不同初始缝高比楔入劈拉试件断裂试验研究

胡少伟，谢建锋，喻 江

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210024)

不同初始缝高比楔入劈拉试件断裂试验研究

胡少伟，谢建锋，喻 江

(南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210024)

初始缝高比；楔入劈拉试验；双K断裂韧度；有效裂缝长度；混凝土断裂性能

1 研究背景

目前，国内外运用不同试验方法对混凝土断裂性能开展了大量研究工作。国外较早地制定了混凝土断裂参数的标准试验方法，如1985年RILEM正式推出的《用带切口的三点弯曲梁测定砂浆和混凝土的断裂能》[1]试验标准。在众多研究基础上，我国于2005年推出DL/T5332—2005《水工混凝土断裂试验规程》[2]，规定了楔入劈拉法和三点弯曲梁法测定水工混凝土Ⅰ型断裂韧度试验的标准方法。此后，这2种方法被广泛应用于混凝土坝裂缝分析和抗裂、防裂设计之中。与三点弯曲梁法相比，楔入劈拉试验能将较小的竖向荷载转化为较大的水平劈拉荷载，从而降低了对试验刚度的要求，可通过设计抵消自重和竖向力的影响，操作简便且容易分析，因而具有独特的优势[3]。目前已较多地采用三点弯曲梁法研究试件尺寸、强度、级配、配筋率和缝高比等因素对混凝土断裂韧度影响，得到了一系列结论[4-6]。而采用楔入劈拉试验法研究较少，因此有必要进一步开展这方面的研究。

2 试验概况

2.1 试验设计

参照《规程》[2]推荐试件形式，设计4组共32个楔入劈拉试件，L×D×B=200 mm×200 mm×200 mm。不同组别的初始缝高比分别为0.3，0.4，0.5，0.6，对应的初始缝长分别为60，80，100，120 mm。试件具体参数见表1。

水泥采用标号42.5普通硅酸盐水泥，Ⅰ级粉煤灰，5～31.5 mm碎石，细度模数2.6天然中砂，高炉矿渣粉，RX-1-320型外加剂。配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶石∶RX-1-320=0.75∶0.12∶0.13∶1.47∶2.20∶0.01，水胶比为0.35，砂率40%。混凝土立方体抗压强度实测值为56.6 MPa，标准差为3.52 MPa。试件浇筑于木模中，采用振动棒振捣。预制裂缝采用厚2 mm，带V型刀口的钢板预埋生成，3 h初凝后拔出钢板。试件在室内常温洒水养护28 d成型。

表1 试件尺寸及参数Table 1 Dimensions and parameters of specimens

注：WS50-03-(01—08)中，50代表混凝土强度C50，03代表缝髙比0.3，01—08代表试件在该组试件中的序号。

2.2 试验过程

试验在500 t液压试验机上进行(图1(a))。控制荷载加载应变速率均匀连续，最大荷载加载速率不超过10 N/s，整个过程历时30 min左右。试验过程中，仔细观察预制缝处、裂缝尖端韧带上裂缝的变化，记录压力机表盘指针的变化情况。

采用DH-3817型动态应变测试系统对荷载P、裂缝口张口位移δ以及混凝土应变值进行采集，并连接计算机实时记录。采用量程为0～50 kN荷载传感器测出加到楔形加载架的荷载P大小；采用夹式引伸计(+4至-1.0 mm)贴于裂缝口两侧钢板之间，测量裂缝口张开位移δ；考虑到最大骨料粒径和反应混凝土真实应变，采用规格BF120-40AA(标距4 cm)应变片测量各点应变，在裂缝尖端两侧布置应变片以监测尖端起裂，在韧带一侧斜向布置应变片以监测裂缝扩展过程。应变片布置示意图如图1(b)。

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

开始加载，试件承受荷载开始线性增长，在未达到峰值荷载以前，裂缝产生和发展均在混凝土内部，肉眼观察不到裂缝，荷载达到峰值后，荷载呈缓慢波动下降趋势，这时裂缝尖端开始出现肉眼可见裂缝，到达一定的数值时，开始出现急速下降段，与此同时，可看到裂缝迅速扩宽并向下发展，此后荷载稳定缓慢下降，直至完全卸载，试件呈劈拉破坏。

图1 试验加载装置及混凝土应变片布置Fig.1 Test loading device and arrangement of strain gauges

楔入劈拉试验方法消除了附加弯矩对裂缝张开口位移测量值的影响，能够得到真实的材料断裂参数，整个试验过程简单稳定，能够方便得到全过程的荷载-裂缝尖端张口位移曲线(P-δ)。本实验各试件均能得到光滑完整的荷载张口位移曲线。典型的P-δ如图2所示。

图2 典型P-δ位移曲线Fig.2 Typical P-δ curves

3.2 起裂荷载的确定

图3 P-ε曲线确定起裂荷载Fig.3 Initial load obtained from P-ε curve

采用全桥应变片测定起裂荷载[13]，在预制缝尖端处布置一对电阻应变片用来测定起裂荷载Pini。从加载开始，预制缝两侧混凝土不断聚集能量，随荷载的增加，应变值不断增加，直至达到极值，此后，应变值开始回缩，说明测点间有裂缝出现，聚集的能量得到释放，该测点开始卸载，即认为开裂，所对应的荷载即为起裂荷载，如图3所示。

3.3 双K断裂韧度的计算

3.3.1 弹性模量E的计算

当荷载P达到起裂荷载之前，材料处于线弹性阶段，裂缝未发生扩展。可根据实测P-δ曲线得到初始柔度ci，从而得到E的表达式。E的计算公式为[2]

(1)

式中：ci为初始柔度；t为试件厚度；a0为初始缝长；h0为裂缝尖端刀口厚度。

3.3.2 临界有效裂缝长度ac的计算

临界有效裂缝长度ac由式(2)确定[2]，即

(2)

式中：δc为裂缝尖端临界张口位移；PHmax为水平最大荷载。

裂缝亚临界扩展量Δac=ac-a0。

3.3.3 双K断裂韧度的计算

根据《水工混凝土断裂试验规程》，可采用以下两式分别计算起裂断裂韧度和失稳断裂韧度。

(1) 起裂断裂韧度为

(3)

(4)

式中 ：Pini为试验过程中采集到的起裂竖向荷载；mg为楔形加载架的重量。

(2) 失稳断裂韧度为

(5)

3.4 试验结果分析

由表2可知：各组试件起裂荷载与最大荷载的比值介于0.465～0.783之间，平均值在0.618～0.668之间，说明各试件起裂点的离散性比较大，但总体趋于稳定，不受初始缝髙比的影响。

图4(a)为有效裂缝长度随初始缝高比的变化曲线，由图4(a)可知，有效裂缝长度ac随缝高比的增加而逐渐增大，且基本呈线性增长趋势。裂缝的亚临界扩展量Δac随缝高比的减小而增大，表明初始裂缝越小，裂缝扩展距离越大，发展越充分，相应的韧性越好[6]。

初始缝高比为0.3，0.4，0.5，0.6对应的起裂断裂韧度分别为0.622 4，0.559 0，0.561 7,0.497 8 MPa/m2，对应的失稳断裂韧度分别为1.474 5，1.258 3，1.060 7，0.995 6 MPa/m2，如图4(b)所示。

图4 有效裂缝长度和断裂韧度随初始缝高比的变化曲线Fig.4 Curves of effective crack length and fracture toughness vs. initial seam-height ratio

表2 混凝土断裂参数计算结果Table 2 Calculated results of concrete’s fracture parameters

4 结 论

采用楔入劈拉法完成4组不同缝高比试件的断裂试验，并运用双K断裂理论计算其断裂参数，研究初始缝高比对双K断裂韧度的影响，得到以下结论:

(1) 采用楔入劈拉试验方法可以得到稳定的P-δ全过程曲线，体现了该法的优势；采用全桥应变片法能有效地监测到裂缝的起裂点，得到起裂荷载和起裂韧度。

(2) 起裂荷载与失稳荷载比值在0.618～0.668之间，不受初始缝长的影响；初始缝高比越小，裂缝亚临界扩展量越大，韧性越好。

(3) 起裂断裂韧度不受初始缝高比的影响，是材料的固有参数。失稳断裂韧度随缝高比的减少有所增大，当a0/D≥0.5时，可认为失稳断裂韧度为一常数。

[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，水工混凝土断裂试验规程 [S].北京：中国电力出版社,2006. (DL/T5332—2005, Specification of Fracture Test for Hydraulic Concrete[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2006.(in Chinese))

[3] 徐世烺.混凝土断裂试验与断裂韧度测试标准[M].北京：机械工业出版社,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,赵国藩,赵顺波.龄期及粗骨料级配对高坝混凝土断裂能CF和断裂韧度KIC的影响规律[J].建筑科学,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] 胡少伟,米正祥.标准钢筋混凝土三点弯曲梁双K断裂特性试验研究[J].建筑结构学报,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,胡少伟,陆 俊.非标准混凝土三点弯曲梁双K断裂韧度试验研究[J].建筑结构学报,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,赵国藩.混凝土裂缝的稳定扩展过程与临界裂缝尖端张口位移[J].水利学报,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,赵国藩.混凝土结构裂缝扩展的双K断裂准则[J].土木工程学报,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]赵志方.大体积混凝土裂缝仿真断裂分析研究[D].北京：清华大学,2004. (ZHAO Zhi-fang. Simulation of Mass Concrete Crack Fracture[D]. Beijing: Tsinghua University, 2004.(in Chinese))

(编辑：曾小汉)

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

国家自然科学基金项目(51279111,51309163)；国家杰出青年科学基金项目(51325904)；南京水利科学研究院基本科研业务费专项资金项目(Y413003)

胡少伟(1969- )，男，河南杞县人，教授级高级工程师，博士生导师，主要从事混凝土断裂损伤方面的研究,(电话)025-85829601 (电子信箱)hushaowei@nhri.cn。

谢建锋(1989- )，男，湖南郴州人，硕士研究生，主要从事混凝土断裂损伤方面的研究，(电话) 025-85829633(电子信箱)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