混凝土是使用最广泛、用量最大的建筑材料,已广泛应用到建筑、公路、大坝等土木工程领域。然而在服役过程中,复杂环境条件和外部荷载导致混凝土产生变形,在约束条件下引起裂缝,直接降低混凝土结构的耐久性和安全性。因此,开展混凝土中裂缝的研究对提高混凝土结构工程耐久性具有重要意义。混凝土是一类具有微观、细观和宏观等多层次结构的非均匀材料,以往的研究大多立足于宏观层次把混凝土看成均匀连续体,忽略了混凝土内部的细观结构及其演化对性能的影响。这种均匀化的处理方法对于研究宏观尺度下混凝土的性能无疑行之有效,但是要想深入研究混凝土内部裂缝的形成机制,还应从混凝土的微观和细观组成结构入手,针对混凝土材料非均质性的特点,构建内部应力/应变的表征、模拟方法。本文基于细观层次上混凝土非均质的特点,通过实验和模拟来研究干燥条件下混凝土中非均匀应力/应变及其诱发微裂纹的分布特征,并探讨混凝土中非均匀应力/应变以及已有裂缝对混凝土宏观力学性能和开裂过程的影响,为阐明混凝土内部裂缝的形成和扩展机制奠定理论基础。具体工作包括:首先,利用三维数字图像相关法(Three-dimensional Digital Image Correlation,3DDIC)测试了不同干燥条件和配比的混凝土中非均匀变形,并选择第一主应变和第二主应变来表示混凝土中变形的大小,着重探讨了粗骨料粒径、级配和体积对混凝土中非均匀应变分布的影响。结果表明:(1)干燥条件下混凝土中第一主应变并不都是收缩应变,还存在拉伸应变;第二主应变基本是收缩应变,且呈现明显的非均匀分布。混凝土的第一主应变分布呈现1个高斯分布,第二主应变分布含有2个高斯分布(包括砂浆区域和粗骨料及其附近区域的应变分布)。(2)随着干燥龄期的增加,第一主应变特征分布峰位向拉伸应变方向发展,分布范围逐渐增加,分布越来越不均匀;第二主应变向收缩应变方向发展,分布越来越不均匀。(3)随着相对湿度的降低,混凝土的第一主应变向拉伸应变方向发展,分布越来越不均匀,第二主应变向收缩应变发展,分布越来越不均匀。(4)与砂浆的主应变分布相比,当粗骨料粒径为5~10mm时,混凝土的第一主应变中拉伸应变会增多,分布范围增大,而第二主应变中收缩应变减小,分布范围增大。当粗骨料粒径大于10mm时,混凝土的第一主应变向拉伸应变发展,分布范围增大,第二主应变向收缩应变发展,分布范围增大。当粗骨料体积含量由0.25增加到0.45时,混凝土的第一主应变向拉伸应变发展,分布范围减小,混凝土的第二主应变中收缩应变减小,分布范围会减小。当混凝土中大粒径粗骨料减少时,其第一主应变减小,分布范围增大,其第二主应变增大,分布范围减小。其次,基于3D-DIC测试获得的混凝土细观结构,利用Lattice模型模拟干燥条件下混凝土的非均匀应力应变及微裂纹分布,并用3D-DIC和真空注入荧光树脂法的测试结果分别验证了混凝土非均匀应变和干燥收缩裂纹分布的模拟结果。结果表明:(1)粗骨料集中的地方,混凝土的干燥收缩变形小。(2)混凝土中粗骨料粒径越大,混凝土的整体收缩变形减小,但会增加了微裂纹的数量。(3)粗骨料体积的增加,虽然能降低混凝土的干燥收缩变形,但会增加微裂纹的数量。(4)连续级配粗骨料不仅降低了混凝土的整体变形,而且会降低了开裂的风险。混凝土中非均匀应力的模拟结果表明:较大的残余压应力和拉应力分布在粗骨料-砂浆界面处,较小的残余压应力和拉应力位于裂缝位置,而部分较小的残余拉应力位于骨料之间浆体富集区。随着混凝土中大粒径粗骨料数量的增加,残余拉应力随着减少。随着混凝土中粗骨料体积含量的增加,残余拉应力也随着减少。最后,以含有残余应力、应变和初始裂缝的混凝土为研究对象,利用Lattice模拟研究了残余应力应变和初始裂缝对混凝土单轴拉伸过程中裂缝形成和扩展的影响。结果表明:(1)不考虑初始裂缝时,拉伸荷载作用下混凝土中裂缝都是从抗拉强度最低的砂浆-粗骨料界面形成,沿着界面发展。仅考虑初始裂缝时,混凝土的最大荷载力急剧降低以及达到最大荷载的位移降低,相应地混凝土的断裂能减小;初始裂缝成为起裂点,改变了宏观裂纹的位置。(2)当考虑非均匀应力应变时,含有初始裂缝混凝土的最大荷载力增加了22%,达到最大荷载力的位移增大了1.25倍,相应的断裂能增加了10%。(3)此外研究了考虑初始裂缝和非均匀应力应变时,不同粗骨料级配和体积混凝土单轴拉伸过程中力学性能、裂缝形成和扩展特性。模拟结果表明:适当增加粗骨料体积会增加混凝土的最大荷载力,增大达到最大荷载的位移和断裂能。