混凝土細觀力學研究方法探討

潘洪偉+劉清山

摘要：細觀力學是一門研究復(fù)合材料力學與變形性能的科學。本文介紹一種復(fù)合材料細觀力學模型及其優(yōu)缺點，然后將其應(yīng)用到混凝土這種復(fù)雜的復(fù)合材料，探討了從不同方面研究混凝土的細觀力學研究方法。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；細觀力學；基本模型；混凝土

中圖分類號：TU37；TU528

細觀力學是一門研究復(fù)合材料力學與變形性能的科學，包括：復(fù)合材料性能與各組成材料性能和數(shù)量之間的關(guān)系，在復(fù)合材料中各組成相之間的相互作用等。它是力學的一個分支。因此，它的研究范圍僅僅是復(fù)合材料的力學和變形性能，不包括其化學性能，也不包括它的電學性能、磁學性能等。在各組成材料之間的相互作用方面，細觀力學也僅僅研究它們之間的力學作用，以及由于這些力學作用而產(chǎn)生的變形。盡管細觀力學不研究化學作用、熱學作用等，但這些作用所引起的力學問題也在這門科學的研究范圍之內(nèi)。

復(fù)合材料通常是由許多相組成的，這種體系比較復(fù)雜。為了簡化分析，通常把它劃分為一個二元復(fù)合體系，其中在體系中具有連續(xù)性的相稱為基體相，分散在基體相中稱為粒子相。這兩相都具有性能的獨立性和行為的制約性。所謂性能的獨立性是指它們都具有各自獨立的性能，不受另一相性能和數(shù)量的影響。所謂性能的制約性是指這兩相之間具有較好的粘結(jié)，在各種力作用之下不會發(fā)生滑動，最終表現(xiàn)出來的行為是兩相共同作用、達到平衡后的結(jié)果。

混凝土中通常存在著粗集料、細集料、硬化水泥石三個相。在硬化水泥石中還存在著孔隙。對于這種復(fù)雜的體系，要想建立一個可以進行分析的模型顯然是很困難的。通常還是采用二元體系的細觀力學模型來進行分析。

1 細觀力學基本模型

在細觀力學研究方面，一個卓有成效的工作就是建立了許多力學模型，而且對這些模型已經(jīng)有了一個初步的認識，并且在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用。其中具有代表性的模型是Paul模型，本文利用Paul模型探討了混凝土細觀力學研究方法。

Paul提出了兩個最基本的細觀力學模型：一個是串聯(lián)模型，如圖1所示；另一個是并聯(lián)模型，如圖2所示。這兩個模型的提出標志著細觀力學的初步形成。并聯(lián)模型假定在外力作用下，兩相具有相同的應(yīng)變。而各相所承受的應(yīng)力卻是不同的。串聯(lián)模型假定在外力作用下，兩相承受著相同的應(yīng)力。但各相產(chǎn)生的應(yīng)變是不同的，取決于各自的彈性模量。

T. C. 亨遜根據(jù)基體相彈性模量與粒子相彈性模量之間的關(guān)系將復(fù)合材料分為兩類：如果基體相彈性模量大于粒子相彈性模量，這種復(fù)合材料稱為硬基質(zhì)復(fù)合材料；如果基體相彈性模量小于粒子相彈性模量，這種復(fù)合材料稱為軟基質(zhì)復(fù)合材料。認為對于硬基質(zhì)復(fù)合材料，假定二相具有相同的應(yīng)變是合理的；對于軟基質(zhì)復(fù)合材料，假定二相承受相同應(yīng)力是合理的。

2 混凝土細觀力學研究方法

2.1研究對象

對于混凝土材料，如果要研究粗集料的作用，可以將粗集料作為粒子相，硬化砂漿作為基體相，來研究粗集料性能、含量對混凝土某種性能的影響。如果研究硬化水泥石的作用，則可以將粗、細集料一起作為粒子相，而硬化水泥石作為基體相，研究硬化水泥石性能和含量對混凝土材料性能的影響。

這種劃分方法與研究工作的實際結(jié)合較緊密，得出的結(jié)果也比較直觀、簡單，容易分析。但是，這種劃分方法相對粗糙一些。特別是劃分在同一相中的組分性能差異較大時，會遇到一些麻煩。

2.2性能相近

混凝土材料，如果所采用的粗、細集料屬于同一種母巖，它們的物理性質(zhì)是相同的，只是幾何性質(zhì)不同。把它們一起看作粒子相，可以取相同的彈性模量等物理參數(shù)來進行分析計算，得出的結(jié)果通常要簡單的多。但是，對于采用普通砂的輕集料混凝土，粗集料是輕集料，細集料是普通砂，它們的彈性模量等物理參數(shù)相差太大，這樣的劃分就不合適了。這類劃分方法受到比較大的限制，而且常常與研究工作的目的不一致。

2.3逐層劃分

混凝土材料，其中有粗集料、細集料、硬化水泥石、孔隙等相，把它作為一個整體來研究比較困難?？梢园搭w粒大小的順序，逐漸地進行分析。

首先將不包括孔隙的硬化水泥石作為基體相，孔隙作為粒子相，研究硬化水泥石與孔隙率之間的關(guān)系。求得相應(yīng)的性能參數(shù)后，再以包括孔隙在內(nèi)的硬化水泥石作為基體相，細集料作為粒子相，研究硬化砂漿的性能。最后，再以硬化砂漿作為基體相，粗集料作為粒子相，研究混凝土的性能。

相對而言，這種方法最為科學，得出的結(jié)論也更符合實際情況。但是，這種方法通常比較復(fù)雜。進行一些性能的數(shù)值計算還可以，但要推導出函數(shù)關(guān)系表達式則是比較繁的，難以看出其規(guī)律。

值得注意的是在進行各級分析計算之前必須首先弄清復(fù)合材料的類型，選擇合適的模型。對于一個混凝土材料，在研究硬化水泥石與孔隙率的關(guān)系時，粒子相是孔，它的彈性模量是0。顯然是屬于硬基質(zhì)復(fù)合材料，應(yīng)該選擇串聯(lián)模型。但當研究砂漿的性能時，粒子相是細集料。在通常的情況下，集料的彈性模量大于硬化水泥石的彈性模量。因此，它屬于軟基質(zhì)復(fù)合材料，應(yīng)該選擇并聯(lián)模型。在研究混凝土的性能時，粒子相是粗集料。對于一般的粗集料，集料的彈性模量大于硬化砂漿的彈性模量?；炷翍?yīng)該作為軟基質(zhì)復(fù)合材料看待。但對于輕集料混凝土，集料的彈性模量小于硬化砂漿的彈性模量。這時，混凝土應(yīng)作為硬基質(zhì)復(fù)合材料看待。在進行各級分析時必須判斷復(fù)合材料的類型，選擇好適當?shù)哪Ｐ汀?/p>

3 結(jié)語

混凝土作為多相復(fù)合材料，由于材料組成的復(fù)雜性，通常采用試驗的方法研究其力學性能，但不能從本質(zhì)上解決力學性能與材料性能之間關(guān)系，為了從本質(zhì)上解決二者之間的關(guān)系，采用細觀力學的研究方法進行研究是一個很好的切入點?；炷恋募氂^力學應(yīng)該根據(jù)研究對象的需要、性能相近的原則和逐層劃分的方法進行研究。根據(jù)需要選擇一個方面進行研究，才能從根本上堅決混凝土的力學性能。endprint