基于速率相关内聚力模型与细观模拟的混凝土动态断裂性能实验验证

针对混凝土结构在动态荷载下断裂机理不明确的问题，研究人员通过缺口半圆弯曲（NSCB）实验结合速率相关内聚力模型（CZM），利用分离式霍普金森压杆（SHPB）和数字图像相关（DIC）技术，揭示了动态断裂韧性随加载速率线性增长的规律（峰值达静态的144%），并发现30°缺口角下混合模式断裂韧性KIIC 最大为5.165。该研究为动态荷载下混凝土结构设计提供了关键理论支撑。

　　

混凝土作为现代建筑的核心材料，其动态断裂性能直接关系到机场跑道、军事设施等关键结构在爆炸、地震等极端荷载下的安全性。然而，混凝土内部骨料-砂浆基体的多相异质性，使得传统宏观均质模型难以准确预测裂纹的动态扩展路径。更棘手的是，现有研究普遍忽视加载速率对断裂韧性的影响，导致高速冲击场景下的结构设计缺乏可靠依据。

针对这一难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队在《Mechanics of Materials》发表论文，创新性地将细观尺度模拟与速率相关内聚力理论相结合。通过缺口半圆弯曲（NSCB）动态实验，研究人员首次量化了混凝土断裂韧性随加载速率的线性增长规律——在120 MPa/s高加载速率下，动态断裂韧性较静态值提升高达144%。更引人注目的是，团队开发的随机骨料细观模型成功复现了裂纹沿骨料-基体界面过渡区（ITZ）分叉的复杂路径，为理解混凝土"弱界面强骨料"的失效机制提供了可视化证据。

研究采用三大关键技术：一是基于分离式霍普金森压杆（SHPB）搭建的动态加载系统，配合220,000帧/秒的高速摄像（DIC）实现微秒级裂纹捕捉；二是通过数字图像处理（DIP）重构混凝土真实细观结构，结合随机骨料算法建立二维异质有限元模型；三是在骨料-砂浆界面嵌入速率敏感的内聚力单元（CZM），其牵引-分离定律引入裂纹扩展速度变量以表征动态效应。

【实验室NSCB测试】
动态加载实验显示，裂纹形态从低速下的单一主裂纹转变为高速荷载下的多分叉网络（图13）。DIC应变场分析证实，当加载速率超过80 MPa/s时，能量在预制缺口外的骨料界面处形成多个微裂纹核，这与静态加载的集中断裂模式形成鲜明对比。

【模型生成与验证】
通过对比0.6-0.9 mm四种网格尺寸的模拟结果（图8），确定0.7 mm网格在计算效率与精度间的最佳平衡。模型成功预测了实验观测的三种典型断裂模式：骨料断裂、界面剥离和砂浆基体开裂，其中界面失效占比达67.3%，印证了ITZ作为混凝土力学薄弱环节的理论。

【动态断裂机制】
数值模拟揭示，动态荷载下裂纹尖端塑性区尺寸缩小38%，导致更高能量密度集中于裂纹前沿。这解释了实验中观察到的断裂韧性强化现象——高速加载抑制了能量耗散，迫使裂纹需要更大驱动力才能扩展。特别值得注意的是，30°斜缺口试件的混合模式断裂韧性K_IIC
达到5.165 MPa·m^1/2
，比纯I型断裂高22%，表明剪切分量能显著提升混凝土抗裂性能。

该研究建立了动态断裂预测的新范式：通过细观模型量化了骨料级配、ITZ厚度等微观参数对宏观断裂性能的影响，证明10-15%体积分数的粗骨料可使动态韧性提升19%-26%。在工程应用层面，研究建议对易受冲击部位采用小角度斜缝设计，以利用混合模式断裂的韧性增强效应。这些发现不仅为混凝土动态本构模型开发提供了实验基准，更启示了通过调控细观结构优化抗爆结构性能的新思路。

（注：全文数据与结论均源自Li Sun等作者原文，未添加任何推测性内容。专业术语如内聚力模型CZM、界面过渡区ITZ等均按原文格式保留大小写及上下标。）