裂缝切口形式对混凝土楔入劈拉试件断裂韧度的影响.pdf

2 0 1 1年 第 2 期 (总 第 2 5 6 期) N u mb e r 2in2 0 1 l ( T o t a l No 2 5 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRE1 1 CAL I 己 ES E ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 2 0 0 2 裂缝切口形式对混凝土楔入劈拉试件断裂韧度的影响 田傲霜 ，王学志 ( 辽宁工业大学 土木建筑工程学 院，辽宁 锦州 1 2 1 0 0 1 ) 摘要 ： 对 4种不同预制裂缝切 口形式 的普通混凝土试件和碾压混凝土试件进行楔人劈拉试验 ， 得到了各种工况下不同切 口形式试件 的 断裂韧度。 分析了预制裂缝切 口形式对楔人劈拉试件断裂韧度的影响。 试验结果表明 ： 采用 v型切 口的试件断裂韧度最大 ， 锯缝切 口的试 件次之， 方形切口预埋缝试件断裂韧度最小， 预埋钢片不取出的试件断裂韧度无明显规律性。 几种预制裂缝切口形式下的楔人劈拉试件断 裂韧度测试 中， 采用尖端 v型的钢 片预制裂缝效果较好 。 关键词 ： 普通混凝土 ；碾压混凝土 ；断裂韧度 ；楔人劈拉试验 ；预制裂缝切 口形式 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 0 4 0 3 Effe c t of i nc i s i on s ha pe s o f pr e f a br i c a t ed c r a c k on f r a c t ur e t oug hne s s of c onc r e t e wedg e s pl i t t i n g s pe c i me ns T I AN Ao s h u a n g， WANG Xu e - z h i ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， L ia o n i n gI n d u s t r yU n i v e r s it yo f T e c h n o l o g y， J i n z h o u 1 2 1 0 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e we d g e s p l i t t i n g t e s t f o r f o u r d i ffe r e n t i nc i s i o n s h a p e s o f p r e f a b r i c a t e d c r a c k o f p l a i n c o n c r e t e a n d r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e s p e e i me n s wa s c a r r i e d o u t a n d fr a c tu r e t o u g h n e s s we r e o b t a i n e dTh e e ffe c t o f i n c i s i o n s h a p e s o f pr e f a b r i c a t e d c rac k o n fra c t u r e t o u g hn e s s we r e c o m p a r e d o n t h e a n a l y s i s o f t e s t s r e s u l t s I t ind i c a t e s t h a t f r a c t u r e t o u g hn e s s o fV s h a p e d i n c i s i o n s p e c i me n s i s t h e ma xi mu m a n d t h O S e s a we d i s a l i t t l e s ma l l e r t h an V s h a pe d i n c i s i o n s p e c i me n s a n d t h o s e of r e c t a n g l e s h a p e d i n c i s i o n s p e c i me n s i s the m i n i mu m ， b u t t ho s e e mb e d d e d s t e e l pl a t e h a s n o r u l e o b vi o u s l y V s ha p e d i n c i s i o n p r e f a b r i c a t e d c r a c k i s p r e f e r a b l e wh e n t h e we d g e s p l i tt i n g t e s t i s r e q u i r e d Ke y w o r ds ： p l a i n c o n c 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 ； f r a c tur e t o u g h n e s s ； we d g e s p l i tt i n g t e s t ； i n c i s i o n s h a p e s o fp r e f a b r i c a t e d c r a c k 0 引 言 在混凝土的断裂特性研究中， 断裂韧度 是判别裂缝是否扩 展的一项重要参数。 目前， 国内外关于混凝土断裂韧度的研究已有 很多_ 1 - 。 断裂韧度的测试方法也有多种， 在这些试验方法中， 楔入 劈拉试验因试件易于现场制作， 试验过程简单且稳定， 对试验机刚 度要求低等优点而成为众多学者研究混凝土断裂韧度时采用的重 要试验手段， 同时也成为我国水工断裂试验规程使用的一种方 。 作为一种非均质的混合材料， 混凝土中总是存在着程度不同 的初始裂缝和缺陷， 它的开裂应是在 已有裂缝 睛况下的扩展。 试验 条件下楔人劈拉试件中的初始裂缝， 多采用尖端V形的 3 m m厚的 钢板预制形成旧， 而在实际的工程应用中， 造成混凝土开裂损伤的 原因多种多样。 这些裂缝成因不同， 形态各异， 对混凝土断裂特性 的影响也有所不同。 另外， 从成缝方法和对缝的影响的角度来看， 预 埋裂缝和锯缝对于缝尖的破坏程度也不相同， 其对混凝土断裂韧 度的影响存在多大的差别也有待研究。 为此 ， 本研究应用不同成缝 方法预制裂缝， 对普通混凝土和碾压混凝土楔人劈拉试件的断裂 韧度进行研究， 分析不同裂缝切口形成方式对试件断裂韧度的影响。 1试 验 过 程 1 1 原材料和配合比 试验用水 为生活用 自来水 ， 水泥为 P 0 3 2 5 级水 泥 ， 选 用 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 0 9 - 0 7 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) 4 I I 级粉煤灰 ， 砂子 为天然 中砂 最 大粒径 5 ml Y l ， 粗骨料 采用最 大粒径为 2 0 mm的I 级配碎石， 外加剂为混凝土高效减水剂。试 验所用配合比如表 1 所示。 表 1 普通混凝土( P C) 及碾压混凝土 RC C) 配合比 1 2 试 件 的制作 制作普通混凝土( P c) 和碾压混凝土( R C C) 各 4 组每组 6 个 共 4 8 个试件， 所有试件均采用标准钢模浇筑 ， 分两次振捣成型， 每次成型厚度约为 7 5 mm， 试件一侧中间位置垂直放置两侧涂 油 的钢片 ， 钢片外面包塑 料隔离层 ( 防止钢片 同混凝土黏在 一 起) 。 每种类型试件按预制裂缝切口形式分为4种工况( 见表 2 ) 。 全部试件采用塑料覆膜， 室温洒水方式养护 2 8 d 。 在试验 前 3 d ， 将试件表面磨平， 用建筑结构胶将切割好的大理石块黏 在开缝一侧的试件两端( 如图 1 ) 。试验前实测相关参数见表 3 。 1 3试验装 置 使用 长春新科公 司试验仪 器研究所 生产 的 WDW4 2 0 0微 机控制电子万能试验机进行加载， 最大试验力 2 0 0 k N。 采用华东 电子仪器厂生产的 Y D一 1 5型动态电阻应变仪连接电脑进行图 像采集。 压力传感器量程范围0 5 0 k N。 试验装置如图2 所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 P C R CC) 试件 工况 大理 石 图 1 试件的外观形状简图 表 3 试件 的尺寸及力学参数 图 2 楔入劈拉试验数据采集示意图 按图 2 安 装 、 连接后 ， 启动试验机进行加载 ， 在试 验机上部 加载面与压力传感器即将接触时， 启动微机控制动态采集系统， 微 机控制加载速率为 0 3 ram rai n ， 从开始加载至试件断裂破坏持续 时间为 3 0 5 0 mi n ， 分别采集 2 0 0 0 4 0 0 0个数据 。 按 照这样 的 加载方式 ， 获得 了完整的断裂全曲线 ， 整理绘制试件的 F C MOD 曲线 ( 图 3 、 4 ) 。 CM OD m m 图 3 部分 P C试件竖 向荷载一 裂缝口张开位移 曲线 2 试验分析及计算 2 1 试验现 象 通过对试件破坏过程的观察可以发现 ， 在加载初期， 裂缝 1 5 1 0 Z o 5 0 图 5 各种工况下部分试件破坏裂纹情况 工 况一 ( P C V 和 R C C V) 系列试件 在荷载接 近或达 到最大 荷载时 ， 裂缝尖端产 生 的裂纹 沿一条 主裂缝迅速 扩展 ， 直至试 件断 裂 ， 主裂缝相对 清晰 ， 没 有过 多裂纹产 生 ； T况二 ( P C J 和 R C C J ) 系列试件特点是开裂过程中缝端出现较多裂纹， 主裂缝 不一定沿预制裂缝方 向发展 ； T况三( P C D和 R C C D) 系列试件 在荷载接近峰值时 ， 多数沿预制裂缝切 口出现一主一 次两条裂 缝 ； 工 况四( P C Y和 R C C Y) 系列试 件预埋钢片与预制裂缝产生 黏结 ， 缝端主裂缝发展趋势不明显 。 既有沿切 口的贯通裂缝 ， 也 有一主一次两条裂缝及不沿预制裂缝切 口发展的裂缝 2 2 断裂韧度的计算 根据文献 1 5 计算楔人劈托试件断裂韧度 。 ， 具体步骤如下： ( 1 ) 根据 F - C MO D 曲线确 定的初始 柔度 c = E， 南式 ( 1 ) 计算 弹性模量 E。 1 一 1 3 18 ( 1 a o+ h o )-2t c 1 1 1 1 o_ 9 1 6 ( 1 ) J l 式 中 ： c _试件的初始 V F值 ， p m k N； F 曲线的上升段之直线段上任一点的 、 F计算 ； 试 件厚度 ， m； 试件高度 ， 1 T I ； 装置夹式 引伸仪刀 口厚度 ， 1 T I ； a (r 一裂缝 的初始长度 ， m ( 2 ) 由最大水平荷载 裂缝口张开位移临界值 C MO D 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 及步骤( 1 ) 中得到的E， 计算有效裂缝长度仉。 式 中： 最大荷载 ， k N； 幢楔形加载架的质量( 本试验 ， n l 1 2 k N) ； l 5 。 楔形加载架的楔面与纵轴的夹角。 卜 13 1 8而件 ( 3 ) 计算断裂韧度 。 ， 【 ) 、 式中： h ； ) = 3 6 7 5 1 1 0 1 2 ( a 一 0 4 5 ) 】 ( 1 一 ) 。 ( 4 ) 将非标准试件转化成标准试件的断裂韧度。 ( 式中： 、 船一标准试件与非标准试件； 一 试件的高度 ， m； 一 试件的体积， m ； - - - We i b u l l 参数， 本试验取 a = 1 0 。 根据上述公式， 得到有效试件断裂韧度的计算结果， 见表4 。 表 4 普通混凝土及碾压混凝土断裂韧 度的计算值 6 2 3 试验结果及原因分析 绘制两类试 件断裂韧度 与预制裂缝切 1：3 类 型之 间的关系 曲线 ， 如图 6所示。 由图中可以看 出： ( 1 ) 预制 裂缝 切 口类型相 同时 ， 普通混凝 土( P C) 的断裂韧 度值要大于碾压混凝土( R C C) 。原因在于： 根据断裂韧度计算 公式， 当两类试件的尺寸、 预制裂缝长度及切口类型相同时， 荷 载峰值 lm就成为断裂韧度 K 的主要影响因素， 其大小与混凝 土的抗压强度直接相关 。 由于加入了大量的掺合料， R C C的 早期强度发展慢于 P C t ， 故 R C C的断裂韧度值偏低。 但当二者 强 度相 同时是否仍然具有这种规律尚需进一步 的试验证 明。 P CJ RCCJ PCD RCCD 预制裂缝 切 口类 型( 3 2 况) 图 6 试件断裂韧度 与预制裂缝切 口类型的关系曲线 ( 2 ) P C的断裂韧度值在不同预制裂缝切口情况下呈现出 的趋势为： P C V P C J P C D。 结合观察到的试验现象， 分析其中的 原因： 在工况一的情况下， 预制裂缝尖端的 V型切口使裂纹易 于沿着单一方向扩展， 但裂纹扩展方向不是很顺滑 ， 遇到大粒 径 的骨料 ， 裂纹就会绕开 ， 然后继续发展 ， 断裂韧度受 到骨料 与 砂浆 之间的黏结力 影响较大 ； 在工况 二的情况下 ， 部分粗骨料 在 预制裂缝过程 中被破坏 ， 裂纹可 能不沿预制裂缝扩展 ， 造成 荷载峰值降低， 进而影响断裂韧度值； 在工况三的情况下， 由于 预 制裂缝带有一 定的宽度 ， 所 以缝端 也有一定 的宽度 ， 即缝端 不是尖 的， 而是钝的 ， 使得切 口可能沿一主一次两个方向发展 。 因而断裂韧度值最低。 ( 3 ) R C C的断裂韧度值在不同预制裂缝切口情况下的变化趋 势与 P C的基本一致 ， 即 ： R C C V R C C J R C C D 。原因与 P C相同。 ( 4 ) 在工况 四的情 况下 ， 埋入试件 中的钢片保 留至楔人劈 拉试验结束， 其对周围混凝土造成的损伤要受到多种因素的共 同影响( 如 ： 与周围骨料的相对位置、 黏结情况、 试件的密实度 等 ) ， 无 明显规律性 。 3结论 本研究采用楔入劈拉试验方法对不同成缝方式的普通混 凝 土和碾压混凝土进行 了试验研究 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 总体上 ， 两类 混凝土试件 断裂韧度在不 同预制裂缝 切 口形式 下呈现出较为一致 的规律 ： 切 口形式 为 V 型的试 件( 工 况一 ) 断裂韧度最大， 锯开形成切口的试件( 工况二) 次之， 缝端 有一定宽度的试件( 丁况三) 断裂韧度最小， 而预埋钢片的试件 ( 工况四) 断裂韧度无明显规律性。 ( 2 ) 通过试验现象和断裂参数分析两方面的综合比较 ， 在 几种预制裂缝切 口形式下 的楔入劈拉试件断裂韧度测试 中， 采 用尖端 v型的钢片预制裂缝效果较好。 参考 文献 ： 1 H I L L E R B O R G A， MOD E E R M， P E T E R S S O N P E A n a l y s i s o f c r a c k f 0 下转第 9页 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 O O O O 0 O O 0 0 I 儿 邑 巡 落 ， 2 3 4 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m V L = V m - 2 S ( 3) 与式( 2 ) 相 比， A = 2 ， 不再 随抽样数 ( 测 点总数 ) 而变化。 根据 正态分布， 以平均值减 2倍标准差作为判断有无缺陷的临界值 ， 则大于临界值出现的概率为 9 7 7 ， 小于临界值出现的概率为 2 3 。 以平均值减 2倍标准差作为判断缺陷标准， 从概率统计上 看根据似乎不足 。 3 概率法的完整表述 最后 ， 将 概率 法判断 混凝 土缺 陷的方 法完 整地 表述 如下 ( 图 2为流程图 ) ： 图 2概率法判断缺 陷流程 图 将测值按大小次序排列， 即 l 2 3 v 一 l 口 - - ， 将 排在后面明显小的数据视为可疑 ， 例如 - - ， 先予舍弃， 以剩 下的其他数据按 式( 1 ) 和( 2 ) 进行计算 ， 得到一试算的临界值 。 这 时可能出现两种情况 ： 上接第 6页 ma t i o n a n d c r a c k g r o wt h i n c o n c r e t e b y me a n s o f fra c t u r e me c h a n i c s a n d f i n i t e e l e me n 棚 C e me 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 2 J E N Q Y S ， S HA H S P T w o p a r a m e t e r f r a c t u r e m o d e l f o r c o n c r e t e l J 1d o u r h a l E n g i n e e ri n g Me c h a n i c a l ， A S C E， 1 9 8 5， 1 1 1 ( 1 0 ) ： 1 2 2 7 1 2 4 1 f 3 RE F A I T M E， S WA R T Z S E F r a c t u r e b e h a v i o r o f c o n c r e t e b e a ms i n t h r e e - p o i n t b e n d i n g c o n s i d e ri n g t h e i n fl u e n c e o f s i z e e f f e c t s R K a n s a s S t a t e Un i v e r s i t y ： En g i n e e rin g Ex p e rime n t s S t a t i o n， 1 9 8 7： 1 9 0 4 B R U HWI L ER E， WI T T MA NN F H T h e w e d g e s p l i t t i n g t e s t ， a n e w me t h o d o f p e r f o r mi n g s t a b l e fr a c t u r e m e c h a n i c s t e s t s f J 1 E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 9 0 ， 3 5 ( 1 2 3 ) ： 1 1 7 1 2 9 5 K AR I HA L O O B L ， N A L L A T H AMB 1 P E ff e c t i v e c r a c k m o d e l fo r t h e d e t e r mi n a t i o n o f f r a c t u r e t o u g h n e s s o f e o n c r e t e E n g i n e e r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 1 9 9 0， 3 5 ( 4 5 ) ： 6 3 7 6 4 5 6 邓爱民， 王向东， 朱为玄， 等 混凝土 K判据及 K I C计算公式的讨论I J 】 机械强度 ， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 增T U ) ： 1 8 8 一 I 9 1 7 XU S ， R E I N HA R D T H W D e t e r m i n a t i o n o f d o u b l e K c r i t e ri o n for c r a c k p r o p a g a t i o n i n q u a s i b r i t t l e f r a c t u r e， p a r t I I ： An a l y t i c a l e v a l u a t i n g a n d p r a c t i c a l me a s u r i n g me t h o d s for t h r e e - p o i n t b e n d i n g n o t c h e d b e a m s f J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f F r a c t u r e ， 1 9 9 9 ， 9 8 ( 2 ) ： 1 5 1 1 7 7 8 XU S h i l a n g ， R E I N H A RD T H W D e t e r m i n a t i o n o f d o u b l e K c r i t e r i 0 n f o r c r a c k p r o p a g a t i o n i n q u a s i - b r i t t l e ma t e r i a l s ， p a rt I l l ： c o mp a c t t e n s i o n s p e c i m e n s a n d w e d g e s p l i t t i n g s p e c i me n s J j I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f F r a c t u r e ， 1 9 9 9， 9 8： 1 7 3 1 9 3 【 9 】徐世煨 昆 凝土双 K断裂参数计算理论及规范化测试方法 J 】 _三峡 ( 1 ) 若 Y n V ， 则将 也舍掉 ， 以其余的数据重新进行统计 计算 、 判断 ， 以此类推， 直到剩余数据中最小的一个大于或等于 为止， 则将此试算的临界值定为正式临界值 剩余数据中最 小值 以后 的数据可判为异常点。 ( 2 ) 若 V ， 则将 也纳入统计数据中， 将其以后的数 据舍弃， 重新进行统计计算 、 判断， 以此类推 ， 直到最后纳入的 数据小于 为止， 则将此试算的临界值定为正式临界值 最后 纳入的数据及其以后的数据可判为异常点。 参考文献 ： 1 罗骐先， 周洪心 应用超声法检查混凝土建筑物质量的初步总结 R 南京水利科学研究院 ， 1 9 6 5 2 大坝混凝土无损检测组葛洲坝水利枢纽大坝混凝土超声检测 R 葛 洲坝建设 ， 1 9 8 0 【 3 罗骐先j 昆 凝士的超声检验I J 】 水利水运科学研究， 1 9 8 0 ( 3 ) ： 6 4 7 5 4 罗骐先 应用统计方法以多种声学参数判断混凝土内部缺陷和裂缝 四川建筑 ， 1 9 8 4 ( 2 ) 5 罗骐 先 水工建筑物 混凝土的超声检 测 M E 京 ： 水利水 电出版社 ， 1 9 8 6 6 】罗骐先， 宋人心， 傅翔根据超声波探测结果判断混凝土内部缺陷的 方法 水利水 电技术 ， 1 9 8 8 ( 2 ) ： 1 4 1 7 7 蒋元驹 ， 韩素芳j 昆 凝土工程病害与修补加固【 M _ E 京： 海洋出版社， 1 9 9 6 8 L O U Q X U l t r a s o n i c p u l s e m e t h o d for d e t e c t i n g i n t e r n a l d e f e c t s a n d c r a c k s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s J N o n D e s t r u c t i v e T e s t i n g i n C i v i l E n g i - n e e ri n g ， 1 9 9 3 ( 2 ) 9 罗骐先， 王五平 桩基工程检测手册( 第三版) M 】 北京： 人民交通出 版 社 ， 2 0 1 0 作者简介 单位地址 联 系电话 王五平 ( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 教 授级 高级工程 师 ， 从事混凝土无损 检测和工程 C T的研究及应用。 江苏省南京市广州路 2 2 3号 南京水利科学研究院( 2 1 o 0 2 9 ) 0 2 5 -8 58 2 9 6 3 l 大学学报 ， 2 0 0 2 ( 1 ) ： 2 - 7 1 0 徐世煨 ， 卜 丹， 张秀芳不同尺寸楔入式紧凑拉伸试件双 K断裂参数 的试验测定 J 1 土木工程学报， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 2 ) ： 7 0 7 6 1 1 黄闽莉， 王向东， 曹亮 支承形式对楔入劈拉试件断裂韧度 K I C的影 响lJ J 河海大学学报， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 3 5 4 3 9 1 2 吴智敏， 徐世煨， 刘佳毅 光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程及双 K断裂参数 的尺寸效应f J 1 水 力学报 ， 2 0 0 1 ( 4 )： 3 4 3 9 1 3 吴智敏 ， 杨树桐 ， 郑建军 混 凝土等效断裂韧度的解析方法 及其尺寸 效应I J J _水利学报， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 7 ) ： 7 9 5 8 0 0 1 4 WU z ， Y A NG S， H U X， Z HE N G J - A n a n a l y t i c a l mo d e l t o p r e d i c t t h e e f f e c t i v e f r a c t u r e t o u g h n e s s o f c o n c r e t e f o r t h r e e p o i n t b e n d i n g n o t c h e d b e a m s J E n g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 6 ， 7 3 ( 1 5 ) ： 2 1 6 6 2 1 9 1 1 5 D L T 5 3 3 2 -2 0 0 5 ， 水IS g 凝土断裂试验规程 s 北京： 中国电力出版 社 ， 2 0 0 6 1 6 林辰 ， 金贤玉 影响混凝土断裂性能若干因素的试验研究 J 1 混凝土 与水泥制品 ， 2 0 0 4 ， 1 0 ( 5 ) ： 7 - 9 1 7 田傲霜， 贾艳东 ， 刘红艳， 等 不同类型混凝土受环境影响后断裂性 能 的研究 J 1 武 汉理工大 学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 2 ) ： 3 1 3 3 1 5 1 8 秦明慧 碾压混凝土与普通混凝土异同探讨【 J J 红水河， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 1 ) ： 5 4 -5 7 作者简介： 田傲霜( 1 9 7 5 一 ) ， 女， 讲师， 硕士， 主要从事混凝土断裂研究。 单位地址 ： 辽宁工业大学土木建筑工程学院办公室( 1 2 1 0 0 1 ) 联 系电话 ： l 3 5 9 1 2 8 7 6 8 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m