混凝土斷裂研究中預制裂縫影響探討

宋　宸　鄭淑文　王學志

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州　121001)

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混凝土斷裂研究中預制裂縫影響探討

宋宸鄭淑文王學志

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州121001)

對混凝土斷裂試驗中預制裂縫作了研究，通過比較分析兩組試驗數據及另一組試驗現象，探討了預制縫對試件擴展的影響，得出了一些結論，為類似問題的研究奠定了基礎。

混凝土，預制裂縫，斷裂力學，三點彎曲梁

0　引言

斷裂力學最早是由于金屬制品的非正常斷裂而引起一些學者重視，經過長時間的研究，斷裂力學在金屬等斷裂方面已經比較成熟，且在實際中應用較好。然而，斷裂力學在混凝土斷裂方面的研究相對較晚，1961年Kaplan[1]首次將斷裂力學應用于混凝土，此后混凝土斷裂的研究才引起重視。至今，國內外學者在混凝土斷裂性能研究方面做出眾多的貢獻[2-10]。在混凝土斷裂研究的試驗方面，國內外常用的方法有三種：緊湊拉伸法、三點彎曲梁法、楔入劈拉法，為了解決普通楔入式劈拉法在裂縫尖端產生一定的彎矩和沒有其相應的斷裂能計算方法，又引入了一種楔入式緊湊拉伸法。該方法解決了縫端彎矩問題，其計算過程可與緊湊拉伸法相同。

混凝土作為一種多項復合材料，其自身性質、力學性能都比較復雜。不同于金屬、巖石等材料單一結構的力學特性，混凝土需要考慮多種材料的力學特性并將它們復合而且不是簡簡單單的力學性能疊加。這一特點就決定了對混凝土的斷裂性能研究不能單純的仿效金屬和巖石。

1　混凝土斷裂力學試驗構件的預制縫

在應用混凝土斷裂力學分析裂縫問題時，一般通過外荷載作用造成的裂縫尖端應力場的分析，求得應力強度因子或能量釋放率，再根據斷裂韌度指標判斷結構的穩定性[11]。混凝土結構本身就是帶裂縫工作，現在為了研究斷裂問題人們在試件上預制裂縫，已達到預期的研究效果。目前的試驗條件下，無論采用哪一種試驗方法，預制縫的制作大同小異。這種方式制作的預制縫相對于試件是不容忽視的“大縫”。

圖1　混凝土三點彎曲梁

以三點彎曲梁為例(見圖1)，該種試件可看作為一根梁，在梁中下部有一個寬3 mm的裂縫。在GB 50010—2010混凝土結構設計規范中，對結構裂縫寬度的最大限值為0.4 mm，所以從這個角度看其完全超出了安全范圍。但我們考慮的并不是這些，而是裂縫尖端應力場的分析。因為裂縫兩側沒有粘聚力的作用，把裂縫尖端沿梁方向將梁劃分開，取上半部分用材料力學的方式處理,當構件截面上拉應力大于其抗拉應力時，構件就發生了破壞。

由材料力學方式計算得到梁破壞時的荷載公式：

F0=2t(h-a0)σt/3S

(1)

式中：F0——梁破壞時的荷載；

t——梁截面寬度；

h——梁截面高度；

a0——裂縫高度；

σt——混凝土的抗拉強度；

S——梁的有效長度。

文獻[12]進行了非標準混凝土三點彎曲梁的試驗，利用其試驗數據，配制C35混凝土，配合比例為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶石∶UC-Ⅱ=0.7∶0.12∶0.16∶2.04∶2.81∶0.01，經其實測發現混凝土抗壓強度為41.5 MPa，查GB 50010—2010混凝土結構設計規范發現其強度達到C65混凝土強度，因此在處理數據時取σt=2.93 MPa。考慮混凝土自重時，取其密度2 500 kg/m3，經計算其結果與不考慮自重的式(1)相差很小，故計算時沒有考慮自重。計算結果見表1。

表1　試件尺寸及計算結果(一)

由表1數據可近似認為利用材料力學方法得到的破壞荷載即為裂縫模型中的最大荷載。

同理，處理文獻[13]中的數據，其混凝土配合比例為水泥∶水∶砂子∶石子=1∶0.48∶1.33∶2.47，其實測抗壓強度為46.8 MPa，取σt=3.04 MPa。計算結果見表2。

表2　試件尺寸及計算結果(二)

綜合考慮處理后的文獻[12][13]的結果，F0與Fun沒有統一起來，但在此并不能否定該想法，因為兩文獻的混凝土等級、配合比、尺寸等都不相同。在很大程度上可以考慮是由于構件截面面積大小和高厚比的原因，導致在截面上應力的分布出現較大差異。

2　預制縫對構件斷裂的影響

我們在制作構件中裂縫時已經預先期望了構件開裂的方式，但有時卻不那么理想。從應力角度考慮構件的破壞，構件破壞是先由構件最薄弱的地方開始破壞，而最薄弱的地方應該是指某一處的應力與該處阻止其破壞的抗力的比值最大處。在構件中預制了裂縫且其他部位制作良好，我們可以認定在預制裂縫的縫尖處會是應力集中的最大區域，即破壞應從裂尖處開始。圖2是幾種混凝土斷裂力學試驗構件的斷裂破壞形式[14]。

圖2　試件破壞形式

圖2a)和圖2b)兩個試件的破壞與之前預期的基本一致；圖2c)和圖2d)兩個試件的破壞則是發生了一些偏離；圖2e)試件就是一種非正常的破壞，是預想不到的。這里面有些試件按照預期斷裂方式發生了破壞，而有些發生了偏離的破壞甚至非正常破壞。其原因是混凝土構件本身就可能含有微裂縫，且混凝土本身是離散非均勻的材料。在預制裂縫的尖端，我們無法確定混凝土是否有微裂縫存在及裂紋的位置，同樣無法預知骨料的位置。如果預制裂縫尖端有微裂縫，在此處的應力集中又會發生應力重分布，從而導致新的應力集中點的產生。同樣，如果裂縫尖端有粗骨料，裂縫也會沿著更薄弱的部位發展。因此，上面的各種破壞形式集中反映了各種因素對裂紋擴展的影響。若要研究混凝土的斷裂機理，就必須考慮混凝土中大量裂縫相互作用的影響。

3　結語

本文從對已有實驗結果分析和實驗現象的探討兩個方面對混凝土預制裂縫影響進行了探討，得到如下結論：

應用材料力學上的觀點與三點彎曲梁法做一對比，兩種方法沒能夠完全統一。原因可能是混凝土本身的脆性、構件尺寸等導致的。在大尺寸試件中，二者有一定的統一關系，而且比較理想；在小尺寸試件中，縫高比小于0.6時，二者也存在統一的關系。如果對其他形式或尺寸的試件也能夠建立統一的關系，則可以簡化混凝土斷裂性能的研究。

混凝土中含有大量的裂紋，當混凝土受到荷載作用時，裂縫之間相互作用，構件中應力也經歷多次的重分布，最終在構件最薄弱處發生破壞。在混凝土斷裂研究的試驗中，應該加強預制裂縫處的混凝土的處理，盡量減少由于構件自身原有裂紋的出現而影響研究結果的準確性。但也應該注意到有一些問題是無法避免的，如粗骨料的影響。

[1]KAPLAN.M.F.Crackpropagationandthefractureofconcrete[J].JournaloftheAmericanConcreteInstitute，1961，58(5)：591-610.

[2]HILLERBORG.A.Analysisofcrackformationandcrackgrowthinconcretebymeansoffracturemechanicsandfiniteelements[J].CementandConcreteResearch，1976(6)：773-782.

[3]BAZANT.Z.P.Crackbandtheoryforfractureofconcrete[J].MaterialsandStructure，1983，16(93)：155-177.

[4]JENQ.Y.S,SHAH.S.P.Afracturetoughnesscriterionforconcrete[J].EngineeringFractureMechanics，1985，21(5)：1055-1069.

[5]JENQ.Y.S,SHAH.S.P.Twoparameterfracturemodelforconcrete[J].JournalofEngineeringMechanics,1985,111(10)：124-127.

[6]Bazant.Z.P,Kazemi.M.T.Determinationoffractureenergy,processzonelengthandbrittlenessnumberfromsizeeffect,withapplicationtorockandconcrete[J].InternationalJournalofFracture,1990(44):111-131.

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[10]HILLEMEIER.B,HILSFORF.H.K.Fracture mechanics studies on concrete compounds[J].Cement and Concrete Research,1977,7(5):523-536.

[11]徐世烺.混凝土斷裂試驗與斷裂韌度測定標準方法[M].北京：機械工業出版社，2009：24.

[12]范向前,胡少偉,陸俊.非標準混凝土三點彎曲梁雙K斷裂韌度試驗研究[J].建筑結構學報，2012，33(10)：20-25.

[13]榮華,董偉,吳智敏,等.大初始縫高比混凝土試件雙K斷裂參數的試驗研究[J].工程力學，2012，29(1)：162-167.

[14]肖克見.水壓力和軸力聯合作用下常態混凝土的斷裂試驗研究[D].錦州：遼寧工業大學，2013.

Discussion on effect of precast crack in fracture research of concrete

Song ChenZheng ShuwenWang Xuezhi

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China)

Precast crack of concrete in fracture test were discussed simply. Effect of precast crack of concrete to crack propagation were discussed by comparison of two sets of test results and analysis of other experimental phenomenon, drawn some conclusions, laid foundation for the research of same kind of problem.

concrete, precast crack, fracture mechanics, three point bending beam

1009-6825(2016)21-0057-03

2016-05-18

宋宸(1994- )，男，在讀本科生

TU312.3

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