【摘要】 建筑工程混凝土经常出现施工破坏的现象，尤其是混凝土裂缝，严重影响混凝土结构的质量。为了有效控制混凝土施工破坏所产生的裂缝问题，笔者认为需要对建筑工程混凝土施工破坏与断裂机制进行深入研究。本文基于混凝土施工破坏与断裂机制研究的基础，分别探讨了混凝土内部破坏结构特征和结构裂缝扩张，最后对混凝土施工破坏与断裂机制的形成进行总结。
【关键词】 建筑工程；混凝土施工；结构破坏；断裂机制
1.混凝土施工破坏与断裂机制研究的基础
建筑工程混凝土施工破坏与断裂机制的研究，我们可以以张开型的裂缝作为例子，分析遭受破坏后混凝土周围裂缝尖端部位的应力场。由于混凝土张开型裂缝的结构形状比较小，可以利用无限大平板模型进行表示其中建筑工程混凝土裂缝尖端周围的应力，随着r的缩小而呈现反比增大的趋势。笔者结合混凝土线弹性的理论，认为这种状态过于理想化，在实际工程施工当中，几乎不可能发生。因为混凝土材料出现宏观裂缝后，会开始丧失稳定性，裂缝扩展之前就存在微裂区域，而裂缝扩展成为塑性区域必须耗费大量的外力，因此需要依靠非线性的断裂力学作为混凝土施工破坏与断裂机制研究的基础。
混凝土裂缝尖端的区域应力，会趋向于无穷大，其塑性区域究竟多大，需要根据塑性区域的裂缝尺寸判断，张开型裂缝受到平面应力的作用。其中裂缝周围的主应力表达可用以下公式：
以上公式适用于混凝土弹性区域应力大小的计算。塑性区域应力的大小，需要采用第四强度理论进行计算，即：
上式中，是混凝土材料的单轴在受力状态下，所需要承受的极限屈服。
根据公式1.3计算出来的主应力，可以直接代入以下公式，求出屈服边界区域的方程值：
从上面的公式和相关图形，我们基本可以得出混凝土施工破坏与断裂机制研究的基础条件，那就是塑性变形是发生在混凝土应力达到屈服极限的时候，塑性区域在应力松弛的影响下而进一步扩大。在平面应变的状态之下，材料所在的屈服区域要比较小，也就是说，在同等应力的水平状态之下，平面应变状态之下的裂缝，可能会比平面应变状态的裂缝更容易扩展。
2.建筑施工混凝土内部破坏的结构特征
2.1硬化水泥浆基材
作为一种多孔体，硬化水泥浆基材通过吸收水分，或者由孔中凝聚的液相和气相构成。水泥凝胶可以代表所有的水泥水化产物，其主要的成分是钙、硅、氧。硬化的水泥浆体固相，存在裂缝的通道元和裂缝的阻挡元，都呈现不同的形状尺寸。存在裂缝通道元和阻挡元的混凝土，都会使得水泥浆体裂缝在刚开始扩展的时候，受到暂时性的抑制。水泥浆体硬化的时候，会出现各种孔径不同的孔洞和缝隙，这些孔隙率的大小，以及孔隙尺寸对材料强度的影响，可用下式表示：
真实的多孔材料，相邻之间的裂缝存在相互作用，其强度、总孔隙率、孔尺寸分布，相互联系在一起，其中孔尺寸的分布，最大裂缝长度需要代入一极值分布函数来确定。
2.2集料
混凝土集料产生的副作用，对裂缝扩展具有很大的影响，主要是因为集料下面容易形成的蓄水腔，容易诱发收缩裂缝。混凝土薄弱环节位于集料和硬化水泥浆体的界面区域，在受到外界作用力之后，这个区域将诱发裂缝。普通的混凝土，集料和硬化水泥浆体相比，前者的强度和厚度都明显大于后者，如果在一定荷载作用力之下的裂缝，所处的位置硬化水泥浆体的孔隙开始扩大，如果在扩大的过程中遇到集料，则扩大趋势会受到阻挡。如图3所示：
上式中，是硬化水泥浆体断裂时候的表面能。我们假设硬化水泥浆体断裂后的裂缝扩展到△c之后，受到了集料的阻挡，而裂缝受到阻挡之后的进一步扩展条件，将如下显示：
上式中是混凝土中集料断裂时候的表面能。在大多数情况下，硬化水泥浆体断裂的时候，裂缝要绕过集料扩展所需要的能量不用太大，通常在荷载增加到之前，裂缝就已经绕过集料并继续扩展。扩展之后的裂缝，其引伸的长度将更长，而且会与原来裂缝伸展的方向偏移，因此，集料只有吸收更多的能量，才能起到阻挡硬化水泥浆体断裂裂缝扩展的作用。从以上公式中我们可以硬化水泥浆体断裂裂缝扩展之后，在遇到集料之前，如果裂缝已经增加了，则裂缝就不会被集料所阻挡，这一点说明了裂缝受到集料的阻挡，不仅和硬化水泥浆体、集料的力学性质相关，而且也和两者的几何分布形状具有很大的关系，如果硬化水泥浆体的裂缝在遇到集料之前，其裂缝的长度已经和临界长度一样长，则裂缝就不会被集料所阻挡。
2.3水泥浆体和集料的界面
混凝土属于一级两相的复合型材料，主要由硬化水泥浆体和集料等组成。因此，混凝土硬化水泥浆体和集料界面的结构特征，可能会成为混凝土破坏的原因。硬化水泥浆体和集料界面的力学性质，通常具有一定的粘结能力，从力学的角度，该界面在混凝土的结构当中，属于比较薄弱的环节：
1）界面的粘结强度
硬化水泥浆体和集料的界面粘结强度受到水泥的强度等级、集料性质、表面结构、水灰比、混凝土龄期和养护水平等的影响，界面的粘结强度通常小于硬化水泥浆体和水泥砂浆的抗拉强度，界面粘结强度和硬化水泥浆体的抗拉强度比例为0.41：0.91，界面粘结强度和水泥浆体的抗拉强度比例为0.33：0.67。相对于普通集料而言，集料的强度一般都大于硬化水泥浆体，因此界面通常是混凝土内部结构中强度最低的地方。
2）界面的断裂韧度
1 硬化水泥浆体和集料石灰石的界面 0.160.04
2 硬化水泥浆体和集料石英的界面 0.210.04
3 由石英、石灰石和大理石构成的集料 0.07-1.00，1.9，3.4
4 硬化水泥浆体： 0.40，0.35，0.31
3）界面显微硬度
混凝土材料比的表面能量度依据，是材料的硬度大小，而材料的硬度大小又与材料的力学性能密切相关。如果集料由石英等酸性材料组成，其靠近集料界面的水泥浆体硬度通常都是比较大的，大约为20-30水泥浆体的本体位于这些硬度较低之外的层面；如果硬化水泥浆体位于集料界面属于碳酸盐质碱性性质，则界面的硬度要小于水泥浆体本身，水泥浆体和界面的硬度都小于集料，由此可见混凝土当中最薄弱的地方是硬化水泥浆体和集料的界面。
3.建筑施工混凝土结构的裂缝扩张
在外界气候温度的影响之下，混凝土中的材料尽管没有受到外界的荷载力，但事实上可能已经存在很多裂缝。混凝土受到荷载力作用，其强度必定会受到破坏性的影响。关于混凝土在不同龄期的裂缝情况，如下表2所示：
表2：混凝土在不同龄期裂缝的形成
Table 2： in the formation of cracks in concrete at different ages
序号 混凝土的龄期 裂缝的形成原因
1 浇筑和捣实期间的混凝土 捣实不当而出现孔隙
2 搅拌期间的混凝土 搅拌不当而出现泌水腔
3 硬化期间的混凝土 温度的影响而产生收缩裂缝
4 干燥之后的混凝土 外界湿气的作用产生收缩裂缝
5 受到荷载的混凝土 加剧了裂缝的扩展
上式中，P的大小为；T是造成倾斜裂缝向两相对边滑移剪切应力的合力。如果用ρ表示摩擦系数，则造成倾斜裂缝向两相对边滑移剪切应力的合力大小可用如下公式计算：
从上式中，我们可以看出混凝土裂缝扩展都比较稳定，这种类型的裂缝扩展，可以用来表示砂浆的结构破坏，但需要考虑基材和集料之间界面的影响。轻集料混凝土的界面强度一般都远远大于基材的强度，但如果集料有裂纹穿过并再次进入基材，裂缝的扩展就能被阻挡，只有再次施加外部荷载力，裂缝才会通过基材继续扩展。
4.混凝土施工破坏与断裂机制的形成
混凝土断裂参数的分析，可以采用双K准则，将该准则作为混凝土施工破坏与断裂机制形成的假设条件。假设的时候需要具备以下两个前提假说：首先是裂缝扩展后的前端存在虚拟裂缝，这些裂缝将引起P-CMOD曲线的非线性；其次是有效裂缝的组成分为等效弹性虚拟裂缝和自由裂缝的扩展。
以上两方面的假说，需要将P-CMOD曲线假设为外包路线，其中试件的材料、尺寸相同，而包含虚拟裂缝区的预开裂缝的长度不同。这样一来，我们就能有利用线弹性的方法描述非线性特征的断裂整个过程。
在此应用双K断裂准则，其基本流程为：
1）材料开裂的初始韧度为，如果裂缝端口的应力大小因子K能够达到这个韧度，则材料将出现开裂的迹象；
2）如果裂缝端口的应力强度因子大于开裂的初始韧度，但小于材料失去稳定性的韧度，则裂缝将处于稳定性扩展的阶段；
3）裂缝端口的应力强度因子的大小和失去稳定性的韧度一样，或者前者大于前者，则裂缝的状态是临界状态，并呈现裂缝扩展的不稳定性，混凝土的结构可能会因为失去稳定性而断裂。
工程的实际应用当中，混凝土结构裂缝扩展的标准是裂缝端口的应力强度因子和开裂的初始韧度的大小一致，失稳之前的安全警报是裂缝端口的应力强度因子大于开裂的初始韧度，但小于失去稳定性的韧度。具体如下所示：
当，则混凝土开始出现裂缝；
当，则混凝土裂缝的扩展处于相对稳定状态；
当，则混凝土的裂缝的状态是临界状态，并呈现裂缝扩展的不稳定性；
其中K是裂缝端口的应力大小因子；是材料开裂的初始韧度；是材料失去稳定状态的韧度。
针对不同形状的混凝土结构，都可以利用解析解和有限元等方法，求解出缝隙端口的应力强度因子K的大小，并结合双K断裂准则，对裂缝处于以上提到的三种状态中的哪一种进行判断，这种方法可以将复杂的计算分析过程简单化。
5.结束语
在国外，关于混凝土施工破坏与断裂机制的研究也有很多成功的先例。譬如美国科罗拉多大学的教授就曾经对双K断裂准则进行肯定。本文通过研究，得出以下几方面的结论：
1）为双K断裂准则以线弹性断裂力学为基础，通过在双K断裂准则当中引入材料开裂的初始韧度和材料失去稳定状态的韧度，我们可以将计算简单化，做出双K断裂参数的闭合解析解。
2）混凝土试件中的微裂区，通常都存在于宏观裂缝缝隙端口。该区域之外的混凝土状态处于线弹性，因此该区域适用线弹性断裂力学。在荷载加大之后，主裂缝呈现向前稳定扩大的趋势，而微裂区域和线弹性区域的移动方向，与裂缝扩展的方向平行同步，直到裂缝失去稳定性并呈现不规则地扩展。
3）引入材料开裂的初始韧度和材料失去稳定状态的韧度在尺寸效应方面具有明显的区别。在实际工程应用当中，材料失去稳定状态的韧度通常是利用LFFM原理进行确定，而引入材料开裂的初始韧度却很少利用这个原理确定。
4）混凝土施工破坏与断裂机制将LFFM原理和虚拟裂纹模型FCM结合在一起，并共同解析混凝土失去稳定性之前的亚临界扩展量，然后再测定出，进而利用公式求解出材料开裂的初始韧度和材料失去稳定状态的韧度。
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作者简介：徐炳进，男，1981年2月出生，山东临沂人，广州城市职业学院城市建设工程系讲师；研究生学历，主要研究方向：工程施工技术