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摘要：混凝土开裂破坏是混凝土“损伤-裂纹-裂纹扩展-断裂失稳”的演化过程。因此，有必要对混凝土损伤断裂特性进行实验研究和理论分析，找出混凝土损伤断裂机理和规律，为结构失效分析提供可靠的理论依据和技术支持。本文首先介绍了混凝土断裂韧度、混凝土断裂声发射特性、混凝土动态断裂韧度的国内外研究现状。其次，重点研究了混凝土I型断裂、II型断裂和混凝土断裂的声发射特性。混凝土断裂扩展有限元模拟和混凝土动态断裂研究的结果，最后介绍了混凝土断裂力学中需要解决的一些关键问题。
关键词：断裂力学；断裂韧度；声发射特性；混凝土
根据结构强度计算理论，只要材料的工作应力不超过许用应力，结构或构件就被认为是安全的。在实际工程中，经常发生低应力脆性断裂，即当混凝土材料的工作应力小于允许应力时，构件发生损伤。通过研究发现，混凝土材料的低应力脆性断裂事故主要是由混凝土材料原有的小裂纹和缺陷引起的。任何混凝土结构，从加载前到加载后再到破坏，都是一个演化的动态损伤场。结构的变形、位移、开裂和破坏均属于该损伤领域的力学行为。由于混凝土结构中多种力学行为交织在一起，不能真正区分或定义损伤和断裂的根源，难以实时跟踪整个动态演化过程，缺乏相应的试验方法和评价体系。
1.混凝土的断裂韧度研究
随着应力的增加，其断裂破坏过程是一个由开裂、稳定扩展到失稳破坏的三阶段逐步发展过程。然而，以往文献断裂力学中提到断裂韧度只可以作为混凝土裂缝从非线性裂缝稳定扩展到失稳扩展阶段的控制阈值，而混凝土裂缝从线弹性到非线性的控制点，即裂缝从起裂到稳定扩展的控制点却难以确定，因此，仅仅采用失稳断裂韧度来反应混凝土断裂破坏过程是不够的，对比一些有特殊要求的重要以及重大混凝土结构工程，了解混凝土裂缝从线弹性到非线性的转折点也是非常重要的，为了保障安全，既需要了解这些混凝土结构的失稳断裂参数，也需要掌握其起裂断裂参数。
鉴于上述原因，吸取众多混凝土断裂模型的优点，考虑各自的局限性，基于线弹性断裂力学并考虑断裂过程区内黏聚力的作用，1992年徐世烺、Reinhardt提出了以应力强度因子为参量的混凝土断裂模型——双K断裂模型（DKM），该模型不仅具有完备的理论基础，同时可以描述混凝土裂缝的扩展特性。在这个模型中，除了使用失稳断裂韧度这一参数来控制裂缝的临界失稳外，还引入了一个新的概念即起裂断裂韧度来作为裂缝起裂的控制参数。
2.混凝土断裂的声发射特性研究
声发射技术作为一项无损检测技术，在混凝土损伤断裂试验中正在发挥着越来越重要的作用，经过试验证明，声发射技术在检测混凝土断裂损伤中相对于扫描电子显微镜技术、超声波技术和机械测量更具有优势。以声发射特征参量作为评价混凝土损伤程度的指标，为水工结构的损伤评价提供一种新的方法和手段。声发射技术在工程材料特别是混凝土领域的应用，首先是Rusch在1959年对混凝土受力后的声发射信号进行了研究，并证实在混凝土材料中，“凯塞效应”仅在其极限应力的70%～85%以下的范围内存在。L.Hermite分别在1959年和1960年给出了混凝土在变形过程中的声发射研究成果。Robinson在1965年研究了砂浆及不同骨料掺量、不同骨料粒径混凝土的声发射特征。刘红光提出了基于Hilbert-Huang变换的分析混凝土声发射信号的新方法。利用全波形声发射技术记录了预应力混凝土梁在三点弯曲荷载试验下整个破坏过程的声发射信号。
声发射技术作为一个正在迅速发展中的无损检测方法，在各个方向都很有发展的潜力，例如通过研究钢筋与混凝土的界面声发射特性来建立结界面损伤量与其声发射参数两者的关系，结合分形理论来探讨断裂过程中材料内部结构的演化过程等。
3.率相关的混凝土动态断裂韧度
混凝土动态力学性能都是率相关，国内外对应变率对混凝土力学性能的影响有不少研究成果。1917年，Abrams对混凝土材料进行了应变速率为2×10-4 s-1的动载抗压试验，发现混凝土抗压强度存在率敏感性，之后，人们就不同应变率下混凝土材料的动态力学性能展开了广泛的研究，并取得了一定成果。1966年，Mellinger和Birkinler通过在试件端部施加冲击荷载，在另一端反射为拉应力波，完成了两套素混凝土试验。1988年，McVay通过爆破墙体的混凝土，对其墙体背面的碎片中混凝土发生了破坏，当应变速率为38 s-1和157 s-1时的抗拉强度分别增加7.1和6.7。1998年，Malvar和Ross总结了混凝土单轴动态抗拉强度与荷载速率之间关系。
4.今后需要开展的工作
（1） 针对混凝土断裂理论以及混凝土的裂缝诊断均存在强烈的非线性，存在复杂的断裂机理，比如“尺寸效应”对断裂韧度的影响、混凝土强度和本构关系对KR阻力曲线的影响；复合型裂缝的断裂韧度研究；混凝土断裂过程中“起裂时刻如何准确获取”等科学问题，进一步开展试验研究。
（2） 目前声发射技术在混凝土断裂中的应用仍然处于定性的研究阶段，对于声发射参数与混凝土断裂参数之间的关系研究较少；声发射信号本身参数较多，如何正确的选择其中一个或多个参数来与混凝土断裂中的参数建立耦合关系，进而建立判别准则等科学问题都尚未得到解决。在用声发射信号确定混凝土断裂韧度试验中的起裂点时，如何找到最佳的试件形式和最佳缝高比才能消除试件尺寸和外界噪声的影响，还应继续深入研究。
（3） 与混凝土的其他力学指标不同，混凝土的动态断裂韧性受试验方法和方法的限制。动荷载作用下混凝土的断裂韧性是否随速率变化而变化，是目前混凝土断裂韧性研究中尚未解决的问题。通过理论推导，建立了以声发射信号参数为表征的混凝土静态断裂韧性与动态断裂韧性的转换方程，有待进一步研究。通过研究不同加载率下声发射信号的特征，发现应变率和裂纹张开位移之间的关系，分析动断裂韧性转换公式的正确性验证，和断裂韧性也可以作为一个稳定的动态载荷下裂纹扩展。其中性的重要依据，仅与材料本身有关，等方面还需要进一步研究。
通过以上三方面的试验研究，有望进一步完善混凝土损伤断裂力学理论体系，进一步促进混凝土损伤断裂力学在重大工程抗裂防裂设计与开裂分析中的应用。
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