胡少偉，謝建鋒，喻 江

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210024)

不同初始縫高比楔入劈拉試件斷裂試驗研究

胡少偉，謝建鋒，喻 江

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210024)

初始縫高比；楔入劈拉試驗；雙K斷裂韌度；有效裂縫長度；混凝土斷裂性能

1 研究背景

目前，國內(nèi)外運用不同試驗方法對混凝土斷裂性能開展了大量研究工作。國外較早地制定了混凝土斷裂參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，如1985年RILEM正式推出的《用帶切口的三點彎曲梁測定砂漿和混凝土的斷裂能》[1]試驗標(biāo)準(zhǔn)。在眾多研究基礎(chǔ)上，我國于2005年推出DL/T5332—2005《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》[2]，規(guī)定了楔入劈拉法和三點彎曲梁法測定水工混凝土Ⅰ型斷裂韌度試驗的標(biāo)準(zhǔn)方法。此后，這2種方法被廣泛應(yīng)用于混凝土壩裂縫分析和抗裂、防裂設(shè)計之中。與三點彎曲梁法相比，楔入劈拉試驗?zāi)軐⑤^小的豎向荷載轉(zhuǎn)化為較大的水平劈拉荷載，從而降低了對試驗剛度的要求，可通過設(shè)計抵消自重和豎向力的影響，操作簡便且容易分析，因而具有獨特的優(yōu)勢[3]。目前已較多地采用三點彎曲梁法研究試件尺寸、強(qiáng)度、級配、配筋率和縫高比等因素對混凝土斷裂韌度影響，得到了一系列結(jié)論[4-6]。而采用楔入劈拉試驗法研究較少，因此有必要進(jìn)一步開展這方面的研究。

2 試驗概況

2.1 試驗設(shè)計

參照《規(guī)程》[2]推薦試件形式，設(shè)計4組共32個楔入劈拉試件，L×D×B=200 mm×200 mm×200 mm。不同組別的初始縫高比分別為0.3，0.4，0.5，0.6，對應(yīng)的初始縫長分別為60，80，100，120 mm。試件具體參數(shù)見表1。

水泥采用標(biāo)號42.5普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級粉煤灰，5～31.5 mm碎石，細(xì)度模數(shù)2.6天然中砂，高爐礦渣粉，RX-1-320型外加劑。配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶石∶RX-1-320=0.75∶0.12∶0.13∶1.47∶2.20∶0.01，水膠比為0.35，砂率40%?；炷亮⒎襟w抗壓強(qiáng)度實測值為56.6 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為3.52 MPa。試件澆筑于木模中，采用振動棒振搗。預(yù)制裂縫采用厚2 mm，帶V型刀口的鋼板預(yù)埋生成，3 h初凝后拔出鋼板。試件在室內(nèi)常溫灑水養(yǎng)護(hù)28 d成型。

表1 試件尺寸及參數(shù)Table 1 Dimensions and parameters of specimens

注：WS50-03-(01—08)中，50代表混凝土強(qiáng)度C50，03代表縫髙比0.3，01—08代表試件在該組試件中的序號。

2.2 試驗過程

試驗在500 t液壓試驗機(jī)上進(jìn)行(圖1(a))。控制荷載加載應(yīng)變速率均勻連續(xù)，最大荷載加載速率不超過10 N/s，整個過程歷時30 min左右。試驗過程中，仔細(xì)觀察預(yù)制縫處、裂縫尖端韌帶上裂縫的變化，記錄壓力機(jī)表盤指針的變化情況。

采用DH-3817型動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)對荷載P、裂縫口張口位移δ以及混凝土應(yīng)變值進(jìn)行采集，并連接計算機(jī)實時記錄。采用量程為0～50 kN荷載傳感器測出加到楔形加載架的荷載P大??；采用夾式引伸計(+4至-1.0 mm)貼于裂縫口兩側(cè)鋼板之間，測量裂縫口張開位移δ；考慮到最大骨料粒徑和反應(yīng)混凝土真實應(yīng)變，采用規(guī)格BF120-40AA(標(biāo)距4 cm)應(yīng)變片測量各點應(yīng)變，在裂縫尖端兩側(cè)布置應(yīng)變片以監(jiān)測尖端起裂，在韌帶一側(cè)斜向布置應(yīng)變片以監(jiān)測裂縫擴(kuò)展過程。應(yīng)變片布置示意圖如圖1(b)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象

開始加載，試件承受荷載開始線性增長，在未達(dá)到峰值荷載以前，裂縫產(chǎn)生和發(fā)展均在混凝土內(nèi)部，肉眼觀察不到裂縫，荷載達(dá)到峰值后，荷載呈緩慢波動下降趨勢，這時裂縫尖端開始出現(xiàn)肉眼可見裂縫，到達(dá)一定的數(shù)值時，開始出現(xiàn)急速下降段，與此同時，可看到裂縫迅速擴(kuò)寬并向下發(fā)展，此后荷載穩(wěn)定緩慢下降，直至完全卸載，試件呈劈拉破壞。

圖1 試驗加載裝置及混凝土應(yīng)變片布置Fig.1 Test loading device and arrangement of strain gauges

楔入劈拉試驗方法消除了附加彎矩對裂縫張開口位移測量值的影響，能夠得到真實的材料斷裂參數(shù)，整個試驗過程簡單穩(wěn)定，能夠方便得到全過程的荷載-裂縫尖端張口位移曲線(P-δ)。本實驗各試件均能得到光滑完整的荷載張口位移曲線。典型的P-δ如圖2所示。

圖2 典型P-δ位移曲線Fig.2 Typical P-δ curves

3.2 起裂荷載的確定

圖3 P-ε曲線確定起裂荷載Fig.3 Initial load obtained from P-ε curve

采用全橋應(yīng)變片測定起裂荷載[13]，在預(yù)制縫尖端處布置一對電阻應(yīng)變片用來測定起裂荷載Pini。從加載開始，預(yù)制縫兩側(cè)混凝土不斷聚集能量，隨荷載的增加，應(yīng)變值不斷增加，直至達(dá)到極值，此后，應(yīng)變值開始回縮，說明測點間有裂縫出現(xiàn)，聚集的能量得到釋放，該測點開始卸載，即認(rèn)為開裂，所對應(yīng)的荷載即為起裂荷載，如圖3所示。

3.3 雙K斷裂韌度的計算

3.3.1 彈性模量E的計算

當(dāng)荷載P達(dá)到起裂荷載之前，材料處于線彈性階段，裂縫未發(fā)生擴(kuò)展?？筛鶕?jù)實測P-δ曲線得到初始柔度ci，從而得到E的表達(dá)式。E的計算公式為[2]

(1)

式中：ci為初始柔度；t為試件厚度；a0為初始縫長；h0為裂縫尖端刀口厚度。

3.3.2 臨界有效裂縫長度ac的計算

臨界有效裂縫長度ac由式(2)確定[2]，即

(2)

式中：δc為裂縫尖端臨界張口位移；PHmax為水平最大荷載。

裂縫亞臨界擴(kuò)展量Δac=ac-a0。

3.3.3 雙K斷裂韌度的計算

根據(jù)《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》，可采用以下兩式分別計算起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度。

(1) 起裂斷裂韌度為

(3)

(4)

式中 ：Pini為試驗過程中采集到的起裂豎向荷載；mg為楔形加載架的重量。

(2) 失穩(wěn)斷裂韌度為

(5)

3.4 試驗結(jié)果分析

由表2可知：各組試件起裂荷載與最大荷載的比值介于0.465～0.783之間，平均值在0.618～0.668之間，說明各試件起裂點的離散性比較大，但總體趨于穩(wěn)定，不受初始縫髙比的影響。

圖4(a)為有效裂縫長度隨初始縫高比的變化曲線，由圖4(a)可知，有效裂縫長度ac隨縫高比的增加而逐漸增大，且基本呈線性增長趨勢。裂縫的亞臨界擴(kuò)展量Δac隨縫高比的減小而增大，表明初始裂縫越小，裂縫擴(kuò)展距離越大，發(fā)展越充分，相應(yīng)的韌性越好[6]。

初始縫高比為0.3，0.4，0.5，0.6對應(yīng)的起裂斷裂韌度分別為0.622 4，0.559 0，0.561 7,0.497 8 MPa/m2，對應(yīng)的失穩(wěn)斷裂韌度分別為1.474 5，1.258 3，1.060 7，0.995 6 MPa/m2，如圖4(b)所示。

圖4 有效裂縫長度和斷裂韌度隨初始縫高比的變化曲線Fig.4 Curves of effective crack length and fracture toughness vs. initial seam-height ratio

表2 混凝土斷裂參數(shù)計算結(jié)果Table 2 Calculated results of concrete’s fracture parameters

4 結(jié) 論

采用楔入劈拉法完成4組不同縫高比試件的斷裂試驗，并運用雙K斷裂理論計算其斷裂參數(shù)，研究初始縫高比對雙K斷裂韌度的影響，得到以下結(jié)論:

(1) 采用楔入劈拉試驗方法可以得到穩(wěn)定的P-δ全過程曲線，體現(xiàn)了該法的優(yōu)勢；采用全橋應(yīng)變片法能有效地監(jiān)測到裂縫的起裂點，得到起裂荷載和起裂韌度。

(2) 起裂荷載與失穩(wěn)荷載比值在0.618～0.668之間，不受初始縫長的影響；初始縫高比越小，裂縫亞臨界擴(kuò)展量越大，韌性越好。

(3) 起裂斷裂韌度不受初始縫高比的影響，是材料的固有參數(shù)。失穩(wěn)斷裂韌度隨縫高比的減少有所增大，當(dāng)a0/D≥0.5時，可認(rèn)為失穩(wěn)斷裂韌度為一常數(shù)。

[1] RILEM Technical Committee-FMC. Determination of Fracture Energy of Mortar and Concrete by Means of Three-point Bend Tests on Notched Beams[J]. Materials and Structures, 1985, 18(4):287-290.

[2] DL/T5332—2005，水工混凝土斷裂試驗規(guī)程 [S].北京：中國電力出版社,2006. (DL/T5332—2005, Specification of Fracture Test for Hydraulic Concrete[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2006.(in Chinese))

[3] 徐世烺.混凝土斷裂試驗與斷裂韌度測試標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010. (XU Shi-lang. The Standard Methods of Fracture Toughness Measurement and Fracture Test for Concrete[M]. Beijing: China Machine Press, 2010.(in Chinese))

[4] 高 泉,趙國藩,趙順波.齡期及粗骨料級配對高壩混凝土斷裂能CF和斷裂韌度KIC的影響規(guī)律[J].建筑科學(xué),1994,(3):19-23. (GAO Quan, ZHAO Guo-fan, ZHAO Shun-bo. The Effect of Age of Loading and Aggregate Gradation on the Fracture Energy(CF) and Fracture Toughness(KIC) of High Dam Concrete[J]. Building Science, 1994,(3):19-23.(in Chinese))

[5] 胡少偉,米正祥.標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土三點彎曲梁雙K斷裂特性試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2013,34(3): 152-157. (HU Shao-wei, MI Zheng-xiang. Experimental Study on Double-KFracture Characteristics of Standard Reinforced Concrete Three-point Beam[J]. Journal of Building Structures, 2013,34(3):152-157. (in Chinese))

[6] 范向前,胡少偉,陸 俊.非標(biāo)準(zhǔn)混凝土三點彎曲梁雙K斷裂韌度試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2012,33(10)：152-157. (FAN Xiang-qian, HU Shao-wei, LU Jun. Experimental Research on Double-KFracture Toughness of Non-standard Three Point Bending Concrete Beam[J]. Journal of Building Structures, 2012,33(10)：152-157.(in Chinese))

[7] 徐世烺,趙國藩.混凝土裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展過程與臨界裂縫尖端張口位移[J].水利學(xué)報,1989,(4):33-44. (XU Shi-lang, ZHAO Guo-fan. The Stable Propagation of Crack in Concrete and the Determination of Critical Tip Opening Displacement[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1989,(4):33-44.(in Chinese))

[8] 徐世烺,趙國藩.混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的雙K斷裂準(zhǔn)則[J].土木工程學(xué)報,1992,25(2)：32-38. (XU Shi-lang, ZHAO Guo-fan. A Double-KFracture Criterion for the Crack Propagation in Concrete Structures[J]. China Civil Engineering Journal, 1992, 25(2): 32-38.(in Chinese))

[9] HILLERBORG A. Analysis of Crack Formation and Crack Growth in Concrete by Means of Fracture Mechanics and Finite Elements[J]. Cement and Concrete Research, 1976,6(2):773-782.

[10]BAZANT Z P. Crack Band Theory for Fracture of Concrete[J]. Materials and Structure, 1983, 16(93): 155-177.

[11]XU Shi-lang, REINHARDT H W. Crack Extension Resistance and Fracture Properties of Quasi Brittle Softening Materials Like Concrete Based on the Complete Process of Fracture[J]. International Journal of Fracrure,1998,92(2):71-99.

[12]XU S L, REINHARDT H W. Determination of Double-K Criterion for Crack Propagation in Quasi-brittle Materials Part Ⅱ: Analytical Evaluating and Practical Measuring Methods for Three-point Bending Notched Beams[J]. International Journal of Fracture, 1999,98(2): 151-177.

[13]趙志方.大體積混凝土裂縫仿真斷裂分析研究[D].北京：清華大學(xué),2004. (ZHAO Zhi-fang. Simulation of Mass Concrete Crack Fracture[D]. Beijing: Tsinghua University, 2004.(in Chinese))

(編輯：曾小漢)

Fracture Toughness of Specimen with Different InitialSeam-Height Ratio under Wedge Splitting Test

HU Shao-wei, XIE Jian-feng, YU Jiang

(State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China)

initial seam-height ratio; wedge splitting test; double-Kfracture toughness; effective crack length; concrete’s fracture performance

2013-10-28；

2013-12-12

國家自然科學(xué)基金項目(51279111,51309163)；國家杰出青年科學(xué)基金項目(51325904)；南京水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(Y413003)

胡少偉(1969- )，男，河南杞縣人，教授級高級工程師，博士生導(dǎo)師，主要從事混凝土斷裂損傷方面的研究,(電話)025-85829601 (電子信箱)hushaowei@nhri.cn。

謝建鋒(1989- )，男，湖南郴州人，碩士研究生，主要從事混凝土斷裂損傷方面的研究，(電話) 025-85829633(電子信箱)xiejianfeng2013@126.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.02.023

TV431

A

1001-5485(2015)02-0114-05

2015,32(02):114-118