细观力学论文

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1、前言：混凝土是一类多相复合材料，以往对混凝土材料力学性能的研究多偏重于从宏观角度进行研究，忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构，难以揭示材料变形和破坏的物理机制。本文从混凝土细观研究的角度出发，阅读了相关资料，对混凝土细观研究的现状和发展有了一定的了解，并有了一些自己的想法。关键词：混凝土、宏观角度、细观结构、细观研究一、混凝土宏细观研究的动态混凝土作为重要的建筑材料己有百余年的历史，由于其经济性和便于施工等一系列优点，被广泛应用于各种工程领域，并且随着时代的发展和标准的不断提高，越来越多的高性能混凝土被生产出来，如碳纤维混凝土、钢纤维混凝土、大体积碾压混凝土和绿色混凝土等。混凝土是一

2、类多相复合材料，除了含水泥砂浆、粗骨料、细骨料、未水化水泥颗粒、孔隙及裂纹外，还可以根据不同的性能要求在其间掺入其它各种各样的夹杂相，如碳纤维、钢纤维、粉煤灰等，以满足设定的要求。对纤维混凝土而言,则是如何设计纤维的几何形状、取向、排列方式等才能达到以最少的纤维掺入达到混凝土整体力学性能最优的效果。因此如何由细观各组分的力学性质来估算整体的力学性能（如有效模量、复合强度等），使得在进行高性能混凝土研发时，能够为混凝土各组分的优化设计提供理论指导成了如今研究的一个重点。以往对混凝土材料力学性能的研究多偏重于从宏观角度进行研究，忽略了混凝土材料内部复杂的细观结构，难以揭示材料变形和破坏的

3、物理机制，特别是天然存在的大量的细、微观缺陷，如骨料界面、孔洞以及随机分布的微裂纹在荷载作用时的扩展对混凝土力学性能的影响。事实上，混凝土的内部组成及构造相当于事物的内因，其宏观力学性能受其细观结构的控制，宏观的破坏行为也是由于细观尺度上的损伤和断裂行为的累积和发展的结果，比如，混凝土在宏观上表现出金属所没有的拉压异性、剪胀性、压硬性、非均匀强化和非均匀软化等特性，这些特性的内在机制必然体现在物质细观构造的差异上，即混凝土是由骨料、砂浆及二者之间的界面层等组成的多相嵌套复合材料，而金属则是晶体材料。即便同属于混凝土，不同级配和不同组分也将带来很大的差异性，掌握内部构造的差异与宏观特性

4、之间的关系将对研发高性能混凝土和根据工程特点充分利用混凝土的长处、避开混凝土的短处提供理论上的指导。因此，对混凝土性能的研究除了从宏观的角度进行研究外，更关键的还应从混凝土的细观结构入手，以找出混凝土内部构造与宏观特性之间的必然联系。目前，对于估算宏观有效模量的研究已相当成熟，但也仅限于完好界面和弹性基体情形，对于考虑界面的非完好连接（如脱开、滑移）和基体的非线性性质的复合材料有效模量估算还未深入研究，而界面连接不完好和基体非线性正是混凝土材料的两个关键要素，在估算其有效模量不能回避，而且基体的非线性性质含软化段，这有别于幕形式（单调上升）的金属基质。另外，复合材料的强度参数估算一直

5、进展缓慢，比如，对于塑性势理论，很难由混凝土细观各组分的屈服面和破坏面导出混凝土整体的屈服面和破坏面，因为涉及到破坏过程，且破坏模式复杂。事实上，涉及到屈服、破坏等变量（屈服强度、破坏强度）都不能由经典的混合理论来估算，如自洽理论和Mori-Tanaka方法，因为混凝土整体的损伤和破坏不仅与细观各组分的损伤分布及损伤历史有关，而且组分之间的损伤存在一定的关联性，当细观某一点的损伤突破临界损伤时，能量将由原来的均匀耗散过渡到局部迅速耗散，即由原来的各点的塑性势耗散发展成薄弱面的表面能耗散。这种专门以寻求宏观力学特性与细观结构之间的内在联系为任务的力学称为宏细观力学，涉及力学、材料等多学

6、科交叉的内容，是一门远未发展成熟的学科，尤其是混凝土的宏细观力学，更是土木工程中急需和难度很大的应用基础研究中的前沿学科，研究成果可以为改善混凝土的力学性能和研制高性能混凝土材料提供科学依据。由于混凝土和岩石有类似的性质，该论题的研究具有广阔的应用前景，对推动相关学科的发展也有重要的科学意义。本文仅是一篇对混凝土细观研究的读书报告，因此，只是从混凝土细观研究的角度出发，阅读了相关资料，对混凝土细观研究的现状和发展有了一定的了解,并有了一些自己的想法。二、混凝土细观数值模拟的研究现状自从20世纪70年代末开始，人们开始从混凝土细观结构入手，利用细观力学的研究方法，抓住混凝土材料及其力学

7、性质的非均匀性，结合理论和实验成果,建立数学模型，对混凝土材料的力学性质和破坏过程进行研究，已成为国内外学者研究混凝土材料力学的主要研究方法之一。混凝土细观数值实验，不仅能直观反映混凝土细观损伤和裂缝扩展的情形，还可以通过细观参数的敏感性分析，得出个细观参数对试件极限承载能力的影响，如骨料的形状、级配、分布形式和界面强度等细观参数对宏观强度的影响。细观力学数值模拟，在计算机模型合理和混凝土各相材料特性数据足够精确的条件下，可以取代部分实验，而且能够避开试验