高強(qiáng)混凝土雙K 斷裂參數(shù)測(cè)試及計(jì)算方法

高淑玲，王 玲，徐世烺

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津 300401;2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

高強(qiáng)混凝土由于施工速度快、工程造價(jià)低，在核電站、大壩、高層和大跨等建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用。但高強(qiáng)混凝土的出現(xiàn)，使混凝土固有的脆性問(wèn)題更加突出，脆性斷裂使得材料性能不能充分發(fā)揮，有時(shí)還會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的事故。因此，研究高強(qiáng)混凝土的斷裂性能就顯得尤為重要[1-4]。在第十一屆巖石、混凝土斷裂、損傷與強(qiáng)度暨大體積混凝土抗裂會(huì)議上，筆者針對(duì)高強(qiáng)混凝土的斷裂問(wèn)題與有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了探討，一致認(rèn)為現(xiàn)階段高強(qiáng)混凝土的斷裂特性研究甚少，現(xiàn)有規(guī)范《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》僅適用于大中型水利水電工程常態(tài)混凝土和碾壓混凝土，而對(duì)工程應(yīng)用最多的高強(qiáng)混凝土并不適用。因此急需加強(qiáng)高強(qiáng)混凝土斷裂性能的研究。本文基于雙K 斷裂準(zhǔn)則[5-8]考慮到楔入劈拉試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)[6]，按照標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸試件尺寸規(guī)定，利用楔入劈拉試件進(jìn)行混凝土斷裂參數(shù)測(cè)定和斷裂特性研究。

1 試驗(yàn)概況

圖1 楔入劈拉試件及測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

水泥采用大連產(chǎn)52.5R 普通硅酸鹽水泥;砂子采用大連產(chǎn)中砂，細(xì)度模數(shù)約為2.7;石子采用石灰石礦生產(chǎn)的碎石，最大粒徑為10 mm;硅粉采用微硅粉920U;粉煤灰采用Ⅰ級(jí)粉煤灰;減水劑采用Sika-Ⅱ高效減水劑;水為自來(lái)水。高強(qiáng)混凝土配合比及相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 高強(qiáng)混凝土的配合比及相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)在1000 kN 微機(jī)控制液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。荷載傳感器采用BLR-1/5000 拉壓式傳感器，測(cè)量范圍為0～50kN;裂縫張開(kāi)位移采用YYJ 系列電子引伸計(jì)，最大變形量為4 mm;荷載和裂縫張開(kāi)位移經(jīng)YE3817 動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器放大后，利用計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)記錄全過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 荷載～裂縫口張開(kāi)位移(P～CMOD)全曲線

圖2 HSC 系列P～CMOD全曲線

試驗(yàn)結(jié)果用P～CMOD全曲線來(lái)表示，見(jiàn)圖2。由圖2可知，高強(qiáng)混凝土峰值荷載和峰值荷載對(duì)應(yīng)的CMOD值變化都很大，很難得到穩(wěn)定的下降段。

圖3 縫高50mm 系列各個(gè)測(cè)點(diǎn)的P～ε曲線

2.3 雙K 斷裂參數(shù)的確定

美國(guó)ASTME 399—72 標(biāo)準(zhǔn)給出了標(biāo)準(zhǔn)緊湊拉伸應(yīng)力強(qiáng)度因子[9]：

表2 斷裂參數(shù)計(jì)算比較

表3 斷裂過(guò)程區(qū)本構(gòu)模型參數(shù)

式中：KIC為試件的斷裂韌度，MPa?m1/2;a為實(shí)測(cè)預(yù)制裂縫長(zhǎng)度，m;h和t 分別為實(shí)測(cè)試件高度和厚度，m;F為水平荷載，kN;P為豎向極限荷載，kN。

式中：B為試件的厚度;E為材料的彈性模量;Pmax為峰值荷載;mg為楔形加載架的重力，mg=0.2275 kN;θ為楔形加載架的楔面與縱軸的夾角，θ=15°;αc為相對(duì)縫長(zhǎng);fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度。

圖4 雙線性軟化本構(gòu)曲線

參數(shù)ws，w0，σs根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式給出[11-12，15]：

其中

式中：GF為混凝土材料的斷裂能;dmax為骨料最大粒徑;fck為混凝土圓柱體特征強(qiáng)度，代表混凝土級(jí)別;fcuk為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;fc為混凝土圓柱體抗壓強(qiáng)度[13]。

高強(qiáng)混凝土特征長(zhǎng)度的計(jì)算公式為

上述參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 中l(wèi)ch代表材料的脆性，lch值越小，脆性越大，隨著混凝土強(qiáng)度的增加脆性逐漸增大。

2.4 斷裂能GF

GF的計(jì)算公式為

其中

由式(8)可知，斷裂能的大小主要依賴P～CMOD全曲線與橫坐標(biāo)包絡(luò)的面積，因此需要得到試驗(yàn)全過(guò)程的P～CMOD全曲線，尤其要求試驗(yàn)得到穩(wěn)定平緩的下降段，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

起裂斷裂韌度測(cè)試值大約是計(jì)算值的30%，計(jì)算值與測(cè)試值相差較大，其中的原因，一個(gè)可能是亞臨界擴(kuò)展長(zhǎng)度的計(jì)算值偏大使得失穩(wěn)斷裂韌度值偏大，另外一個(gè)可能是由于雙線性軟化曲線中的參數(shù)采用常態(tài)混凝土的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，使得黏聚力的計(jì)算值偏小，或者2個(gè)原因兼有。此外，選擇的雙線性曲線與實(shí)際下降段曲線有差別，這也是導(dǎo)致誤差的一個(gè)原因。

3 結(jié) 論

a.由于高強(qiáng)混凝土脆性大，即使采用微機(jī)控制液壓伺服試驗(yàn)機(jī)等速位移控制，在楔入劈拉試驗(yàn)中，仍然很難得到比較穩(wěn)定的P～CMOD全曲線下降段。

b.以往將P～CMOD全曲線線彈性部分的終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載作為起裂荷載并不十分準(zhǔn)確，因?yàn)榫€彈性結(jié)束后并沒(méi)有起裂。大量試驗(yàn)證明，采用全橋應(yīng)變片法可以精確測(cè)到試件的起裂荷載，且成功率較高，值得推廣應(yīng)用。

c.對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言，利用基于虛擬裂縫擴(kuò)展黏聚力間接計(jì)算得到的起裂斷裂韌度值偏大，因此在大量使用高強(qiáng)混凝土的重要工程中，直接采用由普通混凝土軟化曲線的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)間接計(jì)算得到的起裂荷載來(lái)控制起裂偏于不安全，需要進(jìn)一步研究高強(qiáng)混凝土軟化曲線的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，以便應(yīng)用在工程實(shí)際中。

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