材料屬性對混凝土斷裂能影響研究綜述★

羌宇杰 徐龔歡 王 霄 盧建琴 卜靜武

(1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009; 2.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223000; 3.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007)

0 引言

裂縫是水工建筑物的常見病害之一，嚴重時會引發混凝土材料的損傷，一定程度上影響建筑物的安全，研究混凝土裂縫擴展機理對混凝土結構安全監測與評價具有重要的理論及工程意義。斷裂能是描述裂縫擴展中能量消耗的一個重要性能參數，表征裂縫擴展單位面積所需要的能量。國際材料與結構實驗室聯合會(RILEM)的混凝土斷裂力學委員會(TC-50FMC)推薦斷裂能作為一個最為重要的混凝土非線性斷裂力學參數。

一直以來，國內外專家學者對混凝土斷裂能的影響因素做了較多的研究，形成了一系列研究成果，但是對于各影響因素對斷裂能的影響效果并沒有得出一致的結論。基于此，本文總結并分析了材料屬性對混凝土斷裂能的影響。

1 斷裂能試驗方法

混凝土斷裂能試驗研究方法主要有以下4種：直接拉伸法、緊湊拉伸法、三點彎曲梁法和楔入劈拉法。直接拉伸法可以最直接地獲取斷裂參數，是測定混凝土斷裂能的理想方法，但是此種方法對設備要求較高且試驗成功率低，因此很少被采納。緊湊拉伸法作為常見的斷裂力學試驗方法，還可用于混凝土以外材料的力學參數，但是大多數情況下，試驗機難以滿足水平加載要求，試驗難度也較大。目前，較常采用的試驗方法為三點彎曲梁法與楔入劈拉法，此兩種方法均作為DL/T 5332—2005水工混凝土斷裂試驗規程的標準試驗方法，易于開展，有明確的斷裂能計算公式，廣泛運用于混凝土斷裂性能分析。

1.1 三點彎曲梁法

三點彎曲梁法所需實驗裝置有加載裝置，加載墊板、支座。三點彎曲梁試件為帶預制切口的簡支梁，于跨中部位在梁頂表面中間施加一個線性荷載。其優點是試驗結果較為精確。缺點是三點彎曲梁試件尺寸較大，但斷裂區面積占試件總面積比例卻較小，且大尺寸試件不易于搬運也難以排除自重對試驗結果的影響(見圖1)。

1.2 楔入劈拉法

楔入劈拉試驗的試驗裝置包含加載裝置、楔形加載架、傳力板、支座。楔入劈拉試件制備時預制凹槽和裂縫，在試驗開始前需測量試件尺寸及預制縫長。為了便于加載，對試件直接施加壓力，再依靠傳力裝置將壓力轉化為垂直于裂縫面的拉力，試驗時選取合適的楔形角可有效抵消自重對試驗結果的影響。其優點是試件較小且易于現場制作，通過使用兩個底部支座來補償自重，減小自重的影響。其缺點是該法產生的附加彎矩會降低實驗結果的精確度(見圖2)。

2 斷裂能的影響因素

2.1 強度

針對混凝土強度對混凝土斷裂能的影響對現有文獻的試驗結果總結如圖3所示。從圖3中可以看出，斷裂能的整體變化趨勢是，隨著混凝土強度增加逐漸增大。丁力棟等[1]、Einsfeld和Velasco[2]，Rao和Prasad[3]的研究結果與這一結論一致。分析原因主要是：裂縫開展路徑取決于骨料自身強度、骨料與水泥漿體之間的粘結力。混凝土強度越高，骨料與水泥漿體的連接越為緊密，裂縫開展難度增大，即斷裂能隨著強度增大而增大。而骨料自身強度較小時，裂縫開展過程中粗骨料多數開裂，使斷裂面平直，此時斷裂能反而減小。

同時，也有一些試驗結果與上述結論不完全一致。李銘[4]、劉進寶等[5]、楊利劍[6]、王秋雨[7]均比較了最大骨料粒徑20 mm的混凝土試件強度對其斷裂能的影響規律。李銘[4]、劉進寶等[5]認為強度為43.3 MPa的混凝土斷裂能最大，而楊利劍[6]測得強度為48.1 MPa時斷裂能最大。王秋雨[7]發現混凝土強度從32.1 MPa增大到38.6 MPa，斷裂能隨強度的增加而降低，而強度從38.6 MPa增大到55.4 MPa時，斷裂能隨強度的增加趨于平穩。馮孝杰[8]通過開展楔入劈拉試驗，得出隨混凝土抗壓強度的增加，斷裂能先增加而后趨于穩定的結論。賈艷東[9]針對卵石和碎石混凝土展開斷裂能試驗，結果表明卵石混凝土的斷裂能隨強度增加而增加；碎石混凝土的斷裂能隨強度的增加變化趨勢平緩，甚至稍有下降。張震[10]指出：斷裂能隨試件強度的增加先增大后減小。徐君[11]認為隨著混凝土強度的提高，斷裂能不但不提高，反而有下降的個例。上述研究結果表明，混凝土斷裂能受其強度影響程度隨著其他因素的變化而變化。

2.2 最大骨料粒徑

三點彎曲梁法和楔入劈拉法得到的混凝土斷裂能與最大骨料粒徑之間的關系如圖4所示，圖4表明，斷裂能隨最大骨料粒徑的增加有逐漸增大的趨勢。丁力棟等[1]、Rao和Prasad[3]、馮孝杰[8]、黃書嶺[12]、王林[13]、朱敏敏[14]、劉騫[15]、Zhao等[16]、Beygi等[17]、Zhang等[18]的試驗結果與上述結論一致。分析其原因：裂縫的擴展是沿著基體中較弱的界面區或較大的孔隙傳播，考慮到骨料有一定阻裂作用，增大骨料粒徑時裂縫開展需繞過骨料，裂縫擴展所需能量提高。

在研究骨料最大粒徑為10 mm，20 mm，40 mm的混凝土斷裂能時，李銘[4]、劉進寶等[5]、楊利劍[6]、徐君[11]、王剛[19]發現斷裂能隨著骨料粒徑的增加而增加。王秋雨[7]、趙志方等[20]、饒俊波[21]提出混凝土斷裂能在骨料最大粒徑從10 mm增加到20 mm時增大，在20 mm增大到40 mm時減小。王剛[19]還發現在骨料最大粒徑超過40 mm之后，斷裂能的增長趨勢變緩。Han等[22]提出斷裂能隨著骨料粒徑的增加先增加后減小，這可能是因為骨料粒徑增大，斷裂能增大的同時，會伴隨著骨料與水泥膠體之間初始裂縫的增長，使得兩者之間粘結力降低，斷裂能減小。

2.3 齡期

混凝土力學性能不斷增長源于膠凝材料水泥的水化硬化，隨著齡期的增長，水泥水化越充分，其力學性能發展越充分。對現有文獻中齡期對混凝土斷裂能的影響試驗結果匯總于圖5中，圖5表明，成熟齡期的混凝土斷裂能隨齡期的延長有緩慢增長的趨勢，而早齡期混凝土斷裂能與齡期之間的關系不明顯。黃書嶺[12]、楊楓林[23]認為再生混凝土斷裂能隨齡期增加而提高。Kim等[24]認為混凝土斷裂能隨齡期增長而增加，28 d時趨于一個極限。Jo和Tae[25]測定低溫混凝土與普通混凝土的斷裂特性時，發現隨著齡期的增長，兩者的斷裂能呈現出相似的增長趨勢。Beygi等[26]發現自密實混凝土的斷裂能隨著齡期從3 d～90 d不斷增長。莫卓凱[27]分析比較了全級配、二級配與濕篩混凝土試件的斷裂能，發現全級配混凝土試件的斷裂能隨著齡期增加持續增長，而二級配與濕篩混凝土試件的斷裂能隨齡期增加而增長后出現了下降的趨勢。這是因為在水泥水化早期隨著養護齡期增加，水化產物能夠填充內部孔隙和微裂紋，延緩裂縫的產生和擴展，斷裂性能快速提升。后期，水化反應速度降低，基底密實度有所提高，但是對裂縫的抵抗力沒有明顯差別，斷裂能增長趨勢會趨于平緩甚至略有下降。可以發現，斷裂能與混凝土養護齡期的關系還受混凝土的種類影響。也有少數研究發現斷裂能隨齡期的增加反而降低，郭向勇[28]通過試驗研究了齡期為28 d和56 d的兩種混凝土的斷裂能，結果表明：隨齡期增長，斷裂能降低，黃煜鑌[29]得出了相同的結論。斷裂能隨齡期的增長而降低的主要原因可能是：隨著齡期的增加，硬化過程中水泥石和團聚體基體界面強化，水泥石的脆性增加，骨料易于斷裂[23-25]。

2.4 水膠比

趙志方等[20]、郭向勇[28]、黃煜鑌[29]、張云春[30]、Salehi和Mazloom[31]、程從密等[32]在研究水膠比對混凝土斷裂能的影響時提出：隨著水膠比的增大，試件的斷裂能較小。黃書嶺[12]的試驗結果表明：隨著水膠比減小，再生混凝土的斷裂能和天然骨料混凝土的斷裂能均有所增加，但增加的幅度較小。王剛[19]的試驗研究表明隨著水膠比的降低，混凝土的斷裂能上下波動，但變化幅度相對較小。饒俊波[21]提出當水膠比為0.35時，斷裂能最大，低于或高于該值混凝土斷裂能均減小。張九峰[33]對再生骨料混凝土的研究表明，低水膠比的再生骨料混凝土斷裂能低于高水膠比再生骨料混凝土。得出上述不同結論的原因是改變水膠比對混凝土斷裂能的影響較為復雜，增大水膠比能夠明顯增大混凝土延性，斷裂能增大，但是由于骨料與水泥漿體間連接不緊密，會降低基體密實性，降低抗裂能力，斷裂能可能減小。反之，降低水膠比能夠使水泥漿體和界面過渡區的孔隙率減小從而提高基體強度和彈性模量，進而提高斷裂所需能量。而水膠比太小，水泥水化不充分，混凝土的和易性也會變差，硬化的混凝土結構不密實，斷裂能會降低(如圖6所示)。

2.5 砂率

王林[13]、劉騫[15]、郭向勇[28]、黃煜鑌[29]研究了砂率對混凝土斷裂能的影響，得出一致結論：隨著砂率的增加，斷裂能會降低。砂率較小時，骨料的比表面積較小，骨料表面附著的砂漿量相對較多，導致混凝土的流動性、粘聚性較好，硬化混凝土斷裂性能有所提高；且此時粗骨料相對較多，混凝土孔隙率減小，粗骨料與水泥基體粘結力增大，裂縫開展要繞過粗骨料，增加斷裂能量(見圖7)。

2.6 骨料體積含量

王林[13]、劉騫[15]、Beygi等[17]、王思瑩等[34]、Nikbin等[35]、Cifuentes和Karihaloo[36]、Alyhya等[37]認為斷裂能隨骨料體積的增加有增大的趨勢，另外王林[13]、劉騫[15]發現隨著水泥石強度的提高，骨料體積含量對斷裂能的影響變小。韓宇棟等[38]的試驗設計了水膠比為0.62/0.43/0.3(依次標記為C3/C5/C8)三個系列混凝土，研究發現C3系列的低強混凝土，粗骨料體積含量增大，斷裂能顯著增大。C8系列混凝土斷裂能普遍較高，且隨粗骨料含量增加而基本保持不變。C5系列混凝土斷裂性能介于C3和C8兩系列之間。Amparano等[39]研究發現斷裂能隨著骨料體積含量從45%～65%略微下降之后上升。Chen和Liu[40]的試驗表明：對于低強度混凝土，隨著骨料體積含量從40%～80%不斷增大，而對于高強度混凝土，在骨料體積含量為60%時出現極值。Akcay等[41]認為斷裂能隨著骨料體積分數增加而增加，在體積分數為0.66時有所下降。學者們就骨料體積含量對斷裂能的影響所產生的結論較為一致，分析其原因：骨料體積含量增加，即粗骨料在混凝土中數量變多，在斷裂過程中會有更多的骨料從基體中拉出，由于橋聯和骨料聯鎖，斷裂路徑更加曲折，對于強度較低的混凝土，試件斷裂時拔出粗骨料需要消耗大量能量，因而斷裂能有所提高；對于強度高的混凝土，粗骨料的止裂作用相對減小，增加骨料含量使裂縫擴展面積增大，斷裂能減小。而出現極值點可能是由于骨料數量過多導致的骨料橋接機制功能異常(見圖8)。

3 結語

本文梳理了近年來國內外專家學者關于材料屬性對斷裂能的研究成果，深入分析了三點彎曲梁法和楔入劈拉法得到的混凝土強度、水膠比、砂率等材料參數對斷裂能的影響，結果表明：

1)在研究斷裂能的四種試驗中，三點彎曲梁法和楔入劈拉法運用最廣，但是這兩種試驗方法仍存在需要改進的缺陷。

2)在影響斷裂能的諸多材料屬性中，砂率越小，斷裂能越大；隨著骨料體積含量增大，混凝土斷裂能增大；斷裂能隨水膠比的增大而減小；強度越大的混凝土其斷裂能越大，齡期越長的混凝土斷裂能越大。

3)由于不同的試驗所采用的原材料有差異，試驗條件、加載方式等不完全一致，因此，不同的學者就相同的材料屬性因素對混凝土斷裂能的影響得出的結論存在偏差，在今后的研究中應當注意在相同的實驗條件下開展試驗，排除其他因素的影響，分清各個因素對斷裂能的影響程度。

4)斷裂能的影響因素有很多，本文只對部分影響因素作出了總結，且并未得出各因素對斷裂能影響的權重。現有研究中主要考慮單因素對混凝土斷裂能的影響，各種影響因素綜合作用下的混凝土斷裂能的規律有待進一步研究。