混凝土细观力学研究方法探讨

潘洪伟+刘清山

摘要：细观力学是一门研究复合材料力学与变形性能的科学。本文介绍一种复合材料细观力学模型及其优缺点，然后将其应用到混凝土这种复杂的复合材料，探讨了从不同方面研究混凝土的细观力学研究方法。

关键词：复合材料；细观力学；基本模型；混凝土

中图分类号：TU37；TU528

细观力学是一门研究复合材料力学与变形性能的科学，包括：复合材料性能与各组成材料性能和数量之间的关系，在复合材料中各組成相之间的相互作用等。它是力学的一个分支。因此，它的研究范围仅仅是复合材料的力学和变形性能，不包括其化学性能，也不包括它的电学性能、磁学性能等。在各组成材料之间的相互作用方面，细观力学也仅仅研究它们之间的力学作用，以及由于这些力学作用而产生的变形。尽管细观力学不研究化学作用、热学作用等，但这些作用所引起的力学问题也在这门科学的研究范围之内。

复合材料通常是由许多相组成的，这种体系比较复杂。为了简化分析，通常把它划分为一个二元复合体系，其中在体系中具有连续性的相称为基体相，分散在基体相中称为粒子相。这两相都具有性能的独立性和行为的制约性。所谓性能的独立性是指它们都具有各自独立的性能，不受另一相性能和数量的影响。所谓性能的制约性是指这两相之间具有较好的粘结，在各种力作用之下不会发生滑动，最终表现出来的行为是两相共同作用、达到平衡后的结果。

混凝土中通常存在着粗集料、细集料、硬化水泥石三个相。在硬化水泥石中还存在着孔隙。对于这种复杂的体系，要想建立一个可以进行分析的模型显然是很困难的。通常还是采用二元体系的细观力学模型来进行分析。

1 细观力学基本模型

在细观力学研究方面，一个卓有成效的工作就是建立了许多力学模型，而且对这些模型已经有了一个初步的认识，并且在一些领域得到了应用。其中具有代表性的模型是Paul模型，本文利用Paul模型探讨了混凝土细观力学研究方法。

Paul提出了两个最基本的细观力学模型：一个是串联模型，如图1所示；另一个是并联模型，如图2所示。这两个模型的提出标志着细观力学的初步形成。并联模型假定在外力作用下，两相具有相同的应变。而各相所承受的应力却是不同的。串联模型假定在外力作用下，两相承受着相同的应力。但各相产生的应变是不同的，取决于各自的弹性模量。

T. C. 亨逊根据基体相弹性模量与粒子相弹性模量之间的关系将复合材料分为两类：如果基体相弹性模量大于粒子相弹性模量，这种复合材料称为硬基质复合材料；如果基体相弹性模量小于粒子相弹性模量，这种复合材料称为软基质复合材料。认为对于硬基质复合材料，假定二相具有相同的应变是合理的；对于软基质复合材料，假定二相承受相同应力是合理的。

2 混凝土细观力学研究方法

2.1研究对象

对于混凝土材料，如果要研究粗集料的作用，可以将粗集料作为粒子相，硬化砂浆作为基体相，来研究粗集料性能、含量对混凝土某种性能的影响。如果研究硬化水泥石的作用，则可以将粗、细集料一起作为粒子相，而硬化水泥石作为基体相，研究硬化水泥石性能和含量对混凝土材料性能的影响。

这种划分方法与研究工作的实际结合较紧密，得出的结果也比较直观、简单，容易分析。但是，这种划分方法相对粗糙一些。特别是划分在同一相中的组分性能差异较大时，会遇到一些麻烦。

2.2性能相近

混凝土材料，如果所采用的粗、细集料属于同一种母岩，它们的物理性质是相同的，只是几何性质不同。把它们一起看作粒子相，可以取相同的弹性模量等物理参数来进行分析计算，得出的结果通常要简单的多。但是，对于采用普通砂的轻集料混凝土，粗集料是轻集料，细集料是普通砂，它们的弹性模量等物理参数相差太大，这样的划分就不合适了。这类划分方法受到比较大的限制，而且常常与研究工作的目的不一致。

2.3逐层划分

混凝土材料，其中有粗集料、细集料、硬化水泥石、孔隙等相，把它作为一个整体来研究比较困难。可以按颗粒大小的顺序，逐渐地进行分析。

首先将不包括孔隙的硬化水泥石作为基体相，孔隙作为粒子相，研究硬化水泥石与孔隙率之间的关系。求得相应的性能参数后，再以包括孔隙在内的硬化水泥石作为基体相，细集料作为粒子相，研究硬化砂浆的性能。最后，再以硬化砂浆作为基体相，粗集料作为粒子相，研究混凝土的性能。

相对而言，这种方法最为科学，得出的结论也更符合实际情况。但是，这种方法通常比较复杂。进行一些性能的数值计算还可以，但要推导出函数关系表达式则是比较繁的，难以看出其规律。

值得注意的是在进行各级分析计算之前必须首先弄清复合材料的类型，选择合适的模型。对于一个混凝土材料，在研究硬化水泥石与孔隙率的关系时，粒子相是孔，它的弹性模量是0。显然是属于硬基质复合材料，应该选择串联模型。但当研究砂浆的性能时，粒子相是细集料。在通常的情况下，集料的弹性模量大于硬化水泥石的弹性模量。因此，它属于软基质复合材料，应该选择并联模型。在研究混凝土的性能时，粒子相是粗集料。对于一般的粗集料，集料的弹性模量大于硬化砂浆的弹性模量。混凝土应该作为软基质复合材料看待。但对于轻集料混凝土，集料的弹性模量小于硬化砂浆的弹性模量。这时，混凝土应作为硬基质复合材料看待。在进行各级分析时必须判断复合材料的类型，选择好适当的模型。

3 结语

混凝土作为多相复合材料，由于材料组成的复杂性，通常采用试验的方法研究其力学性能，但不能从本质上解决力学性能与材料性能之间关系，为了从本质上解决二者之间的关系，采用细观力学的研究方法进行研究是一个很好的切入点。混凝土的细观力学应该根据研究对象的需要、性能相近的原则和逐层划分的方法进行研究。根据需要选择一个方面进行研究，才能从根本上坚决混凝土的力学性能。endprint