蠕变裂纹扩展在混凝土裂缝形成过程中的相互作用
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作者: 王 云
1、引盲
混凝土的弹性和裂纹形成决定其变形能力、耐用性以及使用寿命。当混凝土在承载低负荷时，其粘弹性行为呈现拟线性而裂变不会发生。另外一方面，当混凝土承载高负荷时，裂变便开始形成并且与粘弹性产生相互作用。很多作者已经定性的描述了显微裂变对蠕变的影响。而且对混凝土在不同负荷速率下混凝土的破裂行为已经阐明清楚。最近的研究显示只有将时间参数依赖粘性裂纹的方法和体积粘弹性结合起来建立模型，可复制实验性混凝土裂缝形成。然而这些作用的物理机制还没有最终阐明。科研工作者试图用裂变的耗散特征和其粘弹性建立两者相互作用的模型，解释能量为基础的裂缝形成。于是建立了这种关于耗散多项颗粒体裂变的持续热力学模型。这种理论强调粘弹性影响能量的释放速率。
本研究的目的是不仅仅从试验中探索混凝土中粘弹性和裂变增长的偶联，而且从宏观和细观层次上通过数字模拟，企图寻找可见效应的变化趋势。试验的结果提示极度或者接近极度高负荷后的松弛期对显微裂变起很重要的作用。本实验还揭示了在经历临界断裂负荷或者低于此负荷后的松弛期开始的关键作用，非线性区域(接近顶点)趋于产生相对低的的松弛，在半对数图形呈现不同的式样。数字模拟揭示了一些可以解释可见趋势的可能机制。这些机制与显微裂纹增长、基质的粘弹性和混凝土的颗粒结构之间有明确的关系。
2、试验
试验是从Bruhwiler发展的楔子分裂系统得到灵感。使用一种类型的材料(混凝土、河水总量0／8mm，460kg／m3，不透明，CEMI 42.5，W／-C 0.43，few，28―50N／mm2，试验时间为50-100天)。所有标本都用具有石蜡基的养护混合物防止干燥。使用两个些列的LVDT，一个用于水平方向的分裂量Fh而另一个用于刻痕尖端。在一些标本上面，还是用一些声音发射探头和一个石墨表面裂变计量仪。试验在水力活塞测试系统内实施闭环位移控制(whl或whl)。在到达峰值负荷之前，成功施加不同水平的松弛。为第一次松弛设定不同的负荷(MI 1914：38％，M12022：85％，M12213：40％)。
3、数值模型
我们使用已经开发的计算机编码，可以模拟颗粒弹性媒介显微裂变的裂变增量。并加入线性体积粘弹性矩阵修改了此编码。采用能量基础标准拟合裂变增量。与第二部分所介绍的公式一致，图3a显示不均质结构，3b显示有该程序产生的典型的网络。
4、结果和讨论
下面我们见到因为明显的原因，仅仅在一部分标本中见到可见效应。所有这些效应都可以在其它数个标本中重现。标本M11914和对照组whl在峰值前后的相对松弛。可见在峰值加载后(峰值加载的％)松弛的变化数值。从1号到5号加载后松弛变化，从1号到5号加载的实施是通过恒定的位移从一个水平增加到另一个水平。对于一个纯粹的线性粘弹性材料，在这种情况下，用此种理论预测相对松弛越来越不明显。这种松弛变化趋势直到2号加载(峰值的48％)后才变得明显起来，从3号加载(峰值的60％)开始，以后连续几个加载后，松弛朝着相反的方向变化(松弛变化越来越明显)，这种变化趋势揭示了当某种加载达到了绝对峰值力的时候，松弛偏离线性出现了渐进偏差。加载超过峰值后，不管在任何加载水平，松弛的相对变化趋于归并，遵循一个经典行为(在半对数纸上呈现线性)。
对照组whl对松弛的响应，其第一个水平是在加载到峰值的85％。在试验加载位移曲线中可见在所有松弛变化中，只有第5号是唯一一个明显从破裂包络线下面开始。加载过峰值后标本M11914松弛相对变化呈现相同趋势，除了第5号，其相对松弛变化与4和6号相比较不明显。5号松弛曲线的形状在半对数纸上非常独特(明显的曲线)，而4号和6号是直线(从在标本Mil914加载超过峰值观察到的)。作为比较可以发现，使用Cecot发明的FEM计算机编码通过线性粘弹性拟合(均质材料，没有裂纹扩展)预测的相对松弛变化曲线具有相同形状。同时不难发现5号实验性松弛变化比4号和6号更接近拟合线性粘弹性行为，尽管5号呈现明显非线性偏离。可以看出：当在超过峰值后的范围加载(进一步损害)，在破裂包络线或者明显下面实施松弛可以激发不同的机制，可以解释明显的区别。
这些机制可能与在与破裂包络线上实施加载之后的松弛所导致的进一步损害有关，这种松弛期间的损害叫做显微裂变扩展。
为了进一步证实起始于破裂包络线加载后的松弛期间的发生的显微裂变扩展，在M12213标本中应用声音发射测量，其发射的加载程序与M12213相似。应用传导石墨测量的投射裂缝长度的变化同时呈现。裂缝长度对应松弛间位移增加.但是没有在松弛期间没有裂缝长度变异没有显著性。相反，在松弛期之间和松弛期间都可以探测到AE，大部分是在起始处。在1号(加载水平为-40％)松弛期间，可以探测到明显的AE事件。之后加载水平在峰值之前直到4号。没有更冥想的AE出现。从加载达到峰值之后，所有的松弛都伴随着AE事件，而且随着加载降低，AE事件逐渐消失。此发现有力证明显微裂变至少在松弛出时段出现，而且这种松弛是在破裂包络线上加载、峰值加载和峰值后加载。
很多作者在蠕变试验过程中已经预测并且观察到显微裂变扩展，而在松弛试验中没有预测到。理论上讲对于均质材料，松弛意味着能量释放速率G降低，而正是这种能量速率的降低促使了裂变扩展。除非裂变扩展的阻力降低速率比能量释放速率更快，那么裂变扩展将不可能发生。对试验中观察到的现象可能出现在混凝土的非均质微型结构中(比如颗粒状结构或者已经出现显微裂缝)。让我们设想在位移whl阻塞(松弛起始处)之前，由于显微裂缝很小，其持续扩展的很不稳定。那么我们进一步设想恰恰在松弛开始的时候，一个显微裂缝正在扩展，而且其扩展在松弛开始是时候就结束了。又由于混凝土的不均质微型结构，这种正在扩张的显微裂缝将要改变临近FPZ中的显微裂缝的引力场，以至于甚至诱导显微裂缝(2)的扩展。这一过程可能不断重现直到加载松弛排除所有新的扩展。通过这种方法可以解释FPZ中临近的显微裂缝呈现链式反应，即使在加载后的松弛期间。关键点是由于APZ中显微裂缝的体积小而且相互比邻使得显微裂缝内部不稳定。
5、结论
本研究通过断裂测试，调查混凝土楔型裂变标本发射到加载峰值前和峰值后的松弛的粘弹性响应。
通过本试验方法，在加载峰值之前可以准确地描绘其递进性偏离线性粘弹性行为，偏离开始于加载峰值的50％。峰值后加载后起始于破裂包络线后所有加载水平，其松弛趋向于融合，呈现一个独特的形状(半对数纸上呈现线性)。起始干破裂包络线以下的加载后松弛呈现一个很独特的行为，变化相对值不明显。这个现象可以解释在非线性粘弹性行为的混凝土中所发生显微裂变。通过本研究直接观察到了加载临近峰值和超过峰值的松弛期间出现显微裂缝的扩张的众多迹象(如通过声音发射的方法)。
本研究通过各种拟合考虑混凝土中间层次的不均质特质以及矩阵的粘弹性特征可以解释所观察到的影响。阐明了FPZ中的显微裂变之间产生相互作用，并且可能导致在松弛期间显微裂变不稳定的持续链式反应，尽管此时外加载负荷已经降低。
外力加载降低松弛期间，显微裂变持续扩展的特性可以用以评估混凝土的非线性粘弹性特征。否则会过高评估粘弹性特征对混凝土结构长期行为的影响。
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