不同类型混凝土断裂特性研究.pdf

2 0 1 2 年 第 3期 (总 第 2 6 9 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 1 4 不同类型混凝土断裂特性研究 范向前 ，胡少伟 2 。陆俊 2 ( 1 河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ；2 南京水利科学研究院，江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要： 通过对国内外现有 7 种断裂模型的分析总结， 结合我国实际国情， 引出了由我国学者徐世娘教授提出的双 K断裂模型， 参照我 国 水工混凝土断裂试验规程 给出的两种常见断裂测试试验方法( 楔人劈拉法和三点弯曲梁法) 中起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的计算 过程， 总结前人的研究成果， 详细介绍了普通混凝土、 钢筋混凝土、 碾压混凝土、 纤维混凝土 4 种常见混凝土的断裂性能。 关键词： 不同类型混凝土；断裂模型；断裂试验方法；断裂特性 中图分类号 ： T U5 2 8 O l 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 4 6 0 6 S t ud y on t he f r a c t ur e p r ope r t i e s o f d i f f e r en t t ype c onc r e t e s F AN Xi a n g - q i a n ， HU S h a o we i ， LUJ u n ( 1 C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e ， Ho h a i Un i v e r s i t y ， Na n j i n g2 1 0 0 2 4 ， C h i n a ； 2 Na n j i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c hI n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ) Ab ct憎 ct：T h r o u g h r e s e a r c h r e vi e w of s e v e n k i nd s o f f r a c t u r e mo d e l s wh i c h are e x i s t i n g b o t h a t h o me a n d a b r o a d c o mb ine d wi t h rea l i s t i c s i tua t i o n i n Ch i n a， Do u b l e K f r a c t u r e mo d e l i s r a i s e d wh i c h wa s a d v a n c e d b y Ch i n e s e s c h o l ar P r o f XU S hi- l ang De p e n d i n g o n t h e c a l c u l a t i o n me t h o d s o f f r a c t u r e e x p e ri me n t s( we d g e s p l it t i n g me tho d and t h r e e - p o i n t b e n d i n g b e a m me t h o d ) w h i c h a r e i n t r o d u c e d i n No r m f o r F r a c t u r e T e s t o f Hy d r a u l i c Co n c r e t e i n Chi n a ， f o r i n i t i a t i o n t o u g h n e s s an d u n s t a b l e t o u g h n e s s Re v i e w the f o rm e r r e s e arc h， the c o nc r e t e fr a c t u r e p r o p e r t i e s o f n o rm a l c o n c r e t e ， r e i n f o r c e d c o nc r e t e， r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e ， fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t eared e s c ri be di nd e t a i l Ke y WOr ds ： d i ffe r e n t t y pe c o nc r e t e s ； fra c t u r e mo d e l ； t e s t me tho d s o f f r a c t u r e； f r a c t ur e c h ara c t e r i s t i c s 0 引言 1 9 6 1 年 K a p l a n首先将线弹性断裂力学理论用于混凝土构 件， 从此开始了广泛的混凝土断裂试验研究工作【 ” 。 混凝土在承 受荷载前， 内部就存在有微孔穴和微裂纹。 在受载后 ， 新裂缝的 出现可能在原有裂纹基础上发展， 也可能以骨料破坏形式出现， 也可能是在骨料间与水泥浆基体的黏结部位 ， 或是上述三种情 况同时出现。 因此对混凝土裂缝产生的原因、 裂缝的特性 、 裂缝 的发展过程、 裂缝危害性的评估以及防止裂缝的对策进行研究 是相当必要和紧迫的， 并且得到学术界的极大关注。 对于混凝土裂缝特性的研究， 始于 1 9 7 6 年 Hi l l e r b o r g及其 同事提出的虚拟裂纹模型( F i c t i t i o u s C r a c k Mo d e l ， F c M) 翻 ， 这也 是混凝土断裂力学成熟的起点， 之后为众多学者所不断完善。 由于混凝土 自身存在的所不可避免的微裂纹， 使得混凝土裂缝 前缘部分传递应力的能力被削弱， 这一现象称为混凝土材料的 软化。 材料软化后其传递应力的能力与微裂区的“ 宏观” 变形之 间存在着一种反比关系， 即微裂区发展越充分其所传递的应力 越小 ， 当微裂区扩展宽度达到材料的极限宽度 。 时， 所传递的 应力为零， 并同时出现宏观裂缝。 根据混凝土裂缝扩展的上述特 点， 虚拟裂缝模型认为可以将微裂区简化成一条“ 虚裂缝” 。 该 虚裂缝的张开宽度( ) 代表微裂区变形量的大小； 虚裂缝面上某 一 点所传递的软化应力 ( ) 与该点虚裂缝面的张开宽度 w ( x ) 之间的关系称为软化曲线。 对混凝土断裂性能的研究主要集中在断裂试验采取的试 验方法 、 断裂参数的尺寸效应问题、 断裂韧度和断裂能的测试 及计算 、 断裂特征分析等方面， 其 中断裂能和断裂参数是衡量 混凝土断裂性能的重要指标 ， 因此 ， 混凝土的断裂参数研究受 到普遍关注。 断裂能和断裂参数的大小标志着材料裂纹扩展的 难易程度， 对分析混凝土结构的性能有重要指导意义。 国内外对 混凝土、 钢筋混凝土、 碾压混凝土以及纤维混凝土的断裂能和 断裂参数的研究已取得了一些成果3 - 6 ， 并借助断裂力学， 建立 了混凝土断裂损伤模型。 1 断裂模 型 混凝土断裂研究大致可分为两类同： 一类是建立在 Gr i ffit h 理论基础上的线弹性断裂力学( L E F M) 参数所表示的混凝土断 裂特性； 另一类则着重研究裂纹形态和断裂表面， 以了解材料 不均匀性对裂纹的影响。 从本质上来讲， 混凝土材料从起裂到断 裂始终都不是线弹性的， 也不是真正意义上的均质各向同性。 因 此线弹性混凝土断裂力学的发展遇到了不少困难。 为此， 人们提 出了许多混凝土断裂破坏的非线性分析方法和模型。 1 1 虚拟裂缝模型 H i l l e r b o r g提出的虚拟裂缝模型( F C M) 从概念上基本摆脱 了金属断裂力学的影响， 开创了混凝土非线性断裂研究的新思 路瞄 。 H i l l e r b o r g 认为裂缝的扩展以裂缝前形成的微裂区为先导， 将微裂区视为一条虚拟裂缝， 随着外荷载的增加， 此区域内材 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ o 9 一 l 6 基金项目：国家自然科学基金( 5 0 8 7 9 0 4 8 ) ； 十一五国家科技支撑计划课题( 2 0 0 9 B A K 5 6 B 0 4 ) ； 水利部前期项目 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 料的刚度降低 ， 使裂缝前端部分传递应力的能力降低， 但由于 骨料和基体的桥联作用， 在虚拟裂缝面上作用着能使裂缝有闭 合趋势的黏聚力， 使裂缝前仍有传递应力的能力。 黏聚力与虚拟 裂缝宽度存在一定的反比关系， 即黏聚力随虚拟裂缝宽度的增 加而降低。 当虚拟裂缝的宽度达到某一极限值时， 黏聚力变为零， 此时宏观裂缝出现。 虚拟裂缝上传递应力和虚拟裂缝宽度( 张开 位移) 之间的关系为材料的软化本构关系， 它反映材料上一点的 应力状态， 不论采用何种测试方法， 其值均应相同。 然而 F c M模 型不能直接求出裂缝扩展的亚临界扩展长度的解析解， 需要与 有限元相结合； 尽管该模型广泛用于非线性断裂力学有限元分 析中， 但因其计算复杂， 难以应用到实际的工程问题分析中去。 1 2 钝裂缝带模型 在 Hi l l e r b o r g 研究的基础上 ， B a z n a t 于 1 9 8 3年提出了钝裂 缝带模型( C B M) 【8 。 钝裂缝带模型将裂缝的断裂过程看作一密 集平行的微裂缝组成的裂缝带， 这些裂缝带具有一定的宽度。 对 混凝土材料， 裂缝带的宽度取为最大骨料粒径的3倍。 由于裂缝 带有一定的宽度 ， 因此缝端也有一定的宽度 ， 即缝端并非尖状 的而是钝状的。 由于该模型将裂缝带看作是正交各向异性介 质， 因此可以很方便地确定裂缝带及结构的应力和变形； 该模 型能 自动形成新的裂缝， 而不必改变网格图 ， 还能表示任何方 向的裂缝， 在使用方面比虚拟裂缝模型要方便。 2 O世纪 8 0年代以来， 以F C M和 C B M为基础的混凝土非 线性断裂力学取得了迅速的发展， 许多反映裂缝扩展以及断裂 过程区( F r a c t u r e P r o c e s s Z o n e ； F P Z) 的模型也相继建立起来， 主 要有双参数模型( T P F M) 、 等效裂缝模型( E C M) 、 尺寸效应模型 ( S E M) 。 1 3 双参数断裂模型 J e n q 和 S h a l l 的进行线弹性断裂模型的修正 ， 提出了双参数 断裂模型9 - ， 该模型以线弹性断裂力学为基础， 并引入一些符 合混凝土非线性特性的假设。 J e n q和 s h a h提出了两个断裂控 制参数即临界失稳韧度 和临界裂缝尖端张开 口位移 C T O D ， 并使用它们建立了断裂准则。 双参数模型采用 O 9 5 处的卸 载韧度计算临界等效裂缝长度 吼， 弥补了不可恢复变形对计算 裂缝长度 。的影响； 在断裂参数测试方法上 ， 双参数断裂模型 需要复杂的加卸载过程 ， 并需要统计回归， 且其经验公式在应 用上多受限制； 闭合力的大小与应变软化曲线无关， 不能探讨 应变软化曲线与材料性能的影响关系； 该模型以线弹性断裂力 学中的应力强度因子的解析表达为目的， 没有考虑分布在断裂 过程区内的黏聚力作用。 1 9 9 0年 R I L E M建议了双参数断裂模型中采用的两个断裂 控制参数的测定方法 1 】 1 。 在此之后， R I L E M委员会组织进行了 大量系统的试验， 结果发现控制参数 可视为材料的参数， 与几 何尺寸无关 ， 但另一控制参数 C T O D 。 计算的结果偏差甚大 ， 关于 它是否可认为使材料参数没有给以结论。 1 4 等效裂缝模 型 最经典的两个等效裂缝模型是 K a r i l i a l o o和 N a l l l a t h a mb i 的等效裂缝模型 12 - 1 3 】与 S w a r t z和 R e Ni 的等效裂缝模型 1 4 - 1 S 。 K a r i l i a l o o和 N a l l l a t h a mb i 的等效裂缝模型研究的对象是 三点弯曲梁， 使用的是荷载一 加载点位移， 而不是荷载一 裂缝 口 张开位移 ， 并采用在最大荷载时对应的割线柔度， 这就意味着 等效裂缝模型考虑了塑性变形对临界等效裂缝长度的贡献 ， 所 得到的临界等效裂缝长度大于双参数模型中弹性等效的临界 等效裂缝长度。 使用由此确定的临界弹性等效裂缝长度可以得 到模型中提出的等效断裂失稳韧度。 而 S w a r tz和 R e f a i 的等效裂缝模型主要依赖于试验的观 察。 该模型指出， 就三点弯曲梁而言， 当梁高大于 2 0 3 ton i 且缝 高比小于 0 6 5断裂过程区就能充分发展且形状保持不变。 当试 件破坏时， 断裂过程区的长度实质上就是一条应力 自由的宏观 弹性裂缝。 因此 ， 当试件破坏时， 断裂过程区的长度实质上就是一应 力自由的宏观弹性裂缝。 根据这一假设他们通过染色法试验测 定了缝高比从 0 2到 0 8不同试件破坏时的平均裂缝长度 ， 得 到了破坏时裂缝长度与最大荷载的变化曲线， 称其为标定曲线。 1 5 尺 寸效 应模 型 B a z a n t 根据弹性等效方法提出了尺寸效应模型【 l 嗣 。 该模型 通过测试一系列几何形状相似但尺寸不同的混凝土切 口试件 的最大荷载 ， 由线性回归计算平均断裂能 。 该模型所测得 的平均断裂能 与一般试验方法测得的断裂能不同， 它不随试 件的尺寸变化， R I L E M也就此方法做了推荐， 详细介绍了试验要 求和计算步骤； 由于该模型测试断裂参数时需要复杂的试验 设备和技术 ， 并需要统计回归， 且其经验公式在应用上多受限， 因此也表现出了其不足之处。 1 6 双 K断裂模型 多数断裂模型都以应力强度因子的临界值即断裂韧度 K 对混凝土的临界失稳状态进行判定。 混凝土断裂韧度 K tc 是混 凝土断裂力学中一个重要的断裂参数指标， 表征材料抵抗裂缝 扩展的能力。 单一的断裂韧度 K l c 可以满足一般结构的设计和 使用要求。 但对于一些特殊的结构而言， 如混凝土压力管道和混 凝土大坝， 预测裂缝起裂和失稳状态同样重要 。 为此， 徐世娘教 授提出了双 K断裂模型口 7 1 。 该模型中， 对 I 型裂缝用起裂韧度 和失稳韧度砼分别表示裂缝起裂和失稳的临界状态 ， 并创立 了双 K断裂判据。 该模型可描述为： K K 裂缝稳定； = 裂缝 开始起裂 ； K 裂缝处于稳定扩展阶段； K - K Sc 裂缝开始临 界失稳状态； 裂缝处于失稳扩展阶段。 双 K断裂理论综合了虚拟裂缝方法和等效弹性方法， 避免 了虚拟裂缝模型和裂缝带模型的数值运算， 也避免了尺寸效应 模型和等效裂缝模型的回归分析， 同时也考虑了双参数模型忽 略的塑性变形的影响； 该模型物理意义明确， 理论基础较为完 备， 使用的试验技术方法简易可行； 但是双 K断裂韧度值不能 通过计算直接得出。 1 7新 阻力 曲线 在双K断裂准则的基础之上， 徐世娘和R e i n h a r d t 以应力强 度因子为工具提出了基于虚拟裂缝扩展黏聚力( 简称为黏聚力) 的新 阻力曲线能够合理描述准脆性材料断裂全过程的裂缝 扩展规律 。 K 阻力曲线即裂缝扩展阻力曲线， 认为在裂缝扩 展过程中， 裂缝扩展阻力是表示材料本身对外界荷载的抵抗力。 这部分抵抗力很大程度上是由黏聚力产生的。 裂缝扩展阻力由 两部分组成： 一是材料本身抵抗开裂的韧度， 即起裂韧度； 另一 部分就是在主裂缝扩展过程中， 分布在断裂过程区上的黏聚力 所产生的扩展阻力。 该方法有较完备的理论基础， 其包括的断裂 参数可以用简单的断裂试验加以确定， 与其他阻力曲线相比更 具有实用性。 另外该方法不仅考虑了外荷载影响， 而且还充分考 虑到分布在断裂过程区上黏聚力的影响， 新 阻力曲线体现了 混凝土材料的软化特性， 而且能较好地反映混凝土结构裂缝起 47 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 裂、 稳定扩展和失稳断裂的全过程。 通过试件尺寸及所选用的混 凝土软化曲线形状对新 阻力曲线的影响研究， 表明新 阻 力曲线基本上无尺寸效应， 混凝土软化曲线形状对新 阻力曲 线有一定的影响， 但所获得的结果有一定程度的离散性。 文献 2 0 2 1 从能量的角度出发， 结合线弹性断裂力学和虚 拟裂缝上的黏聚力分布， 以能量释放率 G作为断裂性能判定参 数， 建立了混凝土结构裂缝扩展的双 G准则。 与双 K断裂参数 相对应 ， 双 G准则引入了两个重要的裂缝扩展判定参量 ： 起裂 断裂韧度c 芝 和失稳断裂韧度G 。 2 断裂试验方法 混凝土的断裂韧度和断裂能一向是测试的重点。 测试断裂 韧度和断裂能的常用方法有： 三点弯曲梁法、 紧凑拉伸法 、 直接 拉伸法、 楔人劈拉法等。 紧凑拉伸法和直接拉伸法最初是用于测试金属等材料断裂 参数， 随着其不断发展 ， 之后也被用于混凝土的断裂研究， 由于其 要进行辅助加载设置， 且试验过程中的对中问题也难以解决， 目前 较少采用该方法来研究混凝土的断裂特征。 也正因为其存在上述 的缺点， 因此不宜作为测定混凝土断裂参数的标准试验方法。 1 9 7 7 年 ， Hi l l e me i e r 教授在紧凑拉伸法的基础上， 提出了一 种新的断裂力学试验方法楔入劈拉法 ， 其原理只是将紧 凑拉伸法的加载方式由直接施加拉力变为直接施加压力， 然后 再经传力装置将压力转换为垂直裂缝面的拉力， 形成张开型裂 缝的受力状态。 由于楔入劈拉法加载方式是施加压力， 试件便于 安装、 便于加载 ， 能够忽略试件自重对断裂能的影响， 测量的荷 载一 位移曲线也较为光滑 ， 并降低了对试验机刚度的要求， 目前 已成为混凝土断裂参数测试新的标准方法之一。 三点弯曲梁法于 1 9 8 5年被材料与结构研究实验室国际联 合会( R I L E M) 所推荐， 因此采用较早。 尽管该方法存在有以下 不足之处： 试件 自重对结果影响较大， 且试件体积较大， 在试验 过程中不易搬运， 搬运过程中方法不当容易折断等， 但是相对 而言， 三点弯曲梁法应用较为广泛， 试验手段成熟 ， 具有明确的 断裂韧度、 断裂能计算公式。 因此被研究者们所广泛采用， 并于 2 0 0 5 年列入我国的断裂试验规程中吲。 ， 随着混凝土断裂理论的发展， 为了混凝土断裂韧度测试方 法的统一， 国内有关断裂专家经过多年的努力， 在广泛收集国 内外混凝土断裂试验资料， 参考国际发达国家断裂试验标准， 并进行大量平行试验的基础上， 编制了我国第一部断裂试验规 程D L r 5 3 3 2 -2 0 0 5 ( 水工混凝土断裂试验规程 。 规程中 规定了水工混凝土断裂试验的两种标准试验方法 ： 楔入劈拉法 和三点弯曲梁法。 针对我国水工混凝土断裂试验规程中推荐的方法， 将楔入 劈拉法和三点弯曲梁法断裂韧度计算方法介绍如下： 2 1 楔入劈拉法( we d s p l i t t i n g me t h o d ) 首先按照式( 1 ) 计算失稳断裂韧度 ， 在 0 2 a h O 8范 围内， 精度在 2 以内。 ) ( 1 ) 式中 ) ： 百3 6 7 5 1 1 - 0 1 2 ( a - 0 4 5 ) ，0 f= ； l一 J 一 凡 F ( F ,+ m g x 1 0 Ha mx一 2 一 48 1 3 1 8 ( 。 l _ l 墨 + 9 -1 6 J ； L E 1 13 1s ( 1- t6 】 K 失稳韧度； 最大荷载； 最大水平荷载； 试件厚度； 试件高度； 有效裂缝长度； m楔形加载架的质量( 若楔形加载架固定在试验机上 则不计人) ； g 重力加速度 ； E 计算弹性模量； 装置加式引伸计刀口薄钢板的厚度； 。 裂缝口张开位移临界值； a o 初始裂缝长度； c l 试件初始 F 值。 由试件 曲线的上升段之直线段上任一点的 F 、 计 算， c yV f E。 在混凝土试件的外加荷载到达起裂荷载 。 时， 结构性能仍 在线弹性范围内， 所以起裂断裂韧度K 的计算就可以选用线弹 性断裂力学公式 ， 具体入式( 2 ) 所示 ： ) t h J， ( 2 ) 式中 d ) = 笪 旦 ， ； 一 ( ， 1 0 ) ； K 墨 起裂断裂韧度 起裂水平荷载； _起裂荷载。 即试件 曲线的上升段中从直线段转变为曲线段的转 折点所对应的荷载。 2 2 三点弯曲梁( t h r e e p o i n t b e n d i n g b e a m me t h o d ) P e t e r s s o n于 1 9 8 0年用带裂缝的三点弯曲试验梁求混凝土 断裂能， 并证明了其可行性 ， 使得对混凝土断裂能的测试前进 了一步。 后来 R I L E M也推荐“ 用带切 口的三点弯曲梁确定砂浆 和混凝土断裂能” 作为标准测试方法， 如图 1 所示， 并定义断裂 能是产生单位面积的裂缝所必需的总能量。 图 1 带切口的三点弯曲梁试件示意圈 类似于楔入劈拉法， 首先计算出三点弯曲梁法的失稳断裂 韧度 ， 计算公式如式( 3 ) ： 1 5 ( F , +m g x l 0 ) x l O S ( U _， ( ) ( 3 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中 ) = 1 9 9 -a ( 1 - a ) ( 2 1 5 - 2 9 3 a +2 一 7 a 2 ) ，0f = h ； c a n ( - o - s a - h o ； E= ， 1 一3 7 0 + 3 2 6 0 ta n ( 詈 ) K 一失稳断裂韧度； m 试件支座间的质量( 用试件总质量按 S L比折算) ； S 试件两支座间的跨度； 、g 、 t h h 。 、 V 。 、 E、 a o 、 c 广一 含义与楔人劈拉法相一致。 三点弯曲粱法的起裂断裂韧度 按式( 4 ) 计算 ： 1 5 ( 付 m g x l O ) x l O S K _， ( ) 式中 ) = ， = ； 起裂断裂韧度； 起裂荷载。 ( 4 ) 即试件 曲线的上升段 中从直线段转变为曲线段的转 折点所对应的荷载。 3 几类混凝土的断裂性能 大量的试验研究结果表明， 混凝土的断裂发生在某一区域 内， 先是大量的微裂缝产生、 发展 ， 然后汇集成可见的宏观裂缝 直至断裂。 然而对于不同类型的混凝土而言， 其断裂特性和影响 断裂韧度的因素也有很大差别 ， 因此有必要就不同类型混凝土 的断裂特性分开进行探讨。 3 1 普通 混凝 土 混凝土是当代最主要的土木工程材料之一 ， 由于其具有原 料丰富、 价格低廉、 生产工艺简单的特点 ， 因而其用量越来越大。 同时混凝土还具有抗压强度高、 耐久性好 、 强度等级范围宽等 特点。 这些特点使其广泛应用于各类建筑中。 通过大量多尺寸试件的全过程断裂试验观测表明， 混凝土 试件在失稳破坏前存在一段应变软化的裂纹发展过程区， 从而 导致预制裂缝试件的开裂参数与失稳参数存在有一定的差别【蠲。 混凝土断裂特性与完全张开的裂缝前端破损过程区内微裂纹 的出现， 以及材料颗粒之间的相互作用密切相关。 这种作用的力 学简化就是所谓阻止裂纹发展的黏聚力 ， 使得不同韧带长度的 结构承载力发生变化伫 q 。 事实上， 裂纹结构在失稳断裂前 ， 预制 裂纹前端已经历了损伤开始和损伤区缓慢扩展的过程 ， 裂纹准 静态扩展过程可以看作是由无数个暂态平衡所形成。 影响混凝土断裂性能的因素主要有 ： 混凝土强度等级、 缝高 比、 试件尺寸大小、 试验方法等。 经过大量的试验得出不同强度 的混凝土试件 ， 混凝土强度越低 ， 其荷载位移曲线下降段相 对越平缓些。 试件混凝土强度越高， 瑶 和砼 的平均值就越大， 表 明强度高的混凝土抗拉强度越高， 起裂荷载占失稳荷载的密度 较大 ； 对于不同尺寸的试件， 其起裂韧度和失稳韧度随着试验 高度的增大而增大， 且当高度大于某一值时， 起裂韧度和断裂 韧度将不再增加 ， 另外， 不同尺寸试件的起裂韧度和失稳韧度 均随着预置裂缝的增大而减小， 即缝高比影响试件的断裂韧度 ； 不同的试验方法对试件的断裂韧度有较大影响 ， 因此在有条件 的情况下， 要尽量提高试验精度， 减少试验误差。 3 2 钢 筋混 凝土 钢筋混凝土( R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， R c) 是指通过在混凝土 中加入钢筋与之共同工作来改善混凝土力学性质的一种组合 材料， 钢筋混凝土中钢筋承受拉力 ， 混凝土承受压力， 并发挥了 各 自的优势， 初步克服了混凝土抗拉强度低、 用途受限制的弱 点， 成为加劲混凝土最常见的一种形式。 钢筋混凝土梁出现裂缝的原因很复杂 ， 主要有材料或气候因 素、 施工不当、 设计和 施工错误、 改变陡用功能或使 用不 网 等， 因此 ， 冈 筋混凝土断裂陛能的砌究也赘 E ，听 亍 。 钢筋在混凝土试件中起到限裂作用， 钢筋的存在 ， 可以使 断裂韧度值有所提高， 因此相对普通混凝土试件来说 ， 钢筋混 凝土试件的断裂很少出现脆性破坏； 钢筋与裂纹尖端相对位置 对断裂参数的影响 ， 钢筋穿过裂缝， 钢筋位于裂缝尖端， 以及钢 筋穿过预制裂缝之外的混凝土实体， 以上 3种情况下， 对试件 的失稳荷载均有影响， 使得钢筋混凝土试件的失稳荷载不断增 加。 除此之外 ， 最小配筋率对钢筋混凝土断裂也有较大影响 。 3 3碾压 混凝 土 碾压混凝土( R o l l e r C o mp a c t e d C o n c r e t e ， R C C) 是一种干硬 性贫水泥的混凝土， 使用硅酸盐水泥、 火山灰质掺合料、 水 、 外加 剂、 砂和分级控制的粗骨料拌制成无坍落度的干硬陛混凝土。 近年来碾压混凝土坝在世界许多国家迅速发展起来。 由于 碾压混凝土坝分层铺设碾压 ， 存在着层间结合和坝体的层间稳 定等突出问题。 因此， 有必要对碾压混凝土断裂机理进行研究 。 尽管软化规律是材料的自身特性， 由于碾压混凝土的干硬性等 特点， 其断裂参数与普通混凝土必然存在一定差异。 有关碾压混 凝土材料本身断裂特性的试验研究甚少， 且尚有的研究结果具 有尺寸效应5 1 ， 不能直接用于工程实际， 只能借用普通混凝土的 断裂参数来近似计算。 针对混凝土尺寸效应这一问题 ， Ba z a n t 指出， 在大多数情况 下， 混凝土这种准脆性材料裂纹起裂时并不破坏。 尺寸效应是由 宏观裂纹扩展时的应变能耗所引起。 他认为采用 we i b u l l 统计 理论分析混凝土尺寸效应并不合适。 由此 ， 他认为应通过比较不 同试件的名义强度 O N 来分析尺寸效应 ， 并建立了0 r N 与试件尺 寸 d的如式( 5 ) 关系 ： r N = B x f ( 1 ) - m , fl = d d o ( 5 ) 式中： 混凝土抗拉强度； B， d o 可由试验确定的常数。 2 0 0 3年， Wi t t ma n n 、 H u X z 在得到的混凝土名义抗拉强 度尺寸效应公式基础上， 给出了混凝土断裂韧度尺寸效应公式： 高 (6 ) 基于式( 6 ) ， 文献 3 o 1 提出碾压混凝土断裂韧度存在着尺寸 效应， 其基本规律与普通混凝土断裂韧度尺寸效应规律相同， 并 且符合式( 7 ) ： 2 m 式中： 、 h 大、 小试件的高度 ， m； 、 大、 小试件的体积 ， m 3 ； K 大、 小试件测定的断裂韧度 ， MN mm； _We i b u u系数， = ， ( O 0 1 3 C v 0 2 3 0 ) ； 、 6 5 c c 式件的变异系数， ( ) E ( ) 】 。 。 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 根据式( 7 ) 计算出碾压混凝土断裂韧度 ， c O 0 4 5 4 ， a = 2 7 。 并将公式推算结果与试验结果比较如表 1 所示。 表 1 碾压混凝土断裂韧度计算值与试验值 的比较 注： 为文献【 3 0 中相应尺寸试验中折算成相同缝高比0 4的断裂 韧度的平均值 。 从表 1 可以看出， 碾压混凝土试件的断裂韧度随着试件尺 寸的增大 ， 断裂韧度也有一定的变化， 但是当试件达到一定尺 寸后， 断裂韧度变化不大， 并趋于一个常数。 3 4纤维 混凝土 纤维混凝土( F i b e r R e i n f o r c e d C o n c r e t e ， F R C) 是在脆性易 裂的普通混凝土中添加乱向分布的纤维材料组成的一种多相 非均质的复合材料3 2 1 。 纤维混凝土不仅可以保持混凝土自身的 优点， 更重要的是纤维的掺入， 对混凝土基体产生了增强 、 增韧 和阻裂效应 ， 极大地提高了混凝土的抗拉、 抗弯强度 ， 阻裂 、 限 缩能力， 抗冲击 、 耐疲劳性能， 改变了混凝土的脆性易裂的破坏 形态， 纤维抑制了混凝土早期裂缝的产生和裂缝的扩展 ， 同时 对混凝土的抗拉、 抗弯、 抗冲击 、 抗渗和抗冻性能等均有较大的 增强作用 ， 能显著提高混凝土的断裂韧性， 变脆性破坏为近似 于延性断裂， 在荷载等疲劳因素作用下， 因其阻裂能力的提高， 明显延长了其使用寿命。 正是因为在混凝土中掺入纤维后显示出抵抗裂纹形成及 其扩展的巨大潜力， 使得纤维混凝土的断裂行为与素混凝土相 比有很大差别。 因此， 研究纤维混凝土断裂特征， 建立断裂模型， 不仅对了解纤维混凝土材料本身具有重要意义， 而且对纤维混 凝土的结构性能研究和结构设计有一定的指导作用。 以高丹盈、 朱海堂为首的课题组就纤维混凝土断裂性能做 了大量研究工作6 ,3 3 - 3 5 。 王占桥6 1 在其博士论文中指出： 混凝土和 高强混凝土基体中加入钢纤维可以显著提高其断裂韧度， 有效 地改善其断裂能， 提高其裂缝张开位移 ； 相对于铣削型和剪切 波纹型钢纤维， 弓型钢纤维对钢纤维混凝土断裂性能的改善最 为有效； 混凝土基体强度也将影响钢纤维的增益效应 ； 聚丙烯 纤维的加入对高强纤维混凝土断裂韧度影响不显著， 但可以有 限提高其断裂能， 对裂缝张开位移的改善作用也很有限； 聚丙 烯纤维主要改善高强混凝土的裂后行为。 张廷毅3 3 J指出， 初始裂 缝制作方法对高强钢纤维断裂韧度影响不大； 钢纤维体积一定 时， 相对切口深度对高强钢纤维断裂韧度影响显著； 随着水灰 比的减小 ， 钢纤维高强混凝土断裂韧度呈增大趋势。 研究表明， 相对于素混凝土而言， 钢纤维混凝土的初裂应 力可提高一倍左右， 有的甚至比素混凝土的峰值应力还高， 继续 开裂必须克服裂缝前端钢纤维的阻挡作用， 钢纤维混凝土的最 终破坏由钢纤维从基体中拔出而导致闭。 S E M观测到带缺口试 件裂纹引发及断裂型式通常有 3 种， 最常见的是钢纤维沿裂纹 路径方向滑动， 伴随微裂产生与裂纹分枝3 7 3 。 王新友口 基于线弹性断裂力学( L E F M) 和迭加原理， 给出 了纤维增强复合材料中裂纹尖端的应力强度因子 ： K R = K c + K r ( 8 ) 式中： K 。 无纤维时裂纹尖端的应力强度因子； K 使裂纹闭合的纤维桥接引起的应力强度因子。 5 0 该式是钢纤维混凝土断裂研究中的一个最基本模型， 因为 假定纤维产生的闭合力沿裂纹长度均匀分布以及不考虑非线 性桥接区中吸收的能量 ， 所以， 计算值与实际值有较大差异。 关丽秋和赵国藩口 基于线弹性断裂力学理论研究了钢纤维 混凝土的断裂问题。 以I 型裂纹问题为例， 将钢纤维简化成作用 在裂缝上的阻裂应力 在计算上就可以把一个钢纤维混凝土 构件当作一个尺寸与之完全相同的素混凝土构件( 等效构件) 来 处理 ， 可得应力强度 因子为 ： K FY 、 。 t r - 7 o T ( 1 d ) v d ( 9 ) 式中： l ， 与裂缝类型、 加载方式及构件尺寸有关的常数； 。 裂缝半长 ； 作用在无穷远处垂直于裂缝的拉应力； 纤维方 向系数 ； ，r 黏结应力 。 张廷毅通过理论推导 ， 也给出了钢纤维混凝土的断裂韧度 计算公式： ) F ( )= 2 9 ( 4 6 ( )3 + 2 1 s ( 卜 s 6 )7_2 + 3 s 7 ( a o ) 式中： 钢纤维混凝土断裂韧度； 有效裂缝长度。 有关资料统计表明， 普通混凝土的断裂能一般不会超过 1 5 0 N m， P e t e r s s o n用三点弯曲试验得出一般混凝土的断裂能约 为 6 0 1 0 0 N m4 0 。 李方元4 l _等通过试验测得高强混凝土的断裂能 约为普通混凝土的两倍， 钢纤维混凝土的断裂能则为普通混凝 土的7倍多。 可以想象 ， 当钢纤维混凝士的掺量不断提高， 其断 裂能也会不断提高， 文献 4 2 1 5 浆渗钢纤维混凝土( s c c 0 N) 的 试验结果也表明这一点。 将不同混凝土的平均断裂列于表 2 。 表 2 不 同混凝土断裂能的比较 注： H S C ： 高强混凝土 ； S F H S C ： 钢纤维高强混凝土 ； S I F C O N： 浆渗 钢纤维混凝 土。 由表 2可知， 高强混凝土断裂能比普通混凝土断裂能有较 大提高， 同时钢纤维的添加， 会提高混凝土的韧性， 提高断裂能。 而且随钢纤维含量的提高， 这一作用将更加明显。 4结论 经过对 7种断裂模型的分析 ， 结合我国的实际国情， 考虑 实际情况， 双 K断裂模型被写入我国 水工混凝土断裂试验规 程 中， 并详细给出了双 K断裂模型试验中起裂韧度和失稳韧 度的计算过程。 对于不同类型混凝土， 影响其断裂韧度的因素也不一样， 断 裂试验现象也不尽相同， 然而对比分析几种混凝土断裂特性的 文献相对较少 ， 因此， 有必要就相同条件下 ， 进行不同类型混凝 土的断裂试验。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 参考文献： 【 1 】K A P L AN M F C r a c k p r o p a g a t i o n a n d t h e f r a c t u r e o f c o n c r e t e J J o u r _ n a l o f t h e A m e ri c a n C o n c r e t e I n s t i t u t e ， 1 9 6 1 ， 5 8 ( 5 ) ： 5 9 1 6 1 0 【 2 HI L L E R B O RG AA n a l y s i s o f c r a c k f o r ma t i o n a n d c r a c k g r o w t h i n c o n - c r e t e b y me a n s o f f r a c t u r e m e c h a n i c s a n d f i n i t e e l e me n t s J 】 C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 7 6 ( 6 ) ： 7 7 3 7 8 2 3 X U S h i l a n g ， R E I NH A RD T H W D e t e rmi n a t i o n o f d o u b l