高立廣

（徐州市交通局公路管理處，江蘇 徐州 221000）

混凝土是交通、土木、水工等建筑物的主要材料之一，它是一種多相顆粒復合材料，在澆筑成型過程中將不可避免存在各種缺陷，而混凝土中的相界面是較薄弱處，易發(fā)生界面裂紋。雖然這些缺陷和微細裂紋是不連續(xù)且隨機的，但當混凝土在荷載、溫變、化學等各種外界因素作用下，不僅原有的這些裂紋和缺陷會發(fā)展，而且還將出現一些新的微裂紋，再經微裂紋的匯集、連通過程而導致出現宏觀裂縫。在外界因素作用下，上述過程持續(xù)發(fā)生并有可能引起宏觀裂縫的失穩(wěn)擴展，從而危及混凝土結構的安全運行[1]。另一方面，雖然混凝土結構體形特征和受力情況比較復雜，其破壞原因也是多元的，但破壞總是經歷裂縫萌生和裂縫擴展的過程。在混凝土研究中，應用損傷的概念和理論是一種有力的手段和一條新途徑[2]。

用損傷理論分析材料受力后的力學狀態(tài)時，首先要選擇恰當的損傷變量以描述材料損傷狀態(tài)。由于材料損傷引起材料微觀結構和某些宏觀物理性能的變化，因此可以從微觀和宏觀兩方面選擇度量損傷的基準。微觀方面，可以選用空隙的數目、長度、面積和體積；宏觀方面，可以選用彈性系數、屈服應力、拉伸強度、伸長率、密度、電阻、超聲波速等。在對混凝土的研究中，很多專家基于應變等價原理、用彈性模量的變化來度量，而通過試驗測定混凝土試件彈性模量的改變進而計算確定試件的損傷度是試驗測試混凝土材料損傷參數的有效手段之一[2，3]。考慮到混凝土構件的主要服務形式和受力特征，采用有支承體系的劈裂拉伸試驗最能貼切地重現混凝土受拉破壞過程。

1 混凝土試件楔入劈拉試驗

所有試件采用同一配合比，即水泥∶砂∶碎石=1∶1.5∶2.5，水灰比為 0.4。水泥為 425 號普通硅酸鹽水泥；碎石為一級配石灰?guī)r碎石，最大骨料粒徑為20 mm；砂為普通建筑中砂。試模采用鋼模，試模凈尺寸為200mm×200mm×200mm。初始裂縫用厚度為2 mm的薄鋼板 （其前端磨出不大于15°的尖角）預制，薄鋼板平面尺寸有3種，分別為80 mm×200 mm、100 mm×200 mm和120 mm×200 mm。相應試件分3組澆筑，分別采用上述3種尺寸薄鋼板預制初始裂縫，每組有效試件3個。試件澆筑后，待混凝土初凝后約3 h取出預制裂縫的鋼板，24 h后拆模并送入標準養(yǎng)護室，28 d后取出直接送至實驗室進行試驗。

試驗在200 kN電子萬能試驗機上進行，如圖1所示。試驗選擇單支座還是雙支座更為有利，國內外說法不一，目前，我國進行混凝土楔入劈拉試驗時多采用雙支承形式，而國外大多采用單支承形式。根據文獻[4]、[5]的成果，楔入劈拉試驗采用雙支承形式較好，因此本次試驗選擇雙支承形式。力的加載由計算機控制，采用位移控制進行分級加載，荷載和位移分別由直接與計算機相連的力傳感器和位移傳感器量測。為了測試受損區(qū)材料彈性模量的改變，進而計算試件損傷參數，在試件韌帶區(qū)預制貫穿裂縫兩側距離預制裂縫尖端1cm、3cm、5 cm處對稱貼有3個與電阻應變儀（DH3817）連接的5 cm長電阻應變片。左右兩面各貼3個，垂直于預制裂縫的延長線方向布置，同組試件的試驗連續(xù)完成。

圖1 混凝土試件楔入劈拉試驗裝置圖Fig.1 Equipment of the concrete wedge splitting tensile test

2 試驗測試結果及計算

試驗施加的力豎直向下，因此根據加載楔形體受力分析（見圖2）和力學平衡條件，得到：

即

圖2 加載楔形體的受力分析Fig.2 Force analysis of the wedge

根據材料力學拉彎組合變形應力公式得：

式中：b為試件厚度（m）；h為試件高度與預制裂縫長度之差 （m）；y為應變片到中性軸的距離（m）；A 為韌帶區(qū)域面積（m2）；MH是 Ph產生的彎矩（kN·m）。

根據測試及計算結果，繪出應力-應變曲線，由應力-應變曲線的線性階段計算彈性模量E，由曲線峰值點計算峰值應力對應的受損彈性模量E，而曲線峰值點對應的損傷度即為峰值應力對應的損傷值Df。Df由下式確定：

3 試驗測試結果分析

按前述測試流程和計算方法，本文進行了不同初始縫長的混凝土試件在失穩(wěn)斷裂前斷裂過程區(qū)損傷發(fā)展情況的觀測，獲得如下結論。

（1）混凝土在裂縫近端受到拉力產生破壞時，裂縫的遠端不會產生破壞。

表1為預制裂縫長度為10 cm試件的各應變片測試結果。從表1可以看出，當加載到3.0 kN時，距離預制裂縫尖端1 cm和3 cm處都已產生了較大應變，而5 cm處幾乎沒有明顯的拉應變產生。這表明5 cm處應變片在加載過程中并沒有受到明顯的拉伸變形，直至試件加載至接近荷載峰值時，它的拉應變才開始較明顯增大，表明混凝土在裂縫上端受到拉力甚至產生很大應變的時候，對裂縫稍遠的地方產生的應力影響較小。

表1 預制縫長10 cm試件應變測試結果（拉為正）Table 1 :Strain of the concrete specimens with initial cracks of 10 cm long

（2）3組試件測試及計算結果如表2所示。

根據測試及計算結果（表2）可以看出，距離預制裂縫尖端越近，峰值應力對應的損傷值也越大，這表明距離預制裂縫越近的區(qū)域，試件破壞過程中損傷程度越明顯。

表2 各混凝土試件的E、E以及DfTable 2 :E,E and Dfof the concrete specimens

（3）根據表2中3組不同預制縫長試件距裂縫尖端較近的（1 cm處）應變測試及損傷值Df計算結果可看出，隨著預制裂縫長度增加，峰值應力對應的損傷值Df也有較為明顯的增大，但距離預制裂縫尖端較遠的應變測試及損傷值Df計算結果則沒有這個趨勢。這說明在非均勻應力場中，峰值應力對應的損傷值Df與應力場的應力梯度有關，初始（預制）裂縫較小的構件，在出現裂縫延展破壞的過程中，沿裂縫開裂方向應力的分布存在明顯的不均。

4 結語

混凝土損傷試驗是混凝土損傷研究的基礎，也是損傷測試的重要手段。本文通過3組不同初始裂縫長度的混凝土試件楔入劈拉試驗，測定了非均勻應力場下混凝土材料峰值應力對應的損傷值Df。根據試驗測試及計算結果，得出非均勻應力場下測試損傷參數是可行的，距離預制裂縫越近的區(qū)域，試件破壞過程中損傷程度越明顯。另外，從測試結果看，初始裂縫長度對損傷參數有一定影響，但較集中地反映在離裂縫尖端較近位置處，因此，在實際工程構件已開展裂縫位置的觀測儀器布設時，將裂縫計安置在靠近裂縫尖端位置較為適宜，而裂縫觀測時，靠近受拉致裂區(qū)的儀器所捕獲的應變突變數據需特別重視。

[1]徐道遠，符曉陵，計家榮，等.拱壩破壞機理及損傷-斷裂分析方法[C].高拱壩學術討論會論文集.北京:國家自然科學基金委員會工程與材料科學部，1996：208～217.

[2]余天慶，錢濟成.損傷理論及其應用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[3]邱玲，徐道遠，朱為玄.混凝土壓縮時初始損傷及損傷演變的試驗研究 [J].合肥工業(yè)大學學報 (自然科學版)，2001(6)：1061～1065.

[4]徐世烺，趙燕華，吳智敏，等.楔入劈拉法研究混凝土斷裂能[J].水力發(fā)電學報，2003(4)：15～22.

[5]黃閩莉，王向東，曹亮.支承形式對楔入劈拉試件斷裂韌度KIC的影響[J].河海大學學報，2006（4）：435～439.