高强混凝土双K 断裂参数测试及计算方法

高淑玲，王 玲，徐世烺

(1.河北工业大学土木工程学院，天津 300401;2.大连理工大学土木水利学院海岸与近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

高强混凝土由于施工速度快、工程造价低，在核电站、大坝、高层和大跨等建筑工程中得到了广泛应用。但高强混凝土的出现，使混凝土固有的脆性问题更加突出，脆性断裂使得材料性能不能充分发挥，有时还会发生灾难性的事故。因此，研究高强混凝土的断裂性能就显得尤为重要[1-4]。在第十一届岩石、混凝土断裂、损伤与强度暨大体积混凝土抗裂会议上，笔者针对高强混凝土的断裂问题与有关学者进行了探讨，一致认为现阶段高强混凝土的断裂特性研究甚少，现有规范《水工混凝土断裂试验规程》仅适用于大中型水利水电工程常态混凝土和碾压混凝土，而对工程应用最多的高强混凝土并不适用。因此急需加强高强混凝土断裂性能的研究。本文基于双K 断裂准则[5-8]考虑到楔入劈拉试验的优势[6]，按照标准紧凑拉伸试件尺寸规定，利用楔入劈拉试件进行混凝土断裂参数测定和断裂特性研究。

1 试验概况

图1 楔入劈拉试件及测点布置(单位：mm)

水泥采用大连产52.5R 普通硅酸盐水泥;砂子采用大连产中砂，细度模数约为2.7;石子采用石灰石矿生产的碎石，最大粒径为10 mm;硅粉采用微硅粉920U;粉煤灰采用Ⅰ级粉煤灰;减水剂采用Sika-Ⅱ高效减水剂;水为自来水。高强混凝土配合比及相关系数见表1。

表1 高强混凝土的配合比及相关参数

试验在1000 kN 微机控制液压伺服试验机上进行。荷载传感器采用BLR-1/5000 拉压式传感器，测量范围为0～50kN;裂缝张开位移采用YYJ 系列电子引伸计，最大变形量为4 mm;荷载和裂缝张开位移经YE3817 动态应变放大器放大后，利用计算机采集系统记录全过程的试验数据。

2 试验结果

2.1 荷载～裂缝口张开位移(P～CMOD)全曲线

图2 HSC 系列P～CMOD全曲线

试验结果用P～CMOD全曲线来表示，见图2。由图2可知，高强混凝土峰值荷载和峰值荷载对应的CMOD值变化都很大，很难得到稳定的下降段。

图3 缝高50mm 系列各个测点的P～ε曲线

2.3 双K 断裂参数的确定

美国ASTME 399—72 标准给出了标准紧凑拉伸应力强度因子[9]：

表2 断裂参数计算比较

表3 断裂过程区本构模型参数

式中：KIC为试件的断裂韧度，MPa◦m1/2;a为实测预制裂缝长度，m;h和t 分别为实测试件高度和厚度，m;F为水平荷载，kN;P为竖向极限荷载，kN。

式中：B为试件的厚度;E为材料的弹性模量;Pmax为峰值荷载;mg为楔形加载架的重力，mg=0.2275 kN;θ为楔形加载架的楔面与纵轴的夹角，θ=15°;αc为相对缝长;fcu为混凝土立方体抗压强度。

图4 双线性软化本构曲线

参数ws，w0，σs根据以下经验公式给出[11-12，15]：

其中

式中：GF为混凝土材料的断裂能;dmax为骨料最大粒径;fck为混凝土圆柱体特征强度，代表混凝土级别;fcuk为混凝土立方体抗压强度标准值;fc为混凝土圆柱体抗压强度[13]。

高强混凝土特征长度的计算公式为

上述参数的计算结果见表3。

表3 中lch代表材料的脆性，lch值越小，脆性越大，随着混凝土强度的增加脆性逐渐增大。

2.4 断裂能GF

GF的计算公式为

其中

由式(8)可知，断裂能的大小主要依赖P～CMOD全曲线与横坐标包络的面积，因此需要得到试验全过程的P～CMOD全曲线，尤其要求试验得到稳定平缓的下降段，计算结果见表2。

起裂断裂韧度测试值大约是计算值的30%，计算值与测试值相差较大，其中的原因，一个可能是亚临界扩展长度的计算值偏大使得失稳断裂韧度值偏大，另外一个可能是由于双线性软化曲线中的参数采用常态混凝土的经验参数，使得黏聚力的计算值偏小，或者2个原因兼有。此外，选择的双线性曲线与实际下降段曲线有差别，这也是导致误差的一个原因。

3 结 论

a.由于高强混凝土脆性大，即使采用微机控制液压伺服试验机等速位移控制，在楔入劈拉试验中，仍然很难得到比较稳定的P～CMOD全曲线下降段。

b.以往将P～CMOD全曲线线弹性部分的终点对应的荷载作为起裂荷载并不十分准确，因为线弹性结束后并没有起裂。大量试验证明，采用全桥应变片法可以精确测到试件的起裂荷载，且成功率较高，值得推广应用。

c.对于高强混凝土而言，利用基于虚拟裂缝扩展黏聚力间接计算得到的起裂断裂韧度值偏大，因此在大量使用高强混凝土的重要工程中，直接采用由普通混凝土软化曲线的经验参数间接计算得到的起裂荷载来控制起裂偏于不安全，需要进一步研究高强混凝土软化曲线的经验参数，以便应用在工程实际中。

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