考慮尺寸及纖維摻量影響的高強混凝土斷裂能試驗研究

徐 平，鄭滿奎，王 超，丁亞紅，張敏霞，王興國，馬金一

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454003)

0 引 言

斷裂能Gf是混凝土材料一個重要的斷裂性能參數(shù)[1-2]，斷裂能參數(shù)值的確定一直是工程和科學(xué)領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點問題。測試混凝土斷裂能的方法有很多，其中國際結(jié)構(gòu)與材料研究聯(lián)合會(RILEM)推薦采用的三分點加載單邊切口梁(Single Edge Notched Beam，SENB)測試混凝土的斷裂能較為簡單[3]。研究發(fā)現(xiàn)，試件尺寸對三分點加載SENB試驗結(jié)果的影響較大，混凝土測試斷裂能具有明顯的尺寸效應(yīng)[4]。

混凝土的組成材料是影響斷裂能的關(guān)鍵，混凝土中加入鋼纖維能夠有效抑制混凝土裂紋擴展，改善高強混凝土的韌性，提高混凝土斷裂能。李英娜等[5]通過三點彎曲試驗分析了鋼纖維混凝土的破壞特性和荷載-撓度曲線特性，分析了鋼纖維混凝土彎曲破壞過程和特點。鋼纖維使峰值后的荷載-撓度曲線變得平緩，極限撓度值較素混凝土有明顯地提高[6]。高淑玲等[7]采用楔入劈拉試驗分析了混雜鋼纖維類型、纖維長度和纖維摻量對混凝土增強增韌的影響，結(jié)果表明隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土強度和斷裂韌度、斷裂能都得到提高。高丹盈等[8]利用三點彎曲法研究鋼纖維體積率和相對切口深度對鋼纖維混凝土作用力功以及斷裂能的影響，試驗結(jié)果表明鋼纖維混凝土作用力功和斷裂能隨鋼纖維體積率的增加而增加，隨相對切口深度的增加而減小。

鋼纖維混凝土斷裂能測試過程中，試件尺寸以及鋼纖維摻量都將影響測試結(jié)果。現(xiàn)有研究主要分析了鋼纖維摻量對混凝土斷裂性能的影響。但是，工程中纖維混凝土構(gòu)件的尺寸明顯大于實驗室試件，試件尺寸及鋼纖維摻量對混凝土測試斷裂能的影響有待深入探索。本文通過設(shè)計不同縫高比的幾何相似單邊切口梁試件，基于RILEM推薦的三分點加載試驗方法測試鋼纖維高強混凝土斷裂能，揭示試件尺寸、預(yù)制裂縫開口深度和鋼纖維摻量對高強混凝土斷裂能影響的變化規(guī)律，為鋼纖維高強混凝土斷裂能的測試及纖維混凝土構(gòu)件斷裂能的評定提供參考。

1 實 驗

1.1 試驗材料

試驗用原材料采用P·O 42.5硅酸鹽水泥，密度3.11 g/cm3；粉煤灰為一級粉煤灰，硅灰含硅量≥95%；細骨料為細度模數(shù)2.7的中砂，含泥量小于2%，表觀密度2.6 g/cm3；粗骨料為5～10 mm、10～20 mm碎石，按照質(zhì)量比3∶7合成為5～20 mm連續(xù)級配，表觀密度2.70 g/cm3，含泥量小于0.5%；減水劑采用聚羧酸高效減水劑(SP)，減水率>30%。鋼纖維為端鉤型，長度為20 mm，抗拉強度為2 000 MPa；拌合水為飲用水，鋼纖維摻量按體積百分比計算，試件混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg·m-3)

1.2 配合比設(shè)計及試件制作

本文設(shè)計了35組不同鋼纖維摻量、縫高比且跨高比(S/W= 4)的SENB試件，共132個。其中設(shè)計27組試驗每組4個試件，鋼纖維摻量ρf(體積分數(shù)，下同)分別為0%、2%、3%，試件尺寸L×W×B=550 mm×100 mm×100 mm，在縫高比a/W為0.05～0.7的范圍內(nèi)測試斷裂能，設(shè)計8組試驗每組3個試件，鋼纖維摻量分別為0%、2%，尺寸L×W×B分別為850 mm×200 mm × 100 mm及1250 mm×300 mm×100 mm，在縫高比a/W分別為0.2及0.5的條件下進行斷裂能測試，試件如圖1所示。混凝土制備過程中，先加入砂石、鋼纖維攪拌3 min，再加入水泥、硅灰、粉煤灰攪拌2 min，最后加入水、外加劑攪拌3 min，試件采用標準養(yǎng)護室養(yǎng)護。不同鋼纖維摻量的高強混凝土工作性能及強度如表2所示。

表2 混凝土的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of concrete

圖1 不同尺寸的SENB 試件Fig.1 SENB specimens with different size

1.3 斷裂能測試

采用額定負荷為100 kN的萬能試驗機對試件進行三點彎曲試驗，試驗裝置如圖2所示。試驗采用位移加載控制，速率為0.02 mm/min，加載壓頭直徑為30 mm，長為100 mm。儀器自動采集荷載-撓度曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)所得荷載-撓度曲線數(shù)據(jù)結(jié)合理論公式計算得到試驗測試斷裂能[3]。試驗加載示意圖如圖3所示，其中L為試件長度，S為試件的凈跨，W為試件高度，B為試件寬度，a為初始縫長度，W-a為SENB試件斷裂韌帶長度。

圖2 試驗裝置圖Fig.2 Test equipment diagram

圖3 單邊切口梁加載示意圖Fig.3 SENB loading schematic diagram

2 結(jié)果與討論

考慮到三點彎曲試驗過程中試件自重對結(jié)果的影響，本文采用式(1)計算試驗所得混凝土的測試斷裂能Gf[6]，各試件試驗結(jié)果如表3所示。

(1)

式中：W0為荷載-撓度曲線圍成的面積，N·m；m1為試件質(zhì)量，kg；S為試件凈跨，m；L為試件長度，m；m2為與試驗機不接觸但一直作用在試件上的加載裝置的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 N/kg；δ0為最大撓度，m；Alig為斷裂韌帶面積，mm2。

2.1 鋼纖維摻量對斷裂能的影響

在RILEM推薦的三分點加載單邊切口梁測試混凝土的斷裂過程中，試件的縫高比將影響測試結(jié)果。因此，試驗中設(shè)計采用試件尺寸S×W×B= 400 mm×100 mm×100 mm，分析不同縫高比及鋼纖維摻量下的測試斷裂能。

圖4揭示了鋼纖維摻量對不同縫高比試件斷裂能的影響規(guī)律。如圖4所示，隨著鋼纖維摻量的增加，摻有鋼纖維高強混凝土斷裂能平均值(Gsf)與未摻鋼纖維高強混凝土(ρf=0%)斷裂能平均值(Gf)比值(斷裂能增益比，Gsf/Gf)也隨之增加。在試件斷裂過程中，由于鋼纖維分散在混凝土中，纖維與水泥基體界面脫粘、拔出、機械咬合和摩擦滑移增大了裂縫擴展的阻力，使鋼纖維高強混凝土中的裂縫擴展吸收更多的能量。試驗表明，7種不同縫高比條件下，高強混凝土斷裂能都隨鋼纖維摻量(ρf)的增加而提高。在測試過程中，由于鋼纖維在混凝土中的分布具有隨機性，相同尺寸和縫高比試件的斷裂能測試結(jié)果具有一定的離散性，隨著纖維摻量的增加，測試結(jié)果的離散性增大，鋼纖維摻量為2%時，不同縫高比混凝土的斷裂能增益比Gsf/Gf為41.5～46.1；鋼纖維摻量為3%時，Gsf/Gf達到51.2～66.6。

圖4 不同鋼纖維摻量的斷裂能增益比Fig.4 Fracture energy gain ratio of different steel fiber content

圖5為不同纖維摻量和縫高比SENB試件的測試斷裂能增長變化規(guī)律。由圖5可知，當鋼纖維摻量由0%增加到2% 時，混凝土的斷裂能增長速度較快；當鋼纖維摻量由2%增加到3% 時，混凝土的斷裂能增長速度開始減慢，但測試斷裂能仍有顯著增加。對比28 d摻量為2%和3%的高強纖維混凝土的抗壓和抗拉強度可知(見表2)，當纖維摻量為3%的高強混凝土的抗壓強度和抗拉強度較纖維摻量為2%時略有下降。因此，纖維混凝土抗壓、抗拉強度的增長趨勢與斷裂能的增長趨勢不具備一致性。其主要原因是大摻量的鋼纖維混凝土在強度值峰后的延性較大，強度值峰后儲備有更大的斷裂能。

為揭示不同尺寸高強混凝土隨縫高比變化時，鋼纖維摻量對斷裂能變化的影響，本文對比分析了鋼纖維摻量ρf=0%和ρf=2%條件下，縫高比a/W由0.2增長至0.5時，不同高度幾何相似尺寸試件(S/W=4,W=100 mm, 200 mm, 300 mm)的斷裂能變化情況，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，未摻入鋼纖維(ρf=0%)條件下，在a/W=0.2時不同高度(W=100 mm, 200 mm, 300 mm)幾何相似試件的測試斷裂能平均值分別為158.84 N/m、326.43 N/m、432.02 N/m。對比a/W= 0.5時各高度試件測試斷裂能平均值：93.95 N/m、196.99 N/m、263.89 N/m，測試斷裂能分別降低了40.9%、39.7%、44.9%。摻入鋼纖維(ρf=2%)條件下，在a/W= 0.2時上述不同高度幾何相似試件測試斷裂能平均值分別為6 863.08 N/m、12 169.56 N/m、21 646.86 N/m。對比a/W= 0.5時各高度試件測試斷裂能平均值：3 779.89 N/m、9 476.44 N/m、13 141.86 N/m，測試斷裂能分別降低了26.9%、22%、39.3%。說明鋼纖維的加入，提高了混凝土的韌性，削弱了縫高比變化對斷裂能的影響。其主要原因是加入鋼纖維后，試件內(nèi)部形成了鋼纖維咬合區(qū)，試件不會脆斷，混凝土的抗裂能力得到顯著提高。

表3 幾何相似尺寸試件試驗結(jié)果[10]Table 3 Experimental results of geometrically similar specimens[10]

2.2 開口裂縫深度對斷裂能的影響

為了較準確分析開口裂縫深度變化對鋼纖維高強混凝土斷裂能的影響，本文對小尺寸試件(L×W×B= 550 mm×100 mm×100 mm，凈跨S=400 mm)在9種縫高比(a/W=0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7)條件下進行斷裂能測試，試驗結(jié)果見表4。

表4 小尺寸試件試驗結(jié)果[10]Table 4 Experimental results of small size specimens[10]

由表4可知，相同混凝土材料，當SENB試件的初始裂縫長度發(fā)生變化時，其測試斷裂能不同，這說明測試斷裂能與試件的開口裂縫深度相關(guān)。經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，高強混凝土測試斷裂能Gf(相同試件斷裂能平均值)隨預(yù)制開口裂縫深度a呈線性相關(guān)。將試驗結(jié)果進行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，在鋼纖維摻量為0%、2%和3%情況下，高強混凝土小尺寸SENB試件斷裂能Gf隨著初始裂縫長度a增加，呈現(xiàn)線性遞減的趨勢，鋼纖維摻量越高，Gf與a擬合直線斜率的絕對值就越大，下降速率就越快。傅喻等[9]在研究不同相對開口裂縫深度對混凝土斷裂韌度影響試驗研究中發(fā)現(xiàn)，相對切口深度越大，試件起裂越早，起裂荷載越小，開裂荷載也就越小，最終導(dǎo)致測試斷裂能就越小。理論上斷裂能是材料的固有特性，本身不受試件形狀的影響。但實驗室SENB試件的初始縫與試件的前、后邊界距離較小，試件的邊界將顯著影響混凝土斷裂能的測試結(jié)果。試件的開口裂縫深度對斷裂能的影響本質(zhì)上是邊界效應(yīng)的結(jié)果。在斷裂能測試過程中，隨著施加荷載逐漸增加，試件產(chǎn)生裂紋并沿著預(yù)制裂縫尖端向試件后邊界方向擴展，直至試件斷裂。在試件整個加載過程中，由于試件邊界影響區(qū)的存在，試件斷裂能沿斷裂過程區(qū)不均勻分布，靠近邊界的斷裂過程區(qū)不能得到充分擴展。隨著鋼纖維高強混凝土試件預(yù)制初始裂縫長度a的增加，試件邊界影響區(qū)相對初始縫后端的斷裂過程區(qū)影響越大，試件斷裂能Gf所受邊界的影響就越明顯。相同尺寸的SENB試件，初始縫越大，受邊界影響的斷裂能所占比重越大，試驗測試得到的斷裂能越小。

圖6 高強混凝土小尺寸SENB試件斷裂能Fig.6 Fracture energy of high strength concrete smaller size SENB specimens

2.3 試件尺寸對斷裂能的影響

為分析試件尺寸對鋼纖維高強混凝土斷裂能的影響，本文對鋼纖維摻量ρf分別為0%、2%，縫高比a/W為0.2和0.5的高強混凝土小尺寸SENB試件斷裂能進行分析。所選試件幾何相似但尺寸不同(跨高比S/W=4、W=100 mm，200 mm，300 mm)，試驗結(jié)果見表4。對測試斷裂能Gf試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，如圖7所示。

圖7 高強混凝土小尺寸SENB試件斷裂能Fig.7 Fracture energy of high strength concrete smaller size SENB specimens

圖8 SENB 斷裂韌帶區(qū)的gf 分布特征Fig.8 Distribution characteristics of gf in SENB fractured ligament area

由圖7和表4可知，相同鋼纖維摻量及縫高比條件下，高強混凝土測試斷裂能Gf隨試件高度W的增長而增長。對比不同縫高比條件下混凝土斷裂能的變化，發(fā)現(xiàn)縫高比為0.5的高強混凝土試件測試斷裂能低于縫高比為0.2的高強混凝土測試斷裂能。由此可知，在試驗過程中，鋼纖維高強混凝土斷裂能受試件尺寸大小和初始裂縫深度變化的影響，表現(xiàn)出明顯的尺寸相關(guān)性。綜上可知纖維的摻量、初始縫的深度、試件的大小都將影響SENB斷裂能的測試結(jié)果。

為揭示尺寸對斷裂能的影響，Hu[11]和Karihaloo[12]等提出斷裂過程區(qū)在沿裂紋擴展方向不是均勻分布的，并通過引入局部斷裂能gf，對沿著裂縫開展方向每一處的斷裂能進行表征，分別提出雙線性和三線性局部斷裂能模型，如圖8所示。試件的邊界區(qū)域，局部斷裂能gf呈線性變化，在不受邊界影響的區(qū)域gf為常數(shù)。因此SENB試件的測試斷裂受尺寸影響的本質(zhì)是試件邊界對斷裂過程區(qū)的影響。

由圖8可知，當混凝土試件尺寸較小時，斷裂韌帶區(qū)(W-a)將位于SENB邊界影響區(qū)，局部斷裂能小于不受邊界影響區(qū)域的斷裂能，測試斷裂能受邊界影響顯著。隨著試件尺寸的增大，斷裂韌帶區(qū)中存在較大不受邊界影響的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)gf為一常數(shù)，故當斷裂韌帶區(qū)相對邊界影響區(qū)足夠大時，測試斷裂能受尺寸影響較小。本文選用的試件較小，斷裂韌帶區(qū)將受試件邊界影響，表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)，且測試斷裂能隨試件高度和斷裂韌帶區(qū)長度的增大而增大。

圖9 SENB斷裂韌帶區(qū)的FPZ分布特征Fig.9 Distribution characteristics of FPZ in SENB fractured ligament area

鋼纖維的加入，使裂縫擴展過程中的橋接作用增大，斷裂過程區(qū)變大，邊界對斷裂能的影響減弱。因此，鋼纖維的摻入不僅提高了混凝土的斷裂能，還減緩了邊界對測試斷裂能的影響。因此，試件尺寸及鋼纖維摻量對混凝土斷裂能的影響可表述為斷裂過程區(qū)(FPZ)受邊界和纖維橋接影響的過程，其中SENB斷裂韌帶區(qū)的FPZ分布特征如圖9所示。

由圖9可知，斷裂過程區(qū)在試件邊界發(fā)展受限，其測試斷裂能小于不受邊界影響的斷裂能，測試斷裂能表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)。因此，SENB試件較小時，斷裂過程區(qū)分布在邊界影響區(qū)的比率較大，邊界對試件尺寸效應(yīng)影響顯著，小尺寸試件表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)。反之，如果試件足夠大且縫高比較小，斷裂過程區(qū)分布在邊界影響區(qū)的比率將足夠小，邊界對測試斷裂能的影響可忽略，因此足夠大尺寸的SENB試件測試斷裂能將不再受尺寸效應(yīng)影響。鋼纖維混凝土受纖維橋接作用，其斷裂過程區(qū)顯著增大，邊界對斷裂能的影響相對減弱。因此，鋼纖維的摻入對斷裂能尺寸相關(guān)性起到了緩解作用。

3 結(jié) 論

本文通過開展SENB試件三點彎曲試驗，測試了不同縫高比、尺寸和鋼纖維摻量的高強混凝土斷裂能，系統(tǒng)分析了鋼纖維摻量、初始裂縫長度和試件尺寸對高強混凝土斷裂能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)鋼纖維的摻加能顯著影響高強混凝土斷裂能，但隨著纖維摻量的增加，混凝土的斷裂能增長速度變小，且鋼纖維混凝土抗壓、抗拉強度的增長趨勢與斷裂能的增長趨勢不具備一致性。

(2)鋼纖維高強混凝土試件斷裂能Gf隨初始開口裂縫深度的增加呈線性遞減關(guān)系，隨試件高度的增大而增加，表現(xiàn)出尺寸相關(guān)性。受鋼纖維橋接作用，其斷裂過程區(qū)顯著增大，邊界對斷裂能的影響相對減弱。

(3)SENB試件的測試斷裂能受尺寸影響的本質(zhì)是試件邊界對斷裂過程區(qū)的影響。由于斷裂過程區(qū)在試件邊界發(fā)展受限，其測試斷裂能小于不受邊界影響的斷裂能，測試斷裂能表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)。