粗骨料粒徑和水膠比對大壩混凝土斷裂參數的影響

趙志方，饒俊波，王衛侖，潘存鴻

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；

3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

粗骨料粒徑和水膠比對大壩混凝土斷裂參數的影響

趙志方1，饒俊波1，王衛侖2，潘存鴻3

(1.浙江工業大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014；2.深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；

3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

摘要：采用三峽大壩混凝土的施工配合比，制作了5組20個尺寸相同的混凝土試件，進行三點彎曲梁斷裂試驗，研究粗骨料粒徑和水膠比對混凝土斷裂參數的影響.實驗結果表明：隨粗骨料粒徑的增大，混凝土失穩韌度增大，混凝土抵抗失穩破壞的能力增強，起裂韌度、斷裂能和特征長度均呈現出先增大后減小的趨勢.水膠比的增大，混凝土起裂韌度、失穩韌度和斷裂能均減小，混凝土抵抗開裂、失穩破壞及裂縫擴展的能力均降低,特征長度增大，即增大水膠比能使混凝土延性得到改善.

關鍵詞：大壩混凝土；粗骨料粒徑；水膠比；斷裂參數；三點彎曲梁試驗

Influence of coarse aggregate size and water-to-binder ratio on

fracture parameters of dam concrete

ZHAO Zhifang1，RAO Junbo1，WANG Weilun2，PAN Cunhong3

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；

2.Shenzhen University, School of Civil Engineering, Shenzhen 518060, China；

3.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China)

Abstract:In this paper, 5 groups or a total 20 three-point bending notched beam specimens with dimension of 120 mm×300 mm×1 300 mm , which employed the construction mix proportions of the Three Gorges dam project concrete were made. In order to investigate the influence of coarse aggregate size and water-to-binder ratio on fracture parameters of dam concrete, three-point bending tests were carried out. The results showed that the unstable fracture toughness increases with an increase in coarse aggregate size. The initial fracture toughness, fracture energy and characteristic length increase up to the second largest aggregate size and drops slightly at the largest size and the asymptotic behavior of the aboved parameters over the aggregate size is observed. The initial fracture toughness, unstable fracture toughness and fracture energy of concrete decrease and the characteristic length increase with an increase in water to binder ratio. It means that the ability to resist crack propagation and the brittleness of concrete all reduced with an increase in water to binder ratio.

Keywords:dam concrete; coarse aggregate size; water-to-binder ratio; fracture parameters; three-point bending test

混凝土的粗骨料粒徑和水膠比對其斷裂韌度、斷裂能和特征長度等力學性能有重要影響，近年來受到各國學者的關注[1-8].對于粗骨料粒徑對斷裂參數影響的研究，一些學者把重點放在粗骨料粒徑為20 mm范圍一級配混凝土上[1-4]，而對大于20 mm粒徑粗骨料對斷裂參數影響的研究還不多，既有的少量研究把重點放在斷裂韌度上[5]，對斷裂參數的研究不全面.國內外學者在水膠比對混凝土斷裂參數影響研究方面做的工作亦不多，且得出的結論存在較大的差異.Petersson[4]研究結果表明：斷裂能隨水膠比的增大呈先增后減的趨勢，當水膠比超過0.4時，斷裂能開始減小；Jo和Tae[6]研究結果表明：隨水膠比的降低，混凝土斷裂能和脆性會增大；而Carpinteri和Brighenti[7]認為太高和太低的水膠比都會使混凝土斷裂能減小.且有關大壩混凝土斷裂性能方面的試驗研究尚比較缺乏，公開報道的少量文獻研究重點亦僅關注斷裂參數測試方法[8].綜上，粗骨料粒徑和水膠比對混凝土斷裂參數的影響規律需要進一步的研究與探討.

采用三點彎曲切口梁試驗，由獲得的試驗數據確定混凝土斷裂韌度(雙K斷裂參數)、斷裂能和特征長度，由此研究粗骨料粒徑和水膠比對大壩混凝土斷裂參數的影響.

1試驗研究

1.1試驗材料和配合比

混凝土配合比見表1.其中水泥為葛洲壩荊門水泥廠生產的中熱525#，粉煤灰為山東鄒縣熱電廠生產的Ⅰ級粉煤灰，減水劑采用北京冶建JG3，引氣劑采用石家莊外加劑廠DH9，粗骨料為三峽古樹嶺人工骨料加工系統的人工碎石，細骨料為三峽下岸溪人工砂，用三峽飲用水拌合.水膠比為0.35~0.50，粗骨料粒徑為10~40 mm.

表1　混凝土配合比

1.2試件設計與制作

為研究粗骨料粒徑對混凝土斷裂參數的影響，設計了三組粗骨料粒徑分別為10，20，40 mm的三點彎曲梁試件組(試件組編號依次為TPB1，TPB2，TPB5)；同時為研究不同水膠比對混凝土斷裂參數的影響，設計了水膠比為0.5，0.45，0.35三組系列混凝土試件組(試件組編號依次為TPB2，TPB3，TPB4).每組制作4個試件，只要試驗成功3個即可.

三點彎曲切口梁試件形狀如圖1所示.本試驗共澆筑5組20個試件(每組4個試件)，試件尺寸為B×D×L=120 mm×300 mm×1 300 mm，初始縫長為a0=120 mm，縫寬2 mm.同時制作同批次混凝土的150 mm×150 mm×150 mm立方體和φ150 mm×300 mm圓柱體試件，用于測試混凝土的基本力學性能.

圖1　三點彎曲切口梁示意圖Fig.1　Sketch of three point bending notched beam

試件在三峽泄洪壩施工現場制作，分別采用自落式攪拌機和軟管振動器來攪拌和振搗混凝土，試件澆筑24 h后拆模.用草袋覆蓋，灑水養護28 d，在自然環境中養護.

1.3基本力學性能試驗和三點彎曲梁試驗

1.3.1基本力學性能試驗

按照DL/T5150—2001《水工混凝土試驗規程》[9]測試和三點彎曲梁同批次混凝土的150 mm×150 mm×150 mm立方體抗壓強度fcu及劈裂抗拉強度fts，φ150 mm×300 mm圓柱體抗壓強度fc、彈性模量Ec和泊松比γ，結果見表2.

表2　基本力學性能試驗結果

1.3.2三點彎曲梁試驗

三點彎曲梁試驗采用位移控制加載，加載速率為0.15 mm/min.采用型號為BLR-1的荷載傳感器，量程為100 kN，測量精度≤最大荷載的2%，測試斷裂試驗過程中的荷載參數值.同時采用日本產型號為CDP-5位移傳感器，量程為5 mm，精度為0.5 μm，測試裂縫口張開位移(CMOD).試驗數據的采集與記錄由兩臺聯用的8通道DH5937動態應變測試系統來完成，整個斷裂試驗穩定進行，得到了完整的荷載—變形曲線.

由三點彎曲梁試驗，測得試件的荷載—裂縫口張開位移(P—CMOD)曲線和荷載—梁跨中位移曲線(P—δ).部分試件實測的P—CMOD曲線和P—δ曲線分別見圖2，3.

圖2　試驗實測的P—CMOD曲線Fig.2　The measured P-CMOD curves

圖3　試驗實測的P—δ曲線Fig.3　The measured P-δ curves

2混凝土斷裂參數的確定

2.1雙K斷裂參數

起裂韌度和失穩韌度是評價混凝土斷裂性能的重要參數，分別用于判定混凝土的起裂和失穩.由三點彎曲梁實測的P—CMOD曲線，根據徐世烺教授[10]提出的雙K斷裂模型理論，可得雙K斷裂參數：起裂韌度和失穩韌度，結果列于表3.

2.2斷裂能的確定

混凝土斷裂能為裂紋擴展單位面積所需要消耗的能量，能較好地體現材料抵抗裂縫擴展的能力，是混凝土斷裂力學中的一個重要參數.基于斷裂功原理，采用RILEM[11]推薦的方法根據三點彎曲切口梁實測的P—δ曲線確定混凝土斷裂能GF，可按公式求得

(1)

其中：W0為施加于梁跨中的外荷載所做的功；mg為梁自重；δmax為梁跨中最大撓度；A0為梁韌帶面積.

2.3特征長度的確定

特征長度lch用來表征混凝土的脆性特性，其值越小，混凝土的脆性就越大[12]，可由下式計算而得

(2)

式中：E為彈性模量；ft為混凝土抗拉強度.

根據上述計算方法，結合三點彎曲梁試驗可得混凝土試件的斷裂參數，結果見表3，表3中所列的數據為每組試件的平均值.

表3三點彎曲切口梁試件組斷裂參數

Table3Fractureparametersofthree-pointbendingnotchedbeamspecimengroups

試件組編號起裂韌度/(MPa·m1/2)失穩韌度/(MPa·m1/2)斷裂能/(N·m-1)特征長度/mmTPB10.5891.363267.58420.89TPB20.961.703291.631083.01TPB31.0171.873311.79778.16TPB41.1221.923332.24328.98TPB50.8531.826268.47808.29

3試驗結果與分析

3.1粗骨料粒徑對斷裂參數的影響

圖4給出了雙K斷裂參數與粗骨料粒徑的變化關系.其中混凝土起裂韌度隨著粗骨料粒徑的增大呈現先增后減的趨勢，當粗骨料粒徑為20 mm時起裂韌度值為0.96 MPa·m1/2，此時混凝土抵抗開裂縫的能力較大；當粗骨料粒徑由10 mm增大到40 mm，失穩韌度從1.363 MPa·m1/2增大到1.826 MPa·m1/2，增幅為34%，表明失穩韌度隨粗骨料粒徑的增大而增大，即混凝土抵抗裂縫失穩破壞的能力得到提升.

圖4　雙K斷裂參數隨粗骨料粒徑的變化Fig.4　The relationshiop between double K fracture parameters and aggregate size

從圖5中混凝土斷裂能與粗骨料粒徑變化關系曲線可知：當粗骨料粒徑從10 mm增大到20 mm時，試件組斷裂能由267.58 N/m增到291.63 N/m，而當粗骨料粒徑由20 mm增大到40 mm時，斷裂能則從291.63 N/m減小到268.47 N/m.可知當粗骨料粒徑為20 mm時，斷裂能較大，此時混凝土抵抗裂縫擴展的能力較大.上述現象可解釋為：隨著粗骨料粒徑的增大，斷裂路徑變得更曲折，需要消耗更多能量用于裂縫的發展，即表現為斷裂能的增大.然而隨著骨料粒徑的進一步增大，混凝土在振搗過程中容易發生離析，在粗骨料的周圍會形成較厚的水膜，使得粗骨料與水泥漿基體的粘結減弱，從而使斷裂能降低.

圖5　斷裂能隨粗骨料粒徑的變化Fig.5　The relationshiop between fracture energy and aggregate size

圖6　特征長度隨粗骨料粒徑的變化Fig.6　The relationshiop between characteristic length and aggregate size

圖6表明：當粗骨料粒徑從10 mm增大到20 mm時，試件組特征長度由420.89 mm增到1 083.01 mm，但當最大骨料繼續增大到40 mm，試件組特征長度則由1 083.01 mm下降到808.29 mm.可知特征長度在粗骨料粒徑為20 mm時較大，此時混凝土韌性較大.上述現象可以解釋為：隨著粗骨料粒徑的增大，斷裂路徑變得更曲折，粗骨料對主裂紋界面有更大的橋接作用，混凝土梁斷裂過程中需要克服粗骨料從基材中拔出而產生的摩擦作用變大，即混凝土延性變好.但隨著骨料粒徑的進一步增大，骨料與水泥漿基體結合面中初始缺陷也會隨之增加，使得骨料與水泥漿基體的粘結降低，骨料的內鎖和橋接作用下降，表現為混凝土脆性的增大.

3.2水膠比對斷裂參數的影響

圖7為雙K斷裂參數與水膠比的變化關系曲線.其中起裂韌度、失穩韌度均隨水膠比的增大而減小，當水膠比由0.35增大到0.5時，起裂韌度由1.122 MPa·m1/2減小到0.96 MPa·m1/2，減幅為14%，失穩韌度由1.923 MPa·m1/2較小到1.703 MPa·m1/2，減幅為11%，說明混凝土抵抗開裂和失穩破壞的能力均隨水膠比的增大而降低.

圖7　雙K斷裂參數隨水膠比的變化Fig.7　The relationshiop between double K fracture parameters and water-binder ratio

從圖8可知:當水膠比由0.35增大到0.5時，斷裂能由332.24 N/m減小到291.63 N/m，減幅為12%，說明混凝土抵抗裂縫擴展的能力隨水膠比的增大而降低.其原因在于隨著水膠比的減小，混凝土基體越密實，孔隙率越低，粗骨料與硬化水泥漿體結合緊密，混凝土抵抗斷裂的能力越強.

圖8　斷裂能隨水膠比的變化Fig.8　The relationshiop between fracture energy and water-binder ratio

由圖9可知：當水膠比由0.35增大到0.5，特征長度由328.98 mm增大到1 083.01 mm，表明混凝土脆性隨著水膠比的增大而減小，且變化顯著，即增大水膠比能使混凝土延性得到明顯改善.其原因為：隨著水膠比的增加，界面過渡區變得更脆弱，粗骨料與水泥漿體間粘結變弱，更多的粗骨料從混凝土基體中拔出，這使得斷裂面變得凹凸不平，而使延性變大.相反，隨著水膠比的降低，混凝土基體越密實孔隙率越低，粗骨料與硬化水泥漿體結合緊密，粗骨料發生斷裂，這使得斷裂面相對比較平滑，表現為粗骨料的橋接和內鎖作用減弱，即混凝土變脆.

圖9　特征長度隨水膠比的變化Fig.9　The relationshiop between characteristic length and water-binder ratio

4結論

通過混凝土三點彎曲試驗，研究了粗骨料粒徑和水膠比對混凝土斷裂參數的影響，結果表明：混凝土起裂韌度隨粗骨料粒徑的增大呈現先增大后減小的趨勢，當粗骨料粒徑為20 mm時，起裂韌度為0.96 MPa·m1/2，此時混凝土抵抗開裂能力較大；混凝土失穩韌度則隨粗骨料粒徑的增大而增大，表明混凝土抵抗裂縫失穩破壞的能力隨著粗骨料粒徑的增大而提高；混凝土斷裂能和特征長度隨粗骨料粒徑的增大呈現先增大后減小的趨勢，當粗骨料粒徑為20 mm時，斷裂能和特征長度均達到較大值，此時混凝土抵抗裂縫擴展的能力和延性均較大；混凝土起裂韌度、失穩韌度和斷裂能均隨水膠比的增大而減小，表明混凝土抵抗開裂、裂縫擴展和失穩破壞的能力均隨著水膠比的增大而減弱；混凝土特征長度隨水膠比的增大而增大，表明混凝土脆性隨水膠比的增大而減小，即增大水膠比能使混凝土延性得到改善.

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(責任編輯：劉巖)

中圖分類號：TV313

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2015)03-0270-05

作者簡介：趙志方(1970—)，女，河南洛陽人，教授，博士，研究方向為混凝土斷裂力學和綠色高性能大體積混凝土，E-mail:zhaozhifang7@126.com.

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51479178)；浙江省自然科學基金資助項目(LY14E090006)；廣東省濱海土木工程耐久性重點實驗室開放基金資助項目(GDDCE14-01)

收稿日期：2015-01-12