混凝土基體材料斷裂特性試驗研究

朱 榆， 徐世烺， 趙 瑾

（1.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連 116024；2.遼寧省建設科學研究院，遼寧沈陽 110005；3.沈陽鐵道勘察設計院有限公司，遼寧沈陽 110013）

0 引 言

斷裂力學應用到水泥基材料始于20世紀60年代.隨著40多年來研究工作的不斷進行，人們對其認識愈來愈深入.很多學者預言斷裂力學將繼彈性力學及塑性力學之后成為指導結構設計尤其是混凝土結構設計的第三次革命性的理論工具.我國早在80年代初，在潘家錚院士的大力倡導下開始斷裂力學的研究工作，取得了很多可喜的研究成果，并在2005年制定了《水工混凝土斷裂試驗規程》［1］.在該規程中，雙K斷裂理論是主要的理論基礎.它是由徐世烺等［2～5］在實驗研究的基礎上，結合所獲得的虛擬裂縫解析解而提出的斷裂過程判據.其不僅形式簡單理論完備，能定量描述混凝土裂縫擴展斷裂特性，而且具有較高的可操作性.

混凝土是一種由硬化水泥漿基體、骨料及基體與骨料間的過渡區組成的復合材料，其承載力及性質取決于各項的性質和它們之間的相互作用.為了更好地研究混凝土材料的斷裂特性，各國學者從不同方面研究了混凝土中各組分對其斷裂性能的影響［6～9］.其中，骨料的種類和級配、骨料與基體的黏結性能及骨料和基體的自身性能對混凝土斷裂性能影響的研究較多，而對基體自身斷裂特性的研究卻非常有限.水泥凈漿和水泥砂漿是混凝土的基體成分，了解它們的基本斷裂特性對于研究混凝土材料的斷裂性能及提高混凝土的斷裂性能具有十分重要的意義.為此本文基于三點彎曲梁試驗，采用不同尺寸、不同強度的水泥凈漿和水泥砂漿試件，以雙K斷裂理論為主要理論基礎，研究和分析水泥凈漿和水泥砂漿的基本斷裂特性.

1 試驗概況

1.1 試件制作

本文采用圖1所示的三點彎曲梁試件形式對水泥凈漿和水泥砂漿進行了斷裂研究，分別按強度系列和尺寸系列設計了3組試件，各組試件的尺寸及水灰比見表1，每組試件中每系列取6個.

圖1 三點彎曲切口梁試件形式Fig.1 Configuration of three－point bending notched beam

表1 試件尺寸、水灰比及抗壓強度Tab.1 The dimension，water－cement ratio and compressive strength of each set of specimens

1.2 試驗裝置及過程

采用具有液壓伺服控制功能的試驗機按圖1所示的方式布置加載.試驗采用位移加載控制.為了測量裂縫口尖端附近區域應變場的變化情況及捕捉起裂荷載，在試件兩面從預制縫尖端開始以預制縫延長線為對稱軸，成對等間距布置了電阻應變片（1－1～1－5），每對應變片與另外一對布置在相同組成材料的試件上的補償片構成一個全橋回路.除尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試件外，其余尺寸試件還在預制縫的延長線上等間距布置了電阻應變片（2－1～2－4），每個應變片與另外一個布置在相同組成材料的試件上的補償片構成一個半橋回路.所用應變片的規格為10 mm× 2 mm，電阻應變片測點布置見圖2.所有應變片的上下間距均為10 mm，全橋應變片的水平間距如圖2所示，半橋應變片的對稱軸與預制縫的延長線重合.其中，試件兩面預制縫尖端處的兩對電阻應變片1－1和1－5用來測定起裂荷載Pini，其余的應變片用來觀測裂縫擴展過程.

圖2 應變片布置圖Fig.2 Arrangement diagram of the electric strain gauges

2 試驗結果及分析

2.1 水泥凈漿的穩定裂縫擴展及試驗所得的PCMOD曲線

由于缺少對水泥凈漿（硬化水泥漿）的了解，很多學者都認為它是一種理想的脆性材料［10、11］，一經起裂便會失穩破壞.然而水泥凈漿起裂后并沒有馬上發生脆性破壞，而是經過了一個穩定的裂縫擴展過程（亞臨界擴展），這個過程在試驗中可以很清晰地用肉眼觀察到（見圖3）.圖4（a）列出了相同強度（水泥凈漿為42.77 MPa，水泥砂漿為47.75 MPa，混凝土為44.65 MPa，本文近似認為三者抗壓強度相同）、相同尺寸（100 mm×100 mm×400 mm）的水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土的P－CMOD曲線圖.從中也可以看出三者表現出相似的P－CMOD曲線形狀，且都可以分為3個部分：（1）試件開裂前的線彈性階段；（2）試件開裂后至失穩破壞前裂縫穩定擴展的非線性階段；（3）試件失穩破壞后的裂縫失穩擴展階段.雖然三者的P－CMOD曲線具有如上的共性，但抗壓強度相同時，混凝土承受的極限荷載大于水泥砂漿的，二者的極限荷載又遠大于水泥凈漿的.當試件開裂后，對于具有相同裂縫口張開寬度的混凝土、水泥砂漿和水泥凈漿，三者承受的荷載依次遞減.當試件失穩破壞時，混凝土和水泥砂漿的裂縫口張開位移均大于水泥凈漿的.從這些現象可以看出，雖然三者抗壓強度相同，但由于混凝土和水泥砂漿中摻入的骨料在抵抗裂縫擴展時也要發生作用，體現出更好的斷裂性能，承載能力也得到了顯著的提高.雖然本試驗采用的硅砂粒徑很小（最大粒徑為1.2 mm），但作為骨料摻入水泥凈漿中對其斷裂性能的提高效果也非常顯著.

圖3 試驗中觀察到的水泥凈漿裂縫的穩定擴展Fig.3 Stable crack propagation in hardening cement paste observed during the test

圖4（b）～（f）分別列出了不同強度、不同尺寸類型（A、C兩種尺寸）的水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土的P－CMOD曲線.從中可以看出，當抗壓強度增加時，曲線的峰值及其所包圍的面積都有所增大，這表明隨著抗壓強度的提高，試件失穩破壞時的極限承載力以及斷裂過程中所需的能量都會提高，試件抵抗裂縫擴展的能力也會提高.此外，隨著抗壓強度的增加，A類型的水泥凈漿PCMOD曲線的下降段變陡，當試件失穩破壞時，相應的裂縫口張開位移有所減小，這表明沒有摻加骨料的水泥凈漿隨著抗壓強度的提高所表現出的脆性更加明顯，這對試件的斷裂性能是不利的.但對于C類型的水泥凈漿試件來說，這一特性表現得并不明顯，這是由于試件尺寸增大，收縮對它們的影響更加顯著，收縮裂縫的存在，導致它們的裂紋擴展路徑發生不同的變化，進而使P－CMOD曲線的下降段發生改變.對于相同尺寸的試件，強度為20系列的混凝土的極限承載力大于強度為60系列的水泥砂漿的極限承載力，而強度為20系列的水泥砂漿的極限承載力又遠大于強度為60系列的水泥凈漿的極限承載力.

圖4 試驗所得P－CMOD曲線Fig.4 P－CMOD curves obtained from the test

從圖5中也可以看出，當強度相同時，水泥凈漿和水泥砂漿的P－CMOD曲線形狀受試件尺寸的影響較大，試件尺寸越大，P－CMOD曲線所包圍的面積越大，對于相同的裂縫口張開位移，試件尺寸越大，所承受的荷載就越大.綜合圖4和圖5可以看出試件尺寸對P－CMOD曲線的影響比強度的影響更為顯著.

圖5 不同尺寸的水泥凈漿和水泥砂漿P－CMOD曲線Fig.5 P－CMOD curves of different sizes of cement paste and mortar

2.2 起裂荷載Pini的確定原理

由上可知，根據試件兩面預制縫尖端處的兩對電阻應變片1－1和1－5測得的P－ε曲線便可確定起裂荷載Pini.圖6給出了P20A系列和M20A系列試件的預制縫尖端處應變片采集到的Pε曲線，并給出了確定起裂荷載Pini的圖示.從中可以看出，在P－ε曲線上，隨著荷載的增加，預制縫尖端處的應變也隨著增加，為拉應變，且二者基本呈線性關系；當拉應變增加到峰值時便不再增加，而荷載繼續增加，此時試件預制縫尖端處的材料由于應力集中而開裂.試件開裂后，預制縫尖端兩側材料卸載，拉應力逐漸減小，應變片回縮，甚至出現壓應變.因此，縫端處拉應變達到最大值時對應的荷載即為該試件的起裂荷載.從圖中可以看出試件兩面不一定同時開裂，所以試件的起裂荷載取應變片1－1和1－5所測得的起裂荷載的平均值，各組試件的起裂荷載列于表2.采用此方法確定起裂荷載比在P－CMOD曲線上找出線性與非線性分界點所對應的荷載值確定的起裂荷載更為直觀和簡便，精確度也更高.

2.3 起裂荷載Pini與最大荷載Pmax

根據試驗所測得的P－ε曲線找出每個試件的起裂荷載Pini，并在P－CMOD曲線上找出相應的最大荷載Pmax，將每系列試件的平均值列于表2.

從表2中Pini與Pmax的比值也可以看出水泥凈漿在斷裂過程中存在著穩定的裂縫擴展過程，二者比值越小，說明水泥凈漿和水泥砂漿從起裂到失穩破壞所經歷的亞臨界擴展過程越長.嚴格意義上講，水泥凈漿和水泥砂漿起裂荷載與最大荷載的比值隨著強度的增加基本上呈現上升的趨勢，這表明強度越高，試件的脆性越明顯，亞臨界擴展階段也就越短.

圖6 P20A系列及M20A系列試件起裂荷載的確定圖示Fig.6 Determination of the initial cracking load for specimens of series P20A and M20A

表2 試驗結果Tab.2 Testing results

圖7為試件尺寸對相同強度的水泥凈漿和水泥砂漿起裂荷載與最大荷載比值的影響.在試件強度和初始縫高比都相同的情況下，試件尺寸越大，比值就越小.因此，對大尺寸試件，裂縫起裂得較早，裂縫穩定擴展過程也較長，這與混凝土的規律也比較一致［12］.

圖7 Pini／Pmax與試件高度的關系Fig.7 Relationship between Pini／Pmax and the depth of specimens

2.4 起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度

對于標準三點彎曲梁試件，根據從試驗中得到的起裂荷載Pini和最大荷載Pmax等參數，就可以利用雙K斷裂理論分別計算試件的起裂斷裂韌度與失穩斷裂韌度，結果列于表2.從表中可以看出，水泥凈漿和水泥砂漿的起裂韌度和失穩韌度值均隨著抗壓強度的提高而增大，這表明隨著強度的提高，水泥凈漿和水泥砂漿起裂和失穩所需要的能量都會增加，試件抵抗裂縫的擴展能力也會增強，這與前面得出的結論是一致的.另外也可以看出，對于相同強度和相同尺寸的水泥凈漿和水泥砂漿試件來說，前者的失穩韌度低于后者的起裂韌度，進一步表明水泥凈漿中由于加入了骨料，水泥凈漿的斷裂韌度有了很大的提高，大大增強了基體抵抗裂紋擴展的能力.通過起裂韌度與失穩韌度之間的差值也可以看出，水泥凈漿和水泥砂漿起裂后并沒有馬上失穩破壞，而是經過了一段裂縫擴展階段才達到它們的失穩斷裂韌度.

3 結 語

通過對兩種最基本的混凝土基體材料水泥凈漿和水泥砂漿三點彎曲梁的試驗研究，發現水泥凈漿并不是理想的脆性材料，一經起裂便馬上失穩破壞，而是在破壞前存在一個穩定的裂縫擴展過程，且強度越高，這個過程越短.水泥凈漿和水泥砂漿試件的P－CMOD曲線受強度和試件尺寸的影響較大，并且受試件尺寸的影響更為顯著.在強度和初始縫高比相同的情況下，試件尺寸越大，起裂越早，裂縫穩定擴展階段也越長.此外，本文所采用的全橋式應變片測點布置方法，由于避開了預制縫的中心線，在整個試驗過程中可以完整地監測到測點處的應變規律，應變信號不易中斷.而且采用此法也使得試件在由受拉至產生裂縫時應變片的靈敏度系數提高，從而使得儀器反應更為靈敏，所以可以更準確地測量起裂荷載.

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