现代混凝土基本理论及工程中的应用

摘要：人们对混凝土的运用已经有一百多年的历史了，混凝土属于非匀质非弹性的材料,它和匀质弹性材料有着非常大的区别，人们在使用混凝土的过程中，不断地积累经验并在已有基础上进行创新，总结出了一系列理论并运用在了工程中，本文结合实际，对现代混凝土在建筑领域的运用做了简单的探讨。

关键词：现代混凝土基本理论工程 混凝土应用

一、弹性力学理论及其应用

在线弹性问题中,一般认为外部荷载施加是缓慢的,不会产生动能和热效应,外部荷载在其作用位置上的变形上所做的功将转化为变形能储蓄在弹性体内,当外部荷载移去时,变形能全部释放。在这一过程中用线弹性本构(虎克定律)来描述。在混凝土受压的应力应变研究中,压应力大约在最大抗压强度f′c的30%以下是具有接近线弹性的性质。即可以认为混凝土在受到30%f′c以下的外力时,当外力消失,变形也消失。在混凝土受拉的应力―应变研究中,当应力达到单轴抗拉强度f′c的60%左右时,可以认为这个应力水平相当于弹性极限。混凝土最重要的特征之一是它的低拉抗拉强度,这导致了在比压应力低得多的拉应力下发生拉伸开裂。在弹性理论中认为各向同性的混凝土,各个方向上的弹性模量Cijkl必定是一样的,那么张量Cijkl必定是一个各向同性的四阶张量,总之,弹性力学可以解决混凝土的本构关系问题,但是弹性力学是在一定的假设基础上的。所以不完全适合再深入研究混凝土应力―应变关系。

二、塑性力学理论及其应用

塑性理论的发展对认识混凝土的本构关系发生了重大影响。该理论由三部分组成:初始屈服准则、强化法则、流动法则,这三个方面都与屈服面有着密切的关系。根据典型的塑性理论,增量形式的应力―应变关系一般用下列方法推出。总的应变增量是弹性增量和塑性增量的总和,即:

dεij=dεeij+dεpij(4)

按照虎克定律,应力增量由式(5)确定:

dεij=Cijkldεkl=Cijkl(dεkl-dεpkl)(5)

其中,Cijkl为含有弹性常数G和v的各向同性张量。由van Miler(1984年)关于混凝土应力应变曲线软化部分的可靠性试验研究,试件的高宽比H/ W从0.5变化到0.2时,获得轴向应力σ和轴向应变ε的试验结果中可知,在达到峰值之前,各曲线几乎是重合的,而与试件高度无关。但超过峰值后,随试件高度的减小,延性增大。

塑性力学中也有一些基本假设。混凝土塑性本构关系具有非线性和非单值(取决于加载历史)等特点,塑性力学问题比起弹性力学问题复杂得多,更接近于工程实际。但在解析求解遇到更大的数学困难。

三、断裂力学理论及其应用

1920年Griffith在研究玻璃等脆性材料时提出了断裂理论。Neville最先把Griffith理论应用于混凝土。1961年Kaplain首先将断裂力学用于混凝土研究中,并进行了混凝土断裂韧度试验。随后的工作几乎都是在以混凝土为线弹性的假定下,运用断裂力学对混凝土断裂参量的研究。由于混凝土中骨料的存在,使得混凝土的应力分布很不均匀。但骨料本身强度高,因而骨料又可能阻止裂纹的扩展。混凝土的不均匀性导致试验结果难于很好的吻合混凝土断裂的实际现象。例如,Glucklich证明,临界应变能释放率要比混凝土表面能的2倍大得多。并认为这是由于断裂力学把混凝土断裂归结于单一裂纹的扩展所导致的错误结论。其他越来越多的试验结果也表明,混凝土的断裂韧度值随着试件尺寸的变化而变化,并与裂纹长度和相对缺口深度有关。不仅如此,断裂韧度还随骨料体积、形状、水灰比和龄期的不同而不同。后者由于材料性质的变化而引起断裂韧度的变化。单就尺寸变化引起的断裂韧度的不同结果,就值得怀疑线弹性断裂力学对混凝土的适用性。然而,随着近年来对大尺寸混凝土试件(h>2 m)试验结果的分析,人们已经认识到,以往对混凝土断裂参量的测定,实际上并不真正代表混凝土的断裂韧度,而仅仅是名义值。由于混凝土复杂的组织结构,只有在试件尺寸大到一定程度后,才能够测定出不随尺寸而变化的稳定断裂韧度值,这才真正反映了混凝土的断裂韧度。但是大尺寸混凝土试验比较因难,一般试验室难以做到,基于断裂力学的混凝土的研究尚无法进入实用。

四、损伤力学理论及其应用

混凝土损伤本构模型比较多,有Mazars损伤模型、Loland损伤模型、指数函数损伤模型、各项异性的Sidhoff损伤模型。下面详细介绍Loland模型。Loland模型是按照试验得出的拉伸应力应变曲线,把曲线划分为两段。第一阶段是在应力达到峰值之前,即当应变小于峰值应力对应的应变εc时。在整个材料中发生分布的微裂纹损伤,第二阶段是当应变大于εc时,损伤主要发生在破坏区内。

五、混凝土抗冻理论及其应用

混凝土材料的抗冻性是以下三个方面的变函数即：（1）材料的性质（强度、变形、空隙情况）;（2）气候条件（冻融循环次数，最低温度、降温速度、降水量、空气相对湿度等）;（3）材料使用方式（降水量、自由水及跨越材料的蒸汽压梯度与温度梯度）。区分这几方面变数将构成研究这一复杂问题的一个根本方式的转变，这样我们就有可能正确预言材料在指定环境中的抗冻能。

在施工实践中采取的抗冻施工措施如下：采取掺用防冻剂以降低新拌水泥混凝土的内部水溶液冰点以及干扰冰晶生长，有效保护未成熟混凝土不受冻胀破坏，在负温条件下能够继续水化。采取掺用引气剂，引气不仅在表面无冰时减轻大体积冰诱导冰冻的出现，并且在过程中也减轻了冰挤出的损害，消纳更多的毛细孔中冰冻所产生的多余体积，有助于保护成熟混凝土免于伤害。配合比设计采取高效减水剂尽量降低水灰比总工经过充分水化，就有可能做出实际上不包含可冻水的饱和混凝土构件，不包含毛细水（或数量很少）的混凝土构件，由于凝胶中空间极微细，结晶的始发十分困难，并不发生冻结，故施工中尽量不使用粉煤灰作为外掺料加入混凝土。选用岩石吸水率较低（如重量吸水在 0.5％以下的岩石），可冻水极少，骨料表现安全，不受冰冻伤害，同时使用小颗粒石粒可以得到较大抗冻性保证。改善混凝土的气候条件以及使用方式，在地面以上的混凝土结构的冬季施工中，采取棉毡包裹等有效的蓄热保温措施，使新拌混凝土在正温条件下水化，强度达到设计强度后采取棉毡包裹继续保温，以此延长混凝土养护周期，保证成熟混凝土充分水化，尽量降低构件毛细水含量，防止成熟混凝土的受冻。

六、耐久性理论及其应用

混凝土的外部环境、内部孔结构、原料、密实度和抗渗性是混凝土耐久性能的重要因素。因此,工程中应根据具体情况,有针对性地采取相应措施,提高混凝土的耐久性。

混凝土配比的设计:配合比设计在满足混凝土强度,工作性能的同时应考虑尽量减少水泥用量和用水量,降低水化热,减少收缩裂缝,提高密实度,采用合理的减水剂和引气剂,改善混凝土内部结构,掺入足量的混合料,提高混凝土耐久性能。结构构件应按其使用环境设计相应的混凝土保护层厚度,预防外界介质渗入内部腐蚀钢筋。结构的节点构造设计也应考虑构件受局部损坏后的整体耐久能力。结构设计尚应控制混凝土裂缝的开裂宽度。

混凝土的拌制尽量采用二次搅拌法、裹砂法、裹砂石法等工艺,提高混凝土拌合料的和易性,保水性,提高混凝土强度,减少用水量;大体积混凝土的浇筑振捣应控制混凝土的温度裂缝,收缩裂缝,施工裂缝,建立混凝土的浇筑振捣制度,提高混凝土密实度和抗渗性,重视混凝土振捣后的表面工序,并加强养护,以减少混凝土裂缝。混凝土的施工过程对控制构件外观裂缝、施工裂缝至关重要,应加强施工质量管理,特殊季节施工的混凝土结构,尚应采取特殊措施。

结构在使用阶段,应注意检测、维护和修理,对处于露天和恶劣环境下的基础设施工程更应如此,建立检测和评估体系,及时发现,及时修理,确保混凝土结构的正常使用。

结语：

只有在工作中不断细心观察，专心研究，熟练运用现有的理论知识并加以创新，才能够从根本上提高工程质量，推动经济与社会的不断向前发展。

参考文献：

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