双裂缝混凝土试件断裂过程试验研究.pdf

安j求等： 双裂缝混凝土试件断裂过程试验研究 5 双裂缝 混凝土试件 断裂过程试验研 究 安康 ， 胡少伟 ( 1 河海大学力学与材料学院 。 南京2 1 0 0 9 8； 2 南京水利科学研究院材料结构研究所 南京2 1 0 0 2 4 ) 【 摘要】 为了研究不同缝间跨比值( a c s s ) 混凝土三点弯曲梁试件断裂参数变化规律， 并探讨边缝的存在 对跨中裂缝断裂特性的影响， 以双 K断裂理论为基础， 设计制作了4组相同初始缝高比、 不同缝间跨 比值( o 、 o 1 、 o 1 5 、 o 2 ) 的混凝土三点弯曲梁试件， 研究跨中主裂缝起裂韧度和失稳韧度的变化规律。结果表明： 起裂韧度随着 缝间跨比值的增加而增大， 均值从缝间跨比值为。 到o 2 增加了o 1 4 M P a i n ； 失稳韧度随着缝间跨比值的增加 而减小， 均值从缝间跨比值为0到0 2 减小了0 0 9 M P a 1 11 ； 这种变化使混凝土的韧性逐渐减小， 脆性逐渐增加。 【 关键词】 混凝土； 双 断裂； 双裂缝 ； 缝间跨比值； 起裂韧度； 失稳韧度 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 【 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 5 0 4 EXP E Rn皿 N TA I 【 T I J DY ON F RACT l J RE P R I = 】 0lF DoU BI 厦 C RACK CONCRET E S P ECl 】 、 EN AN Ka n g ，HU S h a o we i ( 1 C o l l e g e o f Me c h a n i c s a n d M a t e r i a l s ， H o h a i U n i v ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ； 2 Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g D e p a r t me n t ， N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， N a n j i n g 2 1 0 0 2 8 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y t h e c h a n g e r u l e o f c o n c r e t e f r a c t u r e p a r a me t e r s f o r d i f f e r e n t r a t i o o f c r a c k s p a c i n g a n d s p a n ( R C S S ) ， a n d t h e i n fl u e n c e o f s i d e c r a c k o n mi d s p a n c r a c k ， f o u r g r o u p s t h r e e - p o i n t b e n d i n g s p e c i m e n s w i th s a m e i n i u a l c r a c k d e p th r a t i o s a n d d i f f e r e n t R C S S ( 0 、 0 1 、 0 1 5 、 0 2 ) a r e d e s i g n e d a n d c o n s t ruc t e d b a s e o n d o u b l e K f r a c t u r e the o r y T h e c h a n g e rul e o f t h e i n i t i a t i o n f r a c t u r e t o u g h n e s s a n d the u n s t a b l e t o u g h n e s s for mi d s p a n c r a c k i s s t u d i e d T h e r e s u l t s s h o we d t h a t the i n i t i a t i o n f r a c t u r e t o u ghn e s s w i l l i n c r e a s e a s th e R C S S i n c r e a s e s a v e r a g e i n c r e a s e d b y 0 1 4 MP a m w h e n the R C S S c h a n g e d f r o m 0 t o 0 2 ；a n d t h e u n s tab l e t o u ghn e s s w i l l d e c r e a s e a s t h e R C S S i n c r e a s e s ， a v e r a g e d e c r e a s e d b y 0 0 9 MP a m w h e n the R C S S c h a n g d f r o m 0 t o 0 2 T h i s c h an g e ma d e the c o n c r e t e t o u ghB e s s d e c r e a s e d gr a d u a l l y and b ri t tl e n e s s i n c r e a s e d g r a d u a l l y Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； d o u b l e K f r a c t u r e； d o u b l e c r a c k s ； r a t i o o f c r a c k s p a c i n g a n d s p an ； i n i t i a t i o n f r a c t u r e t o u ghn e s s ； u n s ta b l e to u ghn e s s 0引言 混凝土断裂力学的研究起始于 1 9 6 0年 K a p l a n M F开 展的混凝土断裂韧度 K 的研究” J 。经过半个多世纪的发 展， 混凝土断裂力学也从线弹性断裂力学发展到弹塑性断 裂力学。我国学者徐世娘教授根据早期的断裂模型和混凝 土断裂过程中的三个阶段， 提出了物理意义明确的双 K断 裂模型， 为我国的混凝土断裂力学研究奠定 了理论基础。 在双 K断裂理论中， 影响起裂韧度和失稳的韧度的因素很 多， 诸如试件尺寸、 混凝土强度、 骨料粒径与颗粒级配 】 、 初 始缝高比、 基体材料” 等。徐世娘等 对三点弯曲梁试件 的尺寸效应做出了研究， 得出混凝土双 K断裂参数无明显 的尺寸效应。胡少伟等 对三点弯曲梁试件的混凝土强度 等级做出了研究， 得出相同缝高 比的标准混凝土三点弯曲 梁试件其双 K断裂韧度不随设计强度等级的变化而变化。 张小刚等 对楔入劈拉试件初始缝高比对断裂韧度的影响 做出了研究， 得出碾压混凝土失稳断裂参数随缝高比的增 大有一定程度增加。在混凝土有限元分析裂缝模型研究 中， 如虚拟裂缝带模型、 等效断裂模型等均考虑了多条裂缝 存在的问题。文献 对多裂缝等效断裂模型进行了研究， 得到了与试件尺寸相关的混凝土多裂纹等效断裂模型。文 献 对多裂缝素混凝土梁数值模拟结果表明， 多裂缝素混 凝土梁的裂缝进展过程比较复杂。裂缝位置不同， 初始长 度不同， 构件承载力也不同， 裂缝开展顺序 以及导致结构最 终破坏的主裂缝都有不同。以上只是基于数值分析的结 果 ， 并未考虑裂缝间的相互影响规律 ， 而且缺乏实际的试验 证实。基于此， 文中针对具有两条裂缝 的混凝土试件进行 试验研究 ， 对双缝之间的影响规律进行深入探讨， 为以上数 值模型分析及实际工程应用提供参考。 基金项目】 国家自然科学基金项目( 5 1 2 7 9 1 1 1 ) ； 2 0 1 3 年水利部公益性行业科研专( 2 0 1 3 0 1 0 3 8 ) 6 低温建筑技术 2 0 1 4 年第 2 期( 总第 1 8 8 期) 1 试验过 程 1 1 试件选择依据 裂缝由其受力不同， 可分为三种基本类型： 张开型裂缝 (I 型裂缝) 、 滑开型裂缝(型裂缝) 和撕开型裂缝( 型裂 缝 ) 。实际结构中， 张开型裂缝是最为危险的， 最容易引起 低应力脆断。因此 ， 张开型裂缝要比其他两种裂缝更容易 引起重视。 目前 ， 对张开型裂缝(I型裂缝) 的断裂试验研究主要 有两种 方法， 三点 弯 曲梁法 ( T h r e ep o i n t b e n d i n g b e a m m e t h o d ) 和楔人劈拉法( w e d g e s p K R i n g me t h o d ) 。用楔入劈 拉法研究混凝土断裂， 由于其结构及受力形式所限， 很难对 存在多条裂缝的混凝土试件进行研究 ， 而三点弯 曲梁法则 满足这一点， 故本试验选用三点弯曲梁法。根据 I型裂缝 的研究方法， 将一条裂缝设置在三点弯曲梁试件的跨 中， 另 一 条裂缝设置在跨中裂缝的一侧。这样设置的试件从类型 上仍属于 I 型裂缝， 便于运用现有的研究成果对其进行分 析。边缝则属于 I、 复合型裂缝， 按复合型裂缝对其进行 分析。 1 2 试件尺寸及制作 试件尺寸选用跨高比为4的标准混凝土试件 ， 长 宽 高为 1 2 0 0 mm X 1 2 0 m m 2 5 0 m m， 缝高比为 0 4 ， 缝间跨 比值 ( 双缝间距与跨度的比值) 为 0 、 0 1 0 、 0 1 5 、 0 2 0 ， 所对应的 双缝间距为0 m m、 1 0 0 ra m、 1 5 0 mm、 2 0 0 mm。缝间跨 比值为 0 的混凝土试件相当于单裂缝试件， 具体尺寸见表 1 。试件的 预制裂缝选用 3 m m厚钢板制作， 并在裂缝顶部制作成尖端 ， 以符合裂缝尖端形态。混凝土强度选用 C 3 5等级的普通混 凝土， 由南京建工混凝土有限公司混凝土分公司生产， 坍落 度为 1 61 8 e m， 并在常温下一次浇筑及养护。 表 1 试件尺寸 ( a) 双缝 ( b) 单缝 图1 混凝 土试件尺寸 1 3 试验过程 图2混凝土破坏形态 将制作好的混凝土试件在其跨中位置均匀布置并粘贴 4个应变片见图2 。跨中裂缝和边缝的裂缝尖端两侧各粘贴 一 个应变片， 以测定其起裂荷载。在混凝土试件裂缝尖端 位置粘贴两个夹片 ， 固定夹式引伸计( 测量范围为 一1 0 + 4 0 m m， 精度为 0 0 0 0 2 m m) ， 以测定其裂缝 口的张 口位移 ( C MO D) ， 荷 载 由南京 水利 科学 研究 院材 料 结构 大 厅 5 0 0 0 k N压力试验机提供 ， 采集系统有 ： 5 0 k N压力传感器、 夹 式引伸计、 东华数据采集与控制系统。同时， 引进八通道 S A M O S T M声发射系统 ， 动态监视裂纹扩展过程。荷载加载 速率控制在 1 0 N s 平稳地加载至极限荷载 ， 直至试件开裂 破坏 。 2试验结果及分析 2 1 计算结果 根据上述试验采集到的荷载和应变信息， 依据文献 中对三点弯曲梁断裂韧度的计算式对其试件的起裂韧度和 断裂韧度进行计算， 剔除其中失效的数据 ， 结果见表 2 。 2 2 1 起裂韧度和失稳韧度分析 断裂韧度是反映材料抵抗裂纹扩展 即抵抗脆性断裂的 能力， 是材料的力学性能指标， 从另一方面来说， 混凝土的 脆性也可以通过断裂韧度来评判 。失稳韧度和起裂韧度按 照上述文献 中提供的计算公式进行计算。起裂荷载的确 定方法是通过粘贴在混凝土裂缝尖端两侧的应变片变化曲 线判断其起裂荷载， 如图 3 所示， 应变最大处即为起裂荷载。 通过表 2 中数据可以看出： 起裂韧度随缝闯跨比值的增加而 增大， 其均值从单缝时的 0 4 2 M P a m 增 加到缝间跨 比值 为 0 2时的0 4 5 MP a m“ ， 增加了 0 0 3 MP a m ， 增加速 率为 0 0 1 5 MP a m o ； 与起裂韧度所不同的是， 失稳韧度 随着缝问跨比值的增加而减小， 其均值从单缝时的0 7 6 MP a m 减小到缝问跨 比值为 0 2时的 0 6 7 MP am ， 减小 了0 0 9 MP a m ， 减小速率为 0 0 4 5 MP am o - ， 如图 4 所示。起裂韧度和失稳韧度的一增一减导致了其差距逐步 缩小， 起裂韧度与失稳韧度的比值则逐步增大， 均值从 0 5 5 囡山囡山 1j 1j 安康等： 双裂缝混凝土试件断裂过程试验研究 7 从起裂荷载和失稳荷载来看， 其变化趋势基本与起裂 韧度和失稳韧度的变化趋势一致， 说明起裂荷载和失稳荷 曩 7一 f 稻 棹 _ 4 O 一3 0 2 O 一1 0 0 5 1 0 1 5 应变 x1 0 * 图3应变 荷载曲线 图 缝问跨 比值 图5荷载变化趋势 由此可见， 边缝的存在会对起裂韧度和失稳韧度造成 影响， 使混凝土材料的韧性下降， 脆性增强。其原因来源于 边缝在断裂过程中对跨中裂缝的分担作用 ， 这种分担作用 体现在荷载和张 口位移上。加载过程中， 与单缝试件断裂 相比， 双裂缝试件有两条裂缝承荷载， 跨中裂缝所承受的荷 载相对较少， 导致了同等荷载下单缝试件起裂而双缝试件 不起裂， 表现出来的则是起裂荷载的增加。同理， 边缝的张 载的变化会对起裂韧度和失稳韧度造成直接的影响。如图 5所示。 日 吕 口 0 寮 U 缝问跨比 值 图4 断裂韧度变化趋势 缝问跨比值 li 1 6 边缝最大张口位移 ( C M O D m x ) 变化曲线 口位移也会分担跨中裂缝的张口位移， 导致跨中裂缝的张 口位移变小。边缝的最大张口位移如图6所示 ， 随着缝间跨 比值的增加， 最大张口位移也增大， 对边缝的分担则越多， 但其趋势趋于平缓， 说明边缝的分担量并不是一味的增加 ， 而是有一个极限状态。由于本次试验量的限制， 并未找到 峰值点所在的位置 ， 但根据其趋势线推理， 峰值点应该在缝 间跨比值为O 2 0 3之间的某个位置上。 z 椁 8 低温建筑技术 2 0 1 4年第 2 期( 总第 1 8 8 期) E P S与棉 花秸秆矿渣复合保温材 料研 究 姚仕明， 冯勇， 晋强， 韩艳丽， 付彬彬 ( 新疆农业大学水 利与土木工程学院 ， 乌鲁木齐8 3 0 0 5 2) 【 摘 要】 在前期石膏、 棉花秸秆纤维矿渣等墙体复合材料研究的基础上， 通过掺加 E P S 颗粒研制出一种轻 质、 隔热 、 具有一定强度等多功能新型墙体复合材。该材料以 E P S颗粒为保温骨料， 矿渣为骨料， 水泥、 石膏为胶 凝材料， 通过掺加粉碎的棉花秸秆纤维来解决无机、 有机材料界面的粘结强度低及 E P S颗粒上浮的问题 ， 从而试 制出一种性能良好的墙体材料。 【 关键词】 E P S ； 棉花秸秆纤维； 矿渣 ； 保温性 【 中图分类号】 T U 5 3 1 6 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 8 0 3 RES EARCH oN CEMENT GYPS UM BAS ED EP S AND CoTToN S T ALK FI B ER S LAG COMPoS I TE I NS ULATI oN M ATERI ALS RES EARCH Y A O S h i mi n g ， F E N G Y o n g ， J I N Q i a n g ， H A N Y a n L i ， F U B i n b i n ( C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l E n g i ， X i n j i a n g A g ri c u l t u r a l U n i v ， U r mu q i 8 3 0 0 5 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n e a r l y r e s e a r c h b a s e d o n t h e s t u d y o f g y p s u m，s l a g a n d o t h e r c o t t o n s t a l k f i b e r c o mpo s i t e wa l l， b y mi x i ng EP S be a d s a l i g h t we i g h t ，i ns ul a t e d，h a s a c e r t a i n s t r e n g t h o f n e w wa l l mu hi f u n c t i o n a l c o mp os i t e s i s d e v e l o p e d T he ma t e ria l u s e EP S a s i ns u l a t i o n p a r t i c l e s a g g r e g a t e，s l a g a s a g gre g a t e，c e me n t a n d g y p s u m a s ma t r i x ， thr o u g h mi x e d w i th c ras h e d s t r a w fi b e r s o f c o t t o n t o s o l v e i n o r g a n i c a n d o r - g a n i c m a t e r i a l s j r o w i n t e r f a c e b o n d i n g s tr e n g t h a n d E P S p a rt i c l e s fl o a t i n g p r o b l e m s ，i n o r d e r t o tr i a l p r o d u c e a k i n d o f w a l l ma t e r i a l w i th g o o d p e rfo r ma n c e Ke y wo r d s ： E P S；c o t t o n s t a l k fi b e r ；s l a g；i n s u l a t i o n 基金项目】 国家科技支撑计划 ： 西北严寒农牧区抗震节能农宅及设施农业工程关键技术研究与示范( 2 0 1 3 B A J 1 2 B 0 5 5 ) ； 2 0 1 0 年国 家高等学校博士点专项科研基金： 棉花秸秆草砖墙研制及与外框协同工作机理研究( 2 0 1 0 6 5 0 4 1 2 0 0 0 1 ) ； 新疆水利水电重点学科基金( X J S L S - DZDXK2 0 1 2 1 3 3结 语 试验得出： 在缝高比为 0 4的前提下 ， 起裂韧度随着缝 问跨比值的增加而增大 ， 均值从单缝时的0 3 1 M P a- m 增 加到缝 间跨 比值 为 0 2时 的 0 4 5 MP am ， 增 加 了 0 1 4 MP a m ； 失稳韧度随着缝间跨比值的增加而减小， 均 值从单缝时的0 7 6 MP a m ， 减小到缝间跨 比值为 0 2时 的0 6 7 MP a m ， 减小 了0 0 9 M P a m 。随着缝间跨 比 值的增加， 混凝土的韧性逐渐减小， 脆性逐渐增加。 2 3 参考文 献 K a p l a n M F C r a c k p ro 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 U I C Y C I e J A C I J o u r n a l ， 1 9 6 0 ， 5 8 ( 5 ) ： 5 9 1 6 1 0 吴志敏， 徐世娘 ， 刘红艳， 等骨料最大粒径对混凝土双 K断 裂参数的影响 J 大连理工大学学报， 2 0 0 0 ， 4 0 ( 3 ) ： 3 5 8 3 6I _ 徐世娘 ， 周厚贵 ， 高洪波 ， 等 各种级 配大坝混 凝土 双 K断裂 参数试验研究 J 土木工程学报， 2 0 0 6 。 3 9 ( 1 1 ) ： 5 0 6 2 4 吴志敏， 徐世娘， 王金来， 等 三点弯曲梁法研究混凝土双 K 断裂参数及其尺寸效应 J 水利发电学报， 2 0 0 0 ， 7 1 ( 4 ) ： 1 6 2 4 5 胡少伟， 范向前， 陆俊 强度等级对混凝土双 K断裂参数的影 响 J 水电能源科学， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 9 ) ： 7 7 8 1 6 张小刚， 王学志， 陈意勤 缝高比及尺寸对碾压混凝土失稳断 裂的影响 J 深圳大学学报理工版， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 2 ) ： 1 2 5 1 3 0 7 王学志， 张小刚， 宋玉普 ， 等 多裂纹混凝土等效断裂模型研 究 J 水利发电， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 2 ) ： 2 0 - 2 2 8 刘刚锋 混凝土结构多裂缝数值分析 M 北京： 北京工业大 学 ， 2 0 0 5 9 D I V T 5 3 3 2 2 0 0 5 ， 水工混凝土断裂试验规程 s 1 0 徐世娘 混凝土断裂力学 M 北京： 科学出版社， 2 0 1 1 收稿日期 2 0 1 3 一l 1 1 9 作者简介】 安康( 1 9 8 7 一) ， 男， 河南开封人， 硕士研究生， 从事混 凝土损伤断裂研究。