蠕變裂紋擴(kuò)展在混凝土裂縫形成過(guò)程中的相互作用

1、引盲

混凝土的彈性和裂紋形成決定其變形能力、耐用性以及使用壽命。當(dāng)混凝土在承載低負(fù)荷時(shí)，其粘彈性行為呈現(xiàn)擬線性而裂變不會(huì)發(fā)生。另外一方面，當(dāng)混凝土承載高負(fù)荷時(shí)，裂變便開(kāi)始形成并且與粘彈性產(chǎn)生相互作用。很多作者已經(jīng)定性的描述了顯微裂變對(duì)蠕變的影響。而且對(duì)混凝土在不同負(fù)荷速率下混凝土的破裂行為已經(jīng)闡明清楚。最近的研究顯示只有將時(shí)間參數(shù)依賴粘性裂紋的方法和體積粘彈性結(jié)合起來(lái)建立模型，可復(fù)制實(shí)驗(yàn)性混凝土裂縫形成。然而這些作用的物理機(jī)制還沒(méi)有最終闡明?？蒲泄ぷ髡咴噲D用裂變的耗散特征和其粘彈性建立兩者相互作用的模型，解釋能量為基礎(chǔ)的裂縫形成。于是建立了這種關(guān)于耗散多項(xiàng)顆粒體裂變的持續(xù)熱力學(xué)模型。這種理論強(qiáng)調(diào)粘彈性影響能量的釋放速率。

本研究的目的是不僅僅從試驗(yàn)中探索混凝土中粘彈性和裂變?cè)鲩L(zhǎng)的偶聯(lián)，而且從宏觀和細(xì)觀層次上通過(guò)數(shù)字模擬，企圖尋找可見(jiàn)效應(yīng)的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)的結(jié)果提示極度或者接近極度高負(fù)荷后的松弛期對(duì)顯微裂變起很重要的作用。本實(shí)驗(yàn)還揭示了在經(jīng)歷臨界斷裂負(fù)荷或者低于此負(fù)荷后的松弛期開(kāi)始的關(guān)鍵作用，非線性區(qū)域(接近頂點(diǎn))趨于產(chǎn)生相對(duì)低的的松弛，在半對(duì)數(shù)圖形呈現(xiàn)不同的式樣。數(shù)字模擬揭示了一些可以解釋可見(jiàn)趨勢(shì)的可能機(jī)制。這些機(jī)制與顯微裂紋增長(zhǎng)、基質(zhì)的粘彈性和混凝土的顆粒結(jié)構(gòu)之間有明確的關(guān)系。

2、試驗(yàn)

試驗(yàn)是從Bruhwiler發(fā)展的楔子分裂系統(tǒng)得到靈感。使用一種類型的材料(混凝土、河水總量0／8mm，460kg／m3，不透明，CEMI 42.5，W／-C 0.43，few，28—50N／mm2，試驗(yàn)時(shí)間為50-100天)。所有標(biāo)本都用具有石蠟基的養(yǎng)護(hù)混合物防止干燥。使用兩個(gè)些列的LVDT，一個(gè)用于水平方向的分裂量Fh而另一個(gè)用于刻痕尖端。在一些標(biāo)本上面，還是用一些聲音發(fā)射探頭和一個(gè)石墨表面裂變計(jì)量?jī)x。試驗(yàn)在水力活塞測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)實(shí)施閉環(huán)位移控制(whl或whl)。在到達(dá)峰值負(fù)荷之前，成功施加不同水平的松弛。為第一次松弛設(shè)定不同的負(fù)荷(MI 1914：38％，M12022：85％，M12213：40％)。

3、數(shù)值模型

我們使用已經(jīng)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)編碼，可以模擬顆粒彈性媒介顯微裂變的裂變?cè)隽?。并加入線性體積粘彈性矩陣修改了此編碼。采用能量基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)擬合裂變?cè)隽俊Ｅc第二部分所介紹的公式一致，圖3a顯示不均質(zhì)結(jié)構(gòu)，3b顯示有該程序產(chǎn)生的典型的網(wǎng)絡(luò)。

4、結(jié)果和討論

下面我們見(jiàn)到因?yàn)槊黠@的原因，僅僅在一部分標(biāo)本中見(jiàn)到可見(jiàn)效應(yīng)。所有這些效應(yīng)都可以在其它數(shù)個(gè)標(biāo)本中重現(xiàn)。標(biāo)本M11914和對(duì)照組whl在峰值前后的相對(duì)松弛?？梢?jiàn)在峰值加載后(峰值加載的％)松弛的變化數(shù)值。從1號(hào)到5號(hào)加載后松弛變化，從1號(hào)到5號(hào)加載的實(shí)施是通過(guò)恒定的位移從一個(gè)水平增加到另一個(gè)水平。對(duì)于一個(gè)純粹的線性粘彈性材料，在這種情況下，用此種理論預(yù)測(cè)相對(duì)松弛越來(lái)越不明顯。這種松弛變化趨勢(shì)直到2號(hào)加載(峰值的48％)后才變得明顯起來(lái)，從3號(hào)加載(峰值的60％)開(kāi)始，以后連續(xù)幾個(gè)加載后，松弛朝著相反的方向變化(松弛變化越來(lái)越明顯)，這種變化趨勢(shì)揭示了當(dāng)某種加載達(dá)到了絕對(duì)峰值力的時(shí)候，松弛偏離線性出現(xiàn)了漸進(jìn)偏差。加載超過(guò)峰值后，不管在任何加載水平，松弛的相對(duì)變化趨于歸并，遵循一個(gè)經(jīng)典行為(在半對(duì)數(shù)紙上呈現(xiàn)線性)。

對(duì)照組whl對(duì)松弛的響應(yīng)，其第一個(gè)水平是在加載到峰值的85％。在試驗(yàn)加載位移曲線中可見(jiàn)在所有松弛變化中，只有第5號(hào)是唯一一個(gè)明顯從破裂包絡(luò)線下面開(kāi)始。加載過(guò)峰值后標(biāo)本M11914松弛相對(duì)變化呈現(xiàn)相同趨勢(shì)，除了第5號(hào)，其相對(duì)松弛變化與4和6號(hào)相比較不明顯。5號(hào)松弛曲線的形狀在半對(duì)數(shù)紙上非常獨(dú)特(明顯的曲線)，而4號(hào)和6號(hào)是直線(從在標(biāo)本Mil914加載超過(guò)峰值觀察到的)。作為比較可以發(fā)現(xiàn)，使用Cecot發(fā)明的FEM計(jì)算機(jī)編碼通過(guò)線性粘彈性擬合(均質(zhì)材料，沒(méi)有裂紋擴(kuò)展)預(yù)測(cè)的相對(duì)松弛變化曲線具有相同形狀。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)5號(hào)實(shí)驗(yàn)性松弛變化比4號(hào)和6號(hào)更接近擬合線性粘彈性行為，盡管5號(hào)呈現(xiàn)明顯非線性偏離?？梢钥闯觯寒?dāng)在超過(guò)峰值后的范圍加載(進(jìn)一步損害)，在破裂包絡(luò)線或者明顯下面實(shí)施松弛可以激發(fā)不同的機(jī)制，可以解釋明顯的區(qū)別。

這些機(jī)制可能與在與破裂包絡(luò)線上實(shí)施加載之后的松弛所導(dǎo)致的進(jìn)一步損害有關(guān)，這種松弛期間的損害叫做顯微裂變擴(kuò)展。

為了進(jìn)一步證實(shí)起始于破裂包絡(luò)線加載后的松弛期間的發(fā)生的顯微裂變擴(kuò)展，在M12213標(biāo)本中應(yīng)用聲音發(fā)射測(cè)量，其發(fā)射的加載程序與M12213相似。應(yīng)用傳導(dǎo)石墨測(cè)量的投射裂縫長(zhǎng)度的變化同時(shí)呈現(xiàn)。裂縫長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)松弛間位移增加.但是沒(méi)有在松弛期間沒(méi)有裂縫長(zhǎng)度變異沒(méi)有顯著性。相反，在松弛期之間和松弛期間都可以探測(cè)到AE，大部分是在起始處。在1號(hào)(加載水平為-40％)松弛期間，可以探測(cè)到明顯的AE事件。之后加載水平在峰值之前直到4號(hào)。沒(méi)有更冥想的AE出現(xiàn)。從加載達(dá)到峰值之后，所有的松弛都伴隨著AE事件，而且隨著加載降低，AE事件逐漸消失。此發(fā)現(xiàn)有力證明顯微裂變至少在松弛出時(shí)段出現(xiàn)，而且這種松弛是在破裂包絡(luò)線上加載、峰值加載和峰值后加載。

很多作者在蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中已經(jīng)預(yù)測(cè)并且觀察到顯微裂變擴(kuò)展，而在松弛試驗(yàn)中沒(méi)有預(yù)測(cè)到。理論上講對(duì)于均質(zhì)材料，松弛意味著能量釋放速率G降低，而正是這種能量速率的降低促使了裂變擴(kuò)展。除非裂變擴(kuò)展的阻力降低速率比能量釋放速率更快，那么裂變擴(kuò)展將不可能發(fā)生。對(duì)試驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象可能出現(xiàn)在混凝土的非均質(zhì)微型結(jié)構(gòu)中(比如顆粒狀結(jié)構(gòu)或者已經(jīng)出現(xiàn)顯微裂縫)。讓我們?cè)O(shè)想在位移whl阻塞(松弛起始處)之前，由于顯微裂縫很小，其持續(xù)擴(kuò)展的很不穩(wěn)定。那么我們進(jìn)一步設(shè)想恰恰在松弛開(kāi)始的時(shí)候，一個(gè)顯微裂縫正在擴(kuò)展，而且其擴(kuò)展在松弛開(kāi)始是時(shí)候就結(jié)束了。又由于混凝土的不均質(zhì)微型結(jié)構(gòu)，這種正在擴(kuò)張的顯微裂縫將要改變臨近FPZ中的顯微裂縫的引力場(chǎng)，以至于甚至誘導(dǎo)顯微裂縫(2)的擴(kuò)展。這一過(guò)程可能不斷重現(xiàn)直到加載松弛排除所有新的擴(kuò)展。通過(guò)這種方法可以解釋FPZ中臨近的顯微裂縫呈現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，即使在加載后的松弛期間。關(guān)鍵點(diǎn)是由于APZ中顯微裂縫的體積小而且相互比鄰使得顯微裂縫內(nèi)部不穩(wěn)定。

5、結(jié)論

本研究通過(guò)斷裂測(cè)試，調(diào)查混凝土楔型裂變標(biāo)本發(fā)射到加載峰值前和峰值后的松弛的粘彈性響應(yīng)。

通過(guò)本試驗(yàn)方法，在加載峰值之前可以準(zhǔn)確地描繪其遞進(jìn)性偏離線性粘彈性行為，偏離開(kāi)始于加載峰值的50％。峰值后加載后起始于破裂包絡(luò)線后所有加載水平，其松弛趨向于融合，呈現(xiàn)一個(gè)獨(dú)特的形狀(半對(duì)數(shù)紙上呈現(xiàn)線性)。起始干破裂包絡(luò)線以下的加載后松弛呈現(xiàn)一個(gè)很獨(dú)特的行為，變化相對(duì)值不明顯。這個(gè)現(xiàn)象可以解釋在非線性粘彈性行為的混凝土中所發(fā)生顯微裂變。通過(guò)本研究直接觀察到了加載臨近峰值和超過(guò)峰值的松弛期間出現(xiàn)顯微裂縫的擴(kuò)張的眾多跡象(如通過(guò)聲音發(fā)射的方法)。

本研究通過(guò)各種擬合考慮混凝土中間層次的不均質(zhì)特質(zhì)以及矩陣的粘彈性特征可以解釋所觀察到的影響。闡明了FPZ中的顯微裂變之間產(chǎn)生相互作用，并且可能導(dǎo)致在松弛期間顯微裂變不穩(wěn)定的持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，盡管此時(shí)外加載負(fù)荷已經(jīng)降低。

外力加載降低松弛期間，顯微裂變持續(xù)擴(kuò)展的特性可以用以評(píng)估混凝土的非線性粘彈性特征。否則會(huì)過(guò)高評(píng)估粘彈性特征對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期行為的影響。