基于損傷力學(xué)的含裂縫混凝土評估研究

李軍偉

1 混凝土的損傷現(xiàn)象

由混凝土的試驗研究顯示，不論拉伸和壓縮，當其受外力作用超過某一數(shù)值后，材料的力學(xué)性能會下降。用超聲波對試件進行觀測可知，當應(yīng)力超過某一數(shù)值(通常為材料強度的50%左右)后，材料的損傷隨應(yīng)力(或應(yīng)變)的增加而迅速增大[1，2]。由材料反復(fù)循環(huán)加、卸載試驗的應(yīng)力—應(yīng)變曲線清楚地表明了損傷的演變過程，其特征為:1)卸載彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的增加而減少。2)每次循環(huán)加、卸載形成的滯回環(huán)的位置、形狀、大小都在變化。

混凝土的內(nèi)部損傷主要是指混凝土內(nèi)部微裂縫的形成、擴展、聚合及繼續(xù)成長?；炷潦且环N非均質(zhì)復(fù)合材料，在成型期間就有一些初始裂縫，也就是產(chǎn)生初始損傷存在。這些初始損傷，從宏觀尺度(粗骨料造成的非均質(zhì)性)上看，主要是在粗骨料和砂漿之間由于沉降和干縮造成的界面裂縫。從微觀尺度(細骨料造成的非均質(zhì)性)上看，主要是由于收縮不均勻造成的砂漿裂縫。

2 混凝土的損傷機制

由于外力作用下，初始裂縫會不斷擴展、聯(lián)結(jié)，并又會有新的裂縫生成。因此，混凝土的損傷機制，主要就是各種微裂縫的形成和擴展，最后發(fā)展至可見的宏觀裂縫[3]。常見混凝土裂縫的形式包括:

1)結(jié)構(gòu)性裂縫。裂縫形狀與結(jié)構(gòu)受力有關(guān)，一般裂縫方向與主拉應(yīng)力方向垂直。觀察同一條裂縫的裂縫寬度可能不相同，而控制裂縫寬度是指較寬區(qū)段的平均裂縫寬度，其中，較寬區(qū)段占該裂縫長度 10%～15%的范圍。2)干縮裂縫。通常發(fā)生在混凝土表面水的光澤消失時，會產(chǎn)生隨機的、直線的或毛發(fā)似的裂縫，這種裂縫較淺不會影響混凝土表面以內(nèi)的問題。3)塑性收縮裂縫。通常發(fā)生在干燥、多風(fēng)的氣候條件下并互相平行出現(xiàn)，且裂縫與風(fēng)向垂直，這種裂縫通常比收縮裂縫寬且長，延伸穿透混凝土整體厚度。4)鋼筋裂縫。鋼筋底層混凝土夯實不良，在混凝土凝結(jié)時會因混凝土沉陷而使鋼筋上方的混凝土出現(xiàn)裂縫。5)鋼筋銹蝕裂縫。鋼筋因生銹體積膨脹會造成表面裂縫，且會提供路徑令濕氣進入，進一步銹蝕，造成混凝土內(nèi)部加速惡化。

一般來說，混凝土裂縫擴展存在以下四個階段:

1)初始微裂縫形成階段。構(gòu)件形成過程中，由于水泥漿液硬化干縮，水分蒸發(fā)造成裂縫等原因，使構(gòu)件中形成初始微裂縫，它們大都為界面裂縫，這些裂縫是穩(wěn)定的。2)裂縫的開裂階段。在外力作用下，構(gòu)件內(nèi)部的某些點會產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使初始微裂縫延伸或擴展，應(yīng)力集中則隨之緩解。如荷載不再增加，將不會產(chǎn)生新裂縫，卸載時少量裂縫還可閉合。這一階段應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是線性的。3)裂縫的穩(wěn)定擴展階段。當初始微裂縫開裂后，如繼續(xù)加載，并使荷載保持不變，則裂縫將繼續(xù)擴展，有的延伸進入砂漿，有的相互閉合形成大裂縫，同時也有新裂縫不斷生成，如停止加載，裂縫擴展將趨于停止。4)裂縫的不穩(wěn)定擴展階段。當載荷超過臨界應(yīng)力時，裂縫將繼續(xù)擴展，聚合砂漿裂縫急劇增多，即使荷載維持不變，裂縫也將失穩(wěn)迅速擴展，造成破壞。

3 混凝土損傷檢測

近五十多年來，許多研究者嘗試以超聲波波速量測結(jié)果與混凝土抗壓強度關(guān)系進行探討，以期能建立超聲波縱波波速與混凝土抗壓強度的關(guān)系曲線，作為混凝土結(jié)構(gòu)安全評估的非破壞檢測法[4，5]。下面就對超聲波的混凝土損傷檢測做一簡要概述。

3.1 超聲波檢測技術(shù)

以超聲波來檢測物體時，由其發(fā)射端探頭與接收端探頭的配置方式的不同，可分為下列三種檢測法:

1)直接傳遞法(Direct Transm ission)。

將發(fā)射端與接收端探頭分置于待測物體的兩側(cè)面，由于這種配置方式，使得超聲波的傳遞路徑明確，且探頭間傳遞的能量最大，而具有較好的靈敏度，因此，為量測波速最常用的方法。

2)半直接傳遞法(Semi-direct Transm ission)。

當欲檢測大型結(jié)構(gòu)或因結(jié)構(gòu)物埋置于地下，只露出部分的結(jié)構(gòu)體時，此時可采用半直接傳遞法，這種方法是將發(fā)射端與接收端探頭分別放置于待測物相鄰的兩面，以測定波速。其缺點是波傳遞路徑不明確。

3)表面?zhèn)鬟f法(Surface Transmission)。

這種方法將發(fā)射端與接收端探頭共同置于同一平面上，用于量測混凝土波速時，由于其傳遞路徑并不明確，且表面?zhèn)鬟f法僅能檢測出混凝土表層的狀況，并無法量測出混凝土內(nèi)部的狀況，但這種方法可用于當?shù)丨h(huán)境受限制唯一可取得資料的方法。

3.2 超聲波的混凝土參數(shù)量測

波的傳遞會隨著介質(zhì)的不同而有所改變，波速也會有不同的變化。故波速與材料性質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系。故本研究利用傳遞波速與材料特性的關(guān)系來求出混凝土的彈性模量。

1)密度。許多研究嘗試利用超聲波波速量測結(jié)果與混凝土材料密度之間的關(guān)系進行探討，以期建立超聲波縱波波速與混凝土材料密度的關(guān)系曲線，作為現(xiàn)場結(jié)構(gòu)或桿件中混凝土材料其密度無法立即得知時的分析使用。

制作不同性質(zhì)的 28 d混凝土的試塊，并進行相關(guān)試驗，依據(jù)試驗所得密度 ρ，及利用超聲波量測的縱向波速VL的資料進行回歸分析取得下面的關(guān)系式:

其中，ρ為密度，kg/m3;VL為縱波波速，km/s。利用這個關(guān)系式就可以用超聲波量測現(xiàn)場結(jié)構(gòu)物的縱波波速并代入密度預(yù)測關(guān)系式即可求出結(jié)構(gòu)物的密度，以做分析之用。

2)混凝土的彈性常數(shù)?；炷疗焚|(zhì)的變化與其彈性模量有關(guān)，波速和材料本身的彈性特性及密度有關(guān)，已知材料的密度及波速，即可反求材料的彈性特性，當應(yīng)力波在無限介質(zhì)內(nèi)部傳遞時，其中縱波的速度可以用于無限大固體介質(zhì)中，傳遞的縱波波速可表示為:

其中，VL為縱波波速，m/s;E為彈性模量，GPa;ρ為密度，kg/m3; v為泊松比。

由上式可知，波速與材料本身的彈性模量(E)、泊松比(v)及密度(ρ)有關(guān)，若已測得ρ值、v值，則可利用量測材料的波速來預(yù)估材料的彈性模量E值，并求出波速與彈性模量間關(guān)系。

3)受損后混凝土強度計算。結(jié)構(gòu)受損時由混凝土強度可明顯觀察其變化，而當結(jié)構(gòu)物因外力作用、施工缺失、材料惡化等因素影響，結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生微裂縫會造成材料常數(shù)的降低，進而影響混凝土強度，當應(yīng)力波通過缺陷處時所造成應(yīng)力波傳播速度延遲可反映出混凝土強度。利用該原理，量測實際含裂縫混凝土的損傷對應(yīng)力波傳播時間或傳播速度的影響，并由混凝土強度的弱化來反映。

首先建立不同水灰比損傷混凝土無損傷時，傳播波速與混凝土強度的關(guān)系式:

其中，fc′為混凝土抗壓強度;VB為無裂縫混凝土的波速;a，b均為強度影響因子。

再利用同一關(guān)系式來建立含不同裂縫損傷程度混凝土?xí)r，傳播波速與損傷混凝土強度的關(guān)系式:

其中，fcs′為損傷混凝土強度;VBs為含裂縫混凝土的波速;a，b均為強度影響因子。

由此即可計算出當混凝土含不同裂縫損傷程度而導(dǎo)致傳遞波速改變時，傳遞波速所反映的損傷混凝土強度(fcs′)。

[1] Popovics Sandor，Rose Joseph L，Popovics John S.Behavior of ultrasonic pulses in concrete[J].Cement and Concrete Research，1990，20(2):259-270.

[2] 李曉蕓.混凝土損傷的超聲波檢測技術(shù)實驗研究[J].山西建筑，2010，36(4):89-90.

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[4] 李驍春，吳勝興.早期混凝土超聲波測試研究進展[J].混凝土與水泥制品，2006，149(3):11-13.

[5] 侯景鵬，史 巍，劉華新.損傷力學(xué)在混凝土強度分析中的應(yīng)用[J].東北電力學(xué)院學(xué)報，2000，20(2):34-38.