土材料研究的是d o u g i l l 。损伤力学不同于断裂 力学，后者将裂纹作为边界条件来处理，关心的是裂纹端部的力学性质，在远离 裂纹的广大区域内仍假定为均匀连续体。而前者将裂纹作为材料内部的状态参量 来处理，关心的是整体的力学性质，它能够更真实地反映材料的内部结构，更准 确地计算材料的各种宏观力学性能。最重要的是，它能够根据荷载及环境的作用， 预测材料内部结构的变化，从而预测材料破坏的全过程。m a z a r s 2 0 】和l o l a n d 2 1 】根 据混凝土应力应变曲线的非线性关系及软化特点，分别提出了简单拉伸的损伤力 学指数模型。为了使损伤分析推广到单轴压缩情况，b e n o u n i c h e 2 0 1 提出了各向异 性的三维损伤力学公式，并保持了与拉 申公式一致的形式。此外，在连续介质不 可逆热力学框架内，还发展了各向同性的混凝土连续损伤模型，诱发各向异性损 伤模型1 2 1 】以及高压载荷损伤模型。后两个模型反映了荷载作用下混凝土损伤的各 向异性效应。 近年来，损伤力学已经开始用在混凝土的强度计算和设计中，但作为一门学 科尚不够系统和完善。例如，如何选择合理的损伤变量，并把导出的公式简化到 适用于工程计算的水平；如何有效地迸行损伤实测，以便判定混凝土的初始损伤 状态，以及观察不同应力条件下，损伤演化的条件和规律：还有损伤破坏判据， 动态和蠕变情况下的损伤力学模型等都有待进行深入的研究。 此外，如何将混凝土缅观损伤机理与宏观特性结合起来，把强度和断裂理论 建立在微裂纹演化的细观动力学基础上，统一导出所有重要的力学量，并以某些 更基本的物理量表示，如何建立更适于体现混凝土应力应变关系的本构方程，这 些是实现混凝土强度和韧度设计、稳定性分析所必须解决的课题。 1 2 2 混凝土破坏理论当前研究的主要问题 1 2 2 1 界面破坏问题 骨料和砂浆结合面的性质是研究混凝土破坏的基础，结合缝的演化和变形局 部行为的控制是决定混凝土强度和变形性能的主要因素。因此，界面研究可以作 为高强度混凝土设计的一种手段。界面问题分界面损伤和界面断裂二类。前者研 究界面微裂纹分布及扩展性质，包括有均匀及非均匀模型。后者研究界面裂纹的 断裂力学性质。界面裂纹突出的特点是本质上非对称的混合性断裂，例如骨料和 砂浆的结合带常处在拉剪或压剪状态。有关界面裂纹的研究主要集中在界面断裂 韧度上。例如研究表明，界面断裂韧度是相位角妒= 留。1 。蟛) 的函数，随着k 口巧 比值的增大，断裂韧度可以成倍地增大，此外，还有有关界面能量释放率，界面 裂纹尖端奇异场及其振荡性、界面脱粘性质和界面裂纹扩展路径等的不少研究。 同时还提出了一些界面断裂力学模型i “，也有用位错群的方法处理界面裂纹问题的 研究。 5 1 2 2 2 细观结构破坏问题 混凝土力学非线性及破坏性质，主要取决于细观结构的变化【2 2 2 4 1 。这个层次 的分析克服了宏观力学方法一些模糊不清的概念。例如，b a z a n t 通过类似于多晶 体材料中塑性的研究，得到了切线刚度及增量形式的混凝土本构方程，o r t i z 从复 合材料角度出发，提出了混凝土的塑性流动规律，并对卸载情况下骨料与祝体的 耦合行为进行了分析，n o b i l e 在几个假定基础上，导出了依赖于材料微结构的应 变表达式。【2 5 在不连续微结构模型基础上发展了应变软化方程。此夕 。骨料的剪 切传递作用，混凝土的剪切滑移也有不少相应的模型出现。细观结构对混凝土裂 纹扩展也有明显影响，例如k u n i n 分析了骨料对开裂的阻止作用。z a i t s e v 和 w i t t m a n n 分析了骨料对裂纹扩展路径的影响，还有人从复合材料角度对混凝土断 裂韧度进行了研究。 1 2 2 。3 损伤断裂耦合破坏问题 混凝土宏观裂纹尖端附近存在着众多的微裂纹，这些微裂纹主要是界面结合 缝，并起着软化材料的作用。近年来，与金属材料的弹塑性断裂理论相似，也出 现了非均质脆性材料的损伤断裂理论。该理论力图将适合于混凝土非线性描述的 损伤本构关系与断裂力学参量结合起来，并在此基础上研究混凝土裂纹尖端应力 场性质和损伤断裂判据。但是由于本构关系的复杂性，除了一些简单的分析外【2 6 ， 这一理论的研究进展不大，其他的研究则重点放在裂尖微裂纹的屏蔽效应上。例 如，o r i i z 运用，积分方法，得到了脆性材料有效韧度k 嚣值。它由两项构成，第1 项表示由于微裂纹的存在引起的裂尖应力的衰减。第2 项则表示由于微裂纹的存 在而导致的材料性能的劣化。因此，微裂纹是起韧化作用还是脆化作用取决于这 两项的结果。k a c h a n o v 从裂尖微裂纹分布的几何形态，研究了微裂纹对宏观裂纹 的屏蔽作用。计算结果表明，这种屏蔽作用与微裂纹排向有关。混凝土宏观裂纹 分叉现象十分明显，s m i t h 研究表明，分叉将使断裂韧度值增大。 1 2 2 4 本构关系问题 混凝土本构关系的研究，一方面是结构非线性分析的需要，另一方面是断裂 非线性分析的需要。长期以来，它一直是人们重点研究问题。尽管混凝土材料不 是弹性的，仍有学者通过使用依赖于剪应力的体积模量，建立起全应力应变关系， 并通过引入一个附加项，计及由于内部损伤和膨胀在给定应变下产生的体积力降 低。也有人提出混凝土次弹性增量本构方程。但是这类方法都不能区别加载和卸 6 载过程。h a n 和c h c n 2 7 l 建立了混凝土的塑性模型。他们假设混凝士屈服面的母线 由两段抛物线组成，其横截面为圆形，并服从等向强化规律与关联流动法则，由 此建立了应力应变关系。b a z a n t 根据内蕴塑性理论，发展了适于描述混凝土非线 性的内蕴塑性本构方程。近年来，人们把断裂机理引入混凝土本构方程的研究中。 例如，w i l l i a m 2 8 】等在复合材料断裂模型基础上，发展了一种应变软化的塑性本构 模型。c h c n 和s u z a k i 建立了增量型的断裂混凝土本构方程。o n a t e 等1 2 9 】也在增量 塑性理论基础上建立了开裂混凝土的本构方程。此外，b a z a n t 等还提出了一种广 义的流交模型，它可以描述应交软化、弹性变形、蠕变变形、收缩和热变形下的 混凝土行为。 1 2 2 5 损伤力学问题 混凝土损伤力学问题实质上仍是确定本构关系的问题。需要突出指出的是， 可以通过一些物理关系及实验结果，得到损伤变量演化的动力方程。f r a n t z i s k o n i s 和d e s a i 通过假定微裂纹形成的应力降低区，提出了弹塑性增量本构方程和指数损 伤演化方程。s i d o r o f f 利用连续介质力学方法得到了本构方程1 3 0 1 。并在假定耗散势 存在的条件下，由正交法则得到损伤演化方程。k r a j c i n o v i c 发展了更完善的连续 损伤理论，用类似于塑性屈服面的概念，定义了损伤面，并由此建立了损伤定律。 此外，l u b l i n e a r 和y a z d a n i 还分别发展了塑性损伤耦合作用的混凝土本梅模型。 1 2 2 6 动态破坏问题 混凝土结构动态破坏闯题十分突出，其中有；申击破坏、疲劳破坏及加速度影 响等。研究表明 3 1 , 3 2 】，当加载速率增大时，混凝士应力应变曲线的线性程度提高， 而且弹性模量增大。在典型情况下，当应变速率增大6 个数量级时，混凝土抗压 强度大约增大1 倍。为此，s u a r i s 等从理论上建立了能够反映应变率效应的损伤力 学模型。s h a h 和j o h n 还对应变速率对混凝土断裂韧度的影响进行了研究。混凝土 疲劳破坏主要集中在疲劳损伤的研究上，p o u s 和m a s o 研究了低周疲劳载荷下混凝 土的微结构变化。w u 和s u a r i s 分别建立了混凝土疲劳损伤模型。m a r i g o 给出了脆 性疲劳损伤的统一描述方程。此外，y a n k e l e v s k y 3 3 】根据循环实验观察的结果，提 出了“焦点”模型。由冲击及地震载荷引起的惯性效应破坏，随着结构工程抗震 设计的需要而变得日益重要。p a r k 对混凝土在地震载荷作用下的损伤破坏建立了 分析模型。e v a n s 使用热激活裂纹扩展模型预测了混凝土材料断裂的率敏感性。l i n 等还对冲击载荷作用下混凝土开裂作了非线性分析。b u i 和e h r t a c h e r 也建立了动 7 态的损伤断裂模型。此外，m a u e 对入射弹性波和单位阶跃函数冲击载荷作用下的 裂尖渐进场进行了分析。有关弹性波对界面裂纹扩展的影响以及裂纹体的弹性动 力学也有不少研究。需要指出的是，混凝土在高速冲击载荷作用下，其物理、化 学性质发生显著变化，因而本构方程异常复杂。虽然高速率加载下的本构关系有 了一些工作1 3 4 3 5 】，但断裂力学尚未同这一领域联系起来。 1 2 2 7 蠕变破坏问题 混凝土蠕变效应十分显著。蠕变与材料损伤断裂之间关系十分紧密，并且受 到温度和湿度等外部环境的强烈影响。研究表明，在持续载荷作用下混凝士结构 随着相对湿度的增大，破坏时间减短；随着温度的增高，破坏时间增长。也就是 说，水分加速裂纹的扩展，温升则减缓裂纹的扩展。z a j t s e v 和s c e r b a k o v 建立混 凝土蠕变损伤断裂模型，并给出了蠕变断裂判据。b e a u d o i n 研究了水分扩散和化 学腐蚀对混凝士开裂的影晌。e h m 等和e v a n s 等分别对混凝土高温蠕变断裂杌理 进行了分析，b u i 等用局部方法对蠕变条件下裂纹的扩展进行了研究。c h r a z n o w s k i 从界面细观分析出发，建立了蠕交损伤断裂模型，并对裂纹稳态扩展速度进行t 了 预测。w e i t s m a n 考虑温度、湿度及损伤的影响，利用连续介质热力学分析，建立 了粘性损伤力学方程。d eb o r s t 等【蜘还提出一个数值模型，它既可以考虑混凝土 的众多微裂纹，又可以计及微裂纹间材料的粘弹性。此外，有关混凝土蠕变本构 方程也有不少的研究1 3 7 i 。值得一提的是，b a z a n t 和j o n a s s o n 分别提出的混凝土线 性和非线性干燥模型，也有助于对混凝土收缩裂纹的认识。 1 2 2 8 复合性裂纹及断裂判据 混凝土i i 型裂纹及复合型裂纹的研究远没有像i 型裂纹那样清楚，甚至对混 凝土中i i 型裂纹扩展是否存在还有争议，这是因为如果裂纹总是沿尖端前方最大 拉应力垂直方向扩展，则总是i 型裂纹。i z u m i | 3 8 等设计了一种剪切实验，证实了 混凝土中i i 型裂纹扩展是存在的，并且发现，i i 型断裂韧度值比i 型受非均质的 影响更大。近年来，混凝土断裂力学研究逐步向复合型裂纹的方向发展，也有人 开始用分离模型的有跟元法和虚拟裂纹模型计算复合裂纹开裂f 3 9 】。对混凝土断裂 判据的研究也出现了一些新的概念，例如，徐世琅等【4 0 l 提出了双k 断裂准则，分 别可以确定稳定裂纹扩展和非稳定裂纹扩展阶段。j e n g 和s h a h 提出了双参量断裂 准则，即用l 晦界应力强度因子和临界裂尖张开位移共同决定裂纹的扩展。此外， 针对i ，i i 复合型裂纹，有学者提出了椭圆断裂判据和最大拉应交准则。 1 2 2 9 计算方法及数值模拟 混凝土裂纹扩展有明显的亚临界过程，因此裂纹扩展的数值模拟及计算方法 的研究就显得十分重要。早期，为了将有限元法用于计算混凝土开裂，r a s h i d 提 出疵弥裂纹区模型，以后经d eb o r s t 进一步改进。在该模型中，裂纹并不完全分 离，在结点处由若干平行纤维束连接，材料由此变成各向异性体。与此不同，n g o 和s c e r d e l i s 则提出分离裂纹模型，裂纹两边有限单元相互分离。b a z a n t i 2 1 l 把分离 裂纹尖部“疵弥”化，发展出钝化裂纹带模型。计算中将各向同性弹性模量矩阵 改变成正交各向异性的弹性模量矩阵。c a r p i n t e r i 还发展了有粘聚压应力作用裂纹 的有限元方程。此外，b l a n d f o r d l 4 1 1 发展了边界元法，用来计算准静态和疲劳裂纹 扩展。g e r s t l e 4 2 l 和z u b e l e w i c z 等提出界面元方法来计算非线性的裂纹扩展， r o e l f s t r a 和s a d o u k i l 4 3 1 借助s m a n c 方法，对混凝土复合结构进行了计算机模拟， 并建立了界面有限单元模型。迄今为止，发展较为成熟的数值模型有结构单元模 型，复合材料结构模型以及统计结构模型。 1 2 2 1 0 实验技术 混凝土破坏本质上是细观结构的系列变化过程。有关混凝土裂尖性质损伤演 化等的探测和成像手段，近年来有了很大的发展，所采用技术包括声学、光学和 射线技术等。声学技术有超声波速检测法1 4 4 - 4 6 1 ，它是将超声波在材料中的传播速 度与各种载荷水平下的损伤相联系。声发射法则是将声发射事件的信号与各种载 萄水平下的损伤相联系。此外，还有声吸收频谱分析法等。光学技术有光学显微 镜观察和扫描电子显微镜( s e m ) 观察。后一种方法可以跟踪裂纹的动态过程。 此外，散斑照相、干涉法1 4 7 ) 以及全息干涉1 4 6 l 等散射相干光干涉法，也已广泛应用 于混凝土破坏研究上。射线技术应用最多的是x 射线照相。红外显示技术和c t 技术也有报道。l u o u n g 还利用红外振动热记录仪，观察了混凝土起裂及裂纹成核 过程。 有关混凝土破坏理论当前研究的主要问题除了以上讨论的几个方面外，也有 不少人另辟蹊径，提出了一些新的理论方法。袁龙蔚研究了损伤演化与裂纹扩展 过程中的流变与耗散现象，把流变力学与损伤和断裂力学结合起来，建立了一个 新的破坏理论缺陷体流变学理论。它把物体中连续的流变和不连续的缺陷在热 力学过程相容的原则下结合起来，研究复杂条件下材料中裂纹的发生和发展规律。 w i t t m a n n 和z a i t s e v 发展了随机断裂统计理论，根据混凝土分布的随机特性提出了 3 个简单假设，并在此基础上求出混凝土结构发生断裂的概率。他们还采用m o n t e 9 c a r l o 方法成功地模拟了混凝土中随机裂纹的增长。此外，分形几何法也开始应用 在混凝土裂纹分叉特征的研究上，较好地模拟了裂纹分叉的非规则性，并将分形 效应对断裂韧度的影响由一个简单的关系给出。 1 2 3 混凝土破坏理论研究的展望 混凝土破坏理论个可能发展方向是结合自身特点，吸取现代力学理论，如 非线性连续统力学及非平衡态热力学的研究成果，结合宏观、细观与微观断裂理 论，充分考虑混凝土结构的尺寸效应、时间效应及各种物理化学效应，发展新的 交叉学科分支。在这个总体思想下，需要做的具体工作有如下几个方面：( 1 ) 微 变形研究。混凝土变形的非线性和时间效应在很大程度上由作为连续相的硬化水 泥浆导致。硬化水泥浆在微观上是一种含水的多孔材料，如果能够从微观角度， 用包含若干凝胶粒子的单元模型，在扩散热力学基础上定量建立变形动力方程， 则对于了解混凝土的变形特征将具有本质上的意义。( 2 ) 复合材料断裂研究。混 凝土宏观裂纹的亚临界扩展、裂纹分叉、界面裂纹的产生及扩展和砂浆非稳定裂 纹的止裂等，都由诲凝土非均质的复合结构所导致。因此，有必要对骨料和砂浆， 砂与硬化水泥浆界面断裂韧度进行深入的研究，并建立界面裂纹扩展及分叉判据。 必须从细观角度对二相硬质粒子对基体裂纹扩展的锭扎效应从理论上予以研究。 ( 3 ) 发展混凝土化学损伤和有扩散的损伤力学，以处理混凝土结构由于水化放热、 干燥收缩和化学腐蚀等造成的分布裂纹问题。( 4 ) 建立尺寸效应的体胞模型。在 非线性连续统力学和非平衡热力学理论基础上，发展能够计及各类微观和细观效 应的统一形式的混凝土本构方程，并将其简化到能够实现工程计算的水平。( 5 ) 发展混凝土断裂的数值模拟技术，以实现混凝土复合结构、微裂纹扩展路径与形 态、裂纹聚合过程的计算机模拟，预测混凝土损伤断裂破坏的全过程。( 6 ) 进一 步深入和完善混凝土在动态高速加载条件下，以及低周反复加载条件下裂纹扩展 的研究。尤其是复合型裂纹尖端的力学性质，从理论上和实验上都要弄清。对持 久载荷作用下混凝土的蠕变断裂机理应建立起相应的理论和计算模型。 小结：通过了解国内、外对混凝土破坏理论的研究现状及发展动态，作者主要从 细观角度出发，研究水泥混凝土的破坏机理，为第三章建立混凝土损伤模型提供 理论基础。本文用到了损伤力学和断裂力学的一些基本理论知识。 第二章混凝土路面板块的结构特点、力学性能的研究 2 1 分析混凝土路面材料特点及结构 混凝土材料在制作成型时呈现为一种疏孔、微裂纹弥散的结构状态，外载荷 或环境因素又使原有缺陷扩展。凡材料因微裂纹和空洞萌生、扩展、并聚之后形 成具有一定尺度的宏观裂纹，都将使材料宏观强度、刚度下降甚至破坏。通常损 伤力学是对分布于材料内部的损伤演化到形成确定尺寸的宏观裂纹之前这一阶段 的研究。这个阶段对材料总寿命来说，可达8 0 左右。断裂力学则是研究材料里 的宏观裂纹在荷载或环境因素作用下导致的失稳断裂破坏，故可以说损伤力学是 研究稠密的缺陷，其中最大缺陷的尺寸应大致相等。断裂力学则要求材料里有一 个可以识别的裂纹，一个起支配作用的裂纹，在荷载或环境因素作用下，这个裂 纹有可能迅速扩展而造成事故。为此可以认为损伤力学是断裂力学的前期。 在研究方法上，断裂力学研究裂纹前缘的应力、应变、位移、能量场，分析 支配断裂行为的参数。损伤力学是将材料的微缺陷理解为一连续变量场即损伤场， 研究损伤发展对材料宏观性能劣化的影响。它先建立含损伤变量的材料本构关系， 通过实验求损伤随应力或应变发展的损伤演化规律，之后按经典固体力学方法， 由初始条件( 包括初始损伤) 、边界条件求解材料各点的应力、应交和损伤。如某 单元损伤超过临界值，就认为这单元体失效。根据新的损伤状态、荷载条件反复 计算直到构件破坏。由于微缺陷的存在并不能发展成宏观微裂纹而是在形成宏观 裂纹前材料崩溃失稳，这就使断裂力学应用上有困难。至于材料损伤会影响裂纹 尖端及附近的应力、应变，塑性变形时材料微结构及位错状态将不断交化，以及 宏观裂纹的稳态扩展情况，都应该从材料损伤过程着手进行研究。 由试验得出，对于带有宏观裂纹的混凝土构件，当外载荷逐渐增大时，裂纹 将出现缓慢扩展而不是待外载增大到临界荷载时原裂纹才出现失稳扩展。裂纹前 缘缓慢扩展主要是由于裂纹尖端附近的材料逐渐损伤，故可以通过损伤分析来求 出裂纹的缓慢扩展过程。疲劳裂纹扩展有类似情况，即随荷载循环次数增加，裂 纹先呈现缓慢扩展，故同样可以通过损伤分析来确定疲劳寿命。 在估计裂纹尖端混凝土破碎带时，可以利用损伤力学方法【”1 。因为裂纹尖端 附近应力较高，一旦其应力或应变超过某一门槛值，就可以求出其损伤度及损伤 范围，因此没有必要像h i l l e r b o r g 那样人为断定混凝土裂纹一定在原裂纹平面扩 展，或像d a nj a yn a w s 那样规定裂纹尖端混凝土破碎区将出现在原裂纹平面附近 的一个薄层内，也不像r o t s 等人那样去设定一个定厚度的混凝土破碎带。因此 在用损伤力学分析时，只要材料出现损伤的部位，就可以求出其损伤能量耗散， 使解答精度提高。 本文专门讨论混凝土的损伤、断裂，为此有必要对混凝土材料的特殊组织结 构情况作更深入的说明，这对具体分析工作将是有益的。就宏观水平来说，混凝 土是集料颗粒加强水泥浆基体的两相复合材料。但在应力作用下，混凝土的特性 很大程度上和集料及水泥浆基体的界面有关，因此常常将这个界面过渡区作为混 凝土的第三相。过渡区是围绕集料周围的一层薄壳是集料和硬化水泥之间的区域， 厚度约1 0 一1 5 u m 柏】，它是混凝土中的薄弱部位。新捣实后的混凝土粗集料周围将 形成一层水灰比比较高的水膜，水泥浆体的硫酸钙、铝酸钙化合物溶解后结成钙 矾石和氢氧化钙。在水灰比高的部位结晶含量较大，其形成的骨架结构比水泥浆 体孔隙要多。板状氢氧化钙晶体又往往导致形成取向层。毛细孔体积大和取向结 构氢氧化钙晶体以及过渡区混凝士凝固干缩都会产生微裂纹，而在很大程度上影 响混凝土的力学性质。由于过渡区的微裂纹不论在何种外荷载状态下，只要受拉、 受剪，微裂纹就要扩展。而且往往只需不大的能量，即足以使之扩展并致破坏。 因此长期以来，人们为了避免陷入材料微观、细观结构的麻烦之中，一般都将混 凝土作为宏观各向同性材料，对它的变形、失效机理进行研究。其中一方面的工 作是将应用于金属材料的弹塑性、弹粘塑性概念移用于混凝研究之中，认为材 料以剪切模式失效，模型中材料常数由单向拉伸、单向压缩、双向压缩等试验定 出。本文不讨论这方面的问题，但值得注意的是混凝土单向拉伸、单向压缩情况 下材料的变形失效机理与三轴压缩应力状态下塑性变形失效机理并不相同，为此 模型常数选择时应当注意这一点。此外，混凝土主要是脆性损伤破坏，凡属晶态 固体的永久变形均是塑性变形。塑性变形是由于晶体位错运动的结果，晶体位错 附近一层原子的位移、滑动发展到晶体边缘外而形成整个原子层间的相对滑移。 但水泥浆体的主要成分为c s h 凝胶，是结晶不完整的网状结构【4 9 】；次要成分是氢 氧化钙，其结晶良好但形状复杂，它可以全部吞没水泥粒子( 指未经水化的水泥 粒子，它坚固，可以阻止裂纹扩展) ，这种微观组成十分不利于材料内部形成位错 和滑移，为此混凝土的微裂纹在外载作用下，可能先于位错而扩展，导致没有明 显塑性变形下的破坏。研究混凝土变形、失效机理的另一方面工作是将经典断裂 力学理论应用于混凝土，这方面则由于集料使混凝土材料不均匀而常出现麻烦。 断裂力学要求材料是切口敏感性的，即含尖锐切口后材料强度的降低超过由于横 截面削减所引起的强度降低。水泥砂浆、混凝土都是符合这一要求的。但是混凝 土裂纹试件在受力后，裂纹尖端附近有较大的扰动区，这要求混凝土试件应有足 宏微观空间尺度【5 0 】 表2 1 1 在不同空间尺度下的断裂研究 尺度研究目标研究方法 埃( 1 0 1 0 m ) 电子云交互作用量子力学 原子结合力、价键破断、位错行 纳米o o 。9 m ) 原子断裂力学 核、晶界结构 统计力学 1 0 纳米( 1 0 。8 m ) 原子聚集体断裂、纳米晶体断裂 分子动力学 弹性力学 亚微米( 1 0 4 m ) 位错发射、无位错区、离散塑性 位错力学 位错交互、界面、微结构、局部细观力学 微米( t o 6 m 、 化剪切、韧脆转变 微结构计算力学 滑移、织构、微孔洞、微裂纹、晶体塑性理论 忽米( 1 0 一5 m ) 多相介质细观损伤力学 连续介质力学 丝米( 1 0 4 m 1 复合材料、多层介质、强韧化 宏观断裂力学 连续介质力学 毫米( 1 0 一3 m 1 裂纹尖端奇异场 宏观断裂力学 厘米( 1 0 。2 m ) 试件几何、结构完整性评定计算力学 够的深度。更重要的是裂纹扩展可能遇到途中韵集料而受阻，也可能由于水泥浆 基体和集料界面间丧失粘结或过渡区的微裂纹造成原有宏观裂纹尖端的钝化，上 述原因及混凝土内集料的分布随机性将造成实验中出现混凝士断裂韧度k 。等结 果数据的不致。已经有过很多揭示混凝土裂纹扩展、断裂与金属断裂不相一致 的资料，人们也提出过一些针对混凝土裂纹扩展、断裂分析的具体方法。目前， 这方面的工作仍然为研究者所重视并成为继续深入的研究课题。 还有一种近代发展起来的对混凝土变形、失效机理的研究工作，就是混凝土 的损伤理论、应用研究。即将连续损伤力学理论应用于混凝土，从混凝土微裂纹 形成、扩散、汇集而造成材料的脆性损伤过程及损伤所引起材料的破坏整个过程 研究。 2 ，2 研究其力学陛能 混凝土是以水泥为主要胶结材料拌合一定比例的砂、石和水，有时还加入少 量的各种添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护等程序后，逐渐凝固硬化而成的 人工混合材料。各组成材料的成分、性质和相互比例，以及制备和硬化过程中的 各种条件和环境因素，都对混凝土的力学性能有不同程度的影响。所以，混凝土 比其它单一性结构材料( 如钢、木等) 具有更为复杂多变的力学性能。 混凝土在结构中主要用作受压材料，最简单的单轴受压状态下的破坏过程最 有代表性。详细地了解其破坏机理对于理解混凝土质量和结构性能等都有重要意 义。 表2 2 1 混凝土受压和受拉破坏裂缝的宏观表征比较 且l 裂缝图( 受压) ( 受拉) 矸 基本特征纵向压劈横向拉断 方向 平行于主压应力，后期出现斜 垂直于主拉应力 裂缝 数量多条平行裂缝，闯距小一般只有一条 裂缝形状中间宽，两端窄不规则 发展过程 较缓慢，逐渐增多，延伸、加 很快，突然开展、延伸 宽 裂缝面 裂缝面有分叉、碎片、无定行界面清晰、整齐 两旁混凝土疏松、易脱落 坚实、稳定 破坏长度与截面尺寸同一数量级限于一截面 混凝土一直被认为“脆性”材料，无论是受压还是受拉状态，它的破坏过程 都