《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Influence of orthogonal and parallel cracks on the post-peak compressive response of ASR-deteriorated concrete: experimental evaluation and mechanism interpretation
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本研究针对碱硅酸反应（ASR）劣化混凝土在压缩下易发生脆性破坏的风险，通过系统实验揭示了裂纹各向异性对峰后力学行为的关键影响。研究表明，相对于加载方向的正交裂纹主导试件表现出更高的断裂能和延性，而平行裂纹主导试件则更脆。其机理在于正交裂纹网络提供了额外的侧向约束。该发现为改进ASR混凝土压缩本构模型、准确评估结构倒塌风险提供了重要依据。
碱硅酸反应（ASR）是一种常见的混凝土耐久性病害，它会导致混凝土内部膨胀并产生大量微裂纹。这些裂纹如同混凝土内部的“伤疤”，不仅削弱了材料的强度，更可能影响结构在极端荷载（如地震、爆炸）下发生大变形甚至倒塌时的安全性能。然而，长期以来，关于ASR如何具体影响混凝土在达到极限强度后（即“峰后阶段”）的力学行为，科学界的研究并不充分。特别是，ASR产生的裂纹并非杂乱无章，它们往往在不受约束的方向上优先发展，形成明显的方向性（即“各向异性”）。一个关键但悬而未决的问题是：这些具有方向性的裂纹，究竟是加剧了混凝土的脆性破坏，还是以某种意想不到的方式改变了其破坏模式？为了准确预测和评估ASR劣化混凝土结构的安全性，我们必须深入理解裂纹方向性对峰后压缩行为的精确影响及其背后的物理机理。
为了回答这一问题，来自东京大学的研究团队在《CEMENT AND CONCRETE RESEARCH》上发表了一项系统性实验研究。他们精心设计了实验，制备了在无约束（Free）、一维约束（1D）和二维约束（2D）条件下经历ASR加速的混凝土试件，从而获得了以平行或正交于加载方向为主导的裂纹分布。在可比的膨胀水平下，对试件进行压缩试验，并利用数字图像相关（DIC）技术全场观测应变发展。通过分析应力-应变曲线、计算断裂能与断裂参数，并结合DIC观测到的裂纹扩展过程，研究人员深入揭示了裂纹方向性影响的规律与机制。
本研究所采用的关键技术方法主要包括：1) 多轴约束下的ASR加速实验：通过施加不同维度的机械约束，诱导产生具有主导方向的ASR裂纹网络。2) 控制裂纹方向的压缩试验：将试件按特定方向切割并加载，实现沿平行或正交于主导裂纹方向的压缩。3) 数字图像相关（DIC）应变场分析：利用高分辨率相机记录加载过程中试件表面的图像，通过软件分析获得全场压缩、拉伸和剪切应变分布，直观揭示裂纹萌生与扩展过程。4) 基于循环卸载的峰后参数量化：通过峰后循环加载，计算断裂能（表征抵抗裂纹扩展的剩余能量）和断裂参数（表征刚度退化速率），定量评估峰后性能。
研究结果如下：
3.1. 压缩曲线和峰后性能
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3.1.1. 压缩曲线：结果显示，在相近的劣化程度下，以平行裂纹为主的试件表现出较高的抗压强度和弹性模量，但峰后应力随应变发展下降迅速，呈现更脆的特性。而以正交裂纹为主的试件虽然峰值前性能较低，但峰后曲线更为平缓，表现出更高的延性。
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3.1.2. 断裂能：正交裂纹主导试件的压缩断裂能显著高于平行裂纹主导试件，表明其耗散更多能量才能完全破坏。
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3.1.3. 断裂参数：平行裂纹主导试件的刚度在峰后阶段退化更快，而正交裂纹主导试件则能更好地维持刚度，退化速率更慢。
3.2. 应变发展与既有裂纹的断裂相互作用
通过DIC技术观察发现，破坏模式存在显著差异。在平行裂纹主导试件中，荷载引发的裂纹倾向于沿着既有平行裂纹延伸和贯通，形成近乎连续的剪切带，促进了试件内部的滑移，从而导致脆性破坏。而在正交裂纹主导试件中，荷载引发了大量垂直于既有正交裂纹的劈裂裂纹。既有裂纹与新生裂纹相互交错，形成复杂的网状裂纹系统，裂纹面间的摩擦力提供了额外的侧向约束，抑制了裂纹的快速扩展和试件的横向分离，从而实现了更高的延性。
3.3. 峰后区域的横向应变发展
横向应变测量进一步证实了上述机制。在相同的应力下降水平下，平行裂纹主导试件产生了更大的横向应变，表明其内部更易发生分离。而正交裂纹主导试件的横向应变发展受到明显抑制，证明了内部裂纹网络提供的有效约束。
4. 讨论：裂纹方向对ASR影响试件峰后性能的机理
统计分析表明，正交裂纹分量与抗压强度和弹性模量呈负相关，但与断裂能呈正相关。这揭示了正交裂纹对混凝土峰前和峰后性能的“双重”甚至“相反”的影响效应。在峰前阶段，正交裂纹作为缺陷，降低了有效承压面积和刚度；在峰后阶段，围绕这些裂纹产生的破碎和劈裂区，通过摩擦和互锁作用，反而成为了提供侧向约束、增强延性的“贡献者”。这种破坏机理与传统无ASR混凝土以及平行裂纹主导的ASR混凝土有本质不同，后者的破坏更接近于沿加载方向贯通的剪切滑移。
研究结论与意义归纳如下：
本研究明确得出，在ASR劣化混凝土中，相对于加载方向以正交裂纹为主的试件，比以平行裂纹为主的试件具有更高的峰后延性，表现为更高的断裂能和更低的刚度退化率。其根本机制在于，正交裂纹与加载诱发的劈裂裂纹相互作用，形成了能提供显著侧向约束的复杂裂纹网络。这一发现具有重要的理论与工程意义。它首次系统阐明了裂纹各向异性对ASR混凝土峰后压缩行为的具体影响规律和微观力学机理，纠正了“更多裂纹必然导致更脆”的简单认知。研究明确指出，正交裂纹在降低峰前强度、刚度的同时，可能增强峰后延性，这对基于性能的混凝土结构安全评估至关重要。同时，该研究揭示了ASR混凝土与无损混凝土在破坏模式和峰后行为上的本质差异，明确指出现有的ASR模型普遍缺乏对这种特殊裂纹网络效应和侧向约束机制的考虑。因此，本研究为发展更精确的、能够区分裂纹方向影响的ASR混凝土压缩本构模型提供了关键的实验依据和理论支撑，有助于更可靠地预测ASR劣化混凝土构件在极端荷载下的倒塌风险，提升基础设施的耐久性与安全性。
