單塊石粒徑對自密實混凝土斷裂性能的影響研究

羅 滔，李玉潔，楊 毅，潘曉鳳，金 峰

(1.西京學院 陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，陜西 西安 710123；2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3.清華大學 水圈科學與水利工程國家重點實驗室，北京 100084)

1 研究背景

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，RFC)是由大粒徑塊石堆積形成骨架，然后澆筑具有良好抗離析性、穩(wěn)定性、高流動性的自密實混凝土(Self-Compacting Concrete，SCC)，膠結形成的一種大體積混凝土[1]。RFC技術依靠其施工工藝簡單、低水化熱、造價低廉、施工速度快等優(yōu)點，在我國已得到廣泛應用[2-3]。截至2023年5月，RFC技術累計應用工程227座，RFC筑壩工程164座，完成澆筑總量達759.41萬m3[4]。

RFC中堆石體積占據總體積的55%左右[5]，這使得塊石對RFC的損傷、斷裂破壞具有重要影響。為研究塊石對RFC斷裂性能的影響，國內外學者對RFC開展了大量的試驗和理論研究。He等[6]、Wang等[7]及徐錫權等[8]分別通過楔形劈拉試驗、抗壓強度試驗及斷裂韌性試驗，得到RFC破壞模式主要是塊石與SCC界面的粘結破壞，裂縫沿交界面發(fā)展，只有極少數(shù)塊石發(fā)生斷裂。Mohamed等[9]通過建立的RFC數(shù)值模型，得到堆石體積和百分含量與堆石的承載能力成反比。國內外學者對混凝土的斷裂行為研究發(fā)現(xiàn)，混凝土破壞面主要為沿粗骨料與砂漿基質間的交界面[10-13]?；炷林写止橇狭綄嗔研阅艿挠绊懕砻鳎谝欢◣缀纬叽绶秶鷥葦嗔涯芘c起裂韌度會隨著骨料粒徑增大而增大[14-16]。Elices等[17]通過試驗研究表明，由于骨料阻礙了裂縫的直線擴展，使得裂縫的擴展路徑更加曲折，因此需要消耗更多能量。細觀數(shù)值模擬結果表明，當大骨料處于某一裂縫發(fā)展通道上時，裂縫發(fā)生偏折，大骨料對裂縫的擴展具有阻裂作用[18-19]。上述研究結果雖然表明塊石粒徑對RFC的斷裂性能有影響，但揭示堆石混凝土中塊石粒徑對自密實混凝土裂縫擴展的影響機理，證明堆石對自密實混凝土中裂縫發(fā)展起抑制作用的研究仍存在局限。因此，為更好的理解塊石對RFC裂縫擴展的影響，還需要進行更深入的研究。

本文采用尼龍塊石(模擬塊石)與自密實砂漿(模擬SCC)組成的RFC模型進行斷裂韌性試驗，研究預埋不同粒徑的單塊石(20、25、30和35 mm)試件的斷裂性能及加載過程中裂縫的擴展情況。為使得試件表面與內部裂縫擴展情況保持一致，塊石形狀定為規(guī)則長方體，同時由于塊石加工不便，使用尼龍塊代替塊石。在試驗結果的基礎上，計算斷裂參數(shù)，并結合裂縫擴展不同階段的AE信號演化特征及DIC位移、應變演化特性對斷裂破壞的全過程進行監(jiān)測。最后分析塊石粒徑對裂縫擴展的抑制作用，揭示堆石的阻裂機理。

2 原材料和試驗方案

2.1 原材料本研究中所采用原材料包括水泥、粉煤灰、細骨料、外加劑、尼龍塊石、水。

(1)水泥：選用冀東海德堡(涇陽)水泥有限公司生產的P·O 42.5級中熱硅酸鹽水泥，其物理性質檢測結果表1所示，化學性質檢測結果如表2所示。

表1 水泥物理性質

表2 水泥、粉煤灰化學性質 單位：%

(2)粉煤灰：采用陜西正元秦電環(huán)保產業(yè)有限公司生產的粉煤灰超細粉(磨細Ⅰ級)，粉煤灰物理性質檢測結果如表3所示，化學性質檢測結果如表2所示。

表3 粉煤灰物理性質

(3)細骨料：采用中國水利水電第八工程局有限公司東莊水利樞紐水墊塘二道壩項目部骨料生產系統(tǒng)生產的成品機制砂。機制砂砂細度模數(shù)為2.65，石粉含量為22%，表觀密度為2670 kg/m3。

(4)外加劑：采用北京華石納固有限公司生產的堆石混凝土專用高效減水劑(HSNG-T)，性質如表4所示。

(5)預埋塊石：采用耐磨MC901白色PA66尼龍棒。長100 mm，寬和高一致，分別采用20、25、30和35 mm四種尺寸。塊石表面鑿出等距凹槽(深度寬度各為2 mm，間距為5 mm，傾斜45°)。

(6)水：采用生活用水。

2.2 試樣制備試驗采用自密實砂漿，無需振搗。試驗配合比為：水泥294 kg/m3、粉煤灰439 kg/m3、機制砂1157 kg/m3、水243 kg/m3、減水劑11.46 kg/m3。試驗制備5組尺寸為400 mm×100 mm×100 mm試樣，1組無塊石試件，4組預埋單塊石試件，每組3塊，共15塊。初始裂縫設置在試件底部中間位置，初始裂縫長度20 mm，塊石距離裂縫尖端的距離20 mm，預制裂縫厚度為2 mm。試件制作流程如圖1所示：(a)塊石準備——將準備好的塊石在兩個側面(正方形面)標記中心點，使用電鉆在中心點打孔(孔徑1 mm)；(b)模具準備——使用電鉆以相同孔徑在模具相應位置打孔，用鋸片在模具兩側上緣預制切口，切口深度為20 mm，寬度2 mm，然后將準備好的塊石用螺絲釘固定在模具中，并在模具的預制切口處插入2 mm厚PVC片；(c)澆筑砂漿——在模具中澆筑按配比制備的自密實砂漿至模具被完全填充；(d)表面處理——在試件表面噴涂散斑。

2.3 試驗方法本試驗采用GCTS巖石三軸儀對單塊石砂漿試件進行三點彎曲試驗，并結合AE與DIC技術監(jiān)測裂縫的擴展過程。為較好的控制試樣的裂縫擴展過程，試驗采用位移控制法，加載速率為0.2 mm/min[20]，在預制裂縫口設置夾式引伸計測量裂縫的張口位移(Crack Mouth Opening Displacement，CMOD)，通過傳感器將荷載、裂縫張口位移數(shù)據傳入數(shù)據記錄儀。試驗示意圖如圖2所示。

圖2 試驗示意圖

(1)聲發(fā)射(AE)：設備由美國物理聲學公司(PAC)生產，傳感器型號為RS-13A，傳感器接口為M5-KY。本試驗采用6個傳感器，前置放大器設置為40 dB增益，門檻設置為35 dB。6個傳感器分別設置在試件正面和后面，呈對稱分布。

(2)數(shù)字圖像相關法(DIC)：設備由比利時Match ID公司研發(fā)的MatchID-2D非接觸式全場應變測量與仿真優(yōu)化分析系統(tǒng)，兩臺分辨率為2048×1536的高速相機設置于GCTS儀器和混凝土試件正前方，相機的采集頻率為1 Hz[21]。DIC測試區(qū)尺寸為200 mm×100 mm。

3 試驗結果與分析

3.1 荷載-裂縫張口位移(F-CMOD)曲線各組試驗得到的F-CMOD曲線如圖3所示。圖中，無塊石試件F-CMOD曲線中，線彈性階段，荷載急劇上升，峰值荷載后，荷載發(fā)生陡降。裂縫在峰值荷載處貫穿試件，試件斷裂破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性特征[22]。預埋單塊石試件F-CMOD曲線中，線彈性階段和屈服階段曲線斜率明顯減小，且隨塊石粒徑的增大曲線斜率在逐漸減小，荷載達到峰值后緩慢下降，曲線斜率相對平緩，表現(xiàn)出明顯的塑性特征[23]。

注：SN表示預埋單塊石試件，CG表示無塊石試件。圖3 荷載-裂縫張口位移曲線

3.2 斷裂參數(shù)斷裂參數(shù)包括起裂韌度、失穩(wěn)韌度及斷裂能，用于分析不同受力階段試件的斷裂性能，從而幫助準確評價混凝土的斷裂性能。斷裂韌度的計算式與斷裂模型有關，本文基于雙K斷裂模型進行斷裂參數(shù)計算，計算公式[24]如下所示：

(1)

式中：F為荷載；m為試件支座間的質量；g為重力加速度，取9.81 m/s2；S為兩支座間的跨度；t為試件厚度；h為試件高度；f(α)為一個功能函數(shù)(用于實現(xiàn)韌度計算的算法集合)；αc為有效裂縫長度，分別由式(2)和式(3)計算得出：

(2)

(3)

式中：h0為裝置夾式引伸計刀口薄鋼板厚度；Vc為裂縫張口位移臨界值；E為彈性模量。

(4)

式中：a0為預制裂縫長度；ci為試件的初始CMOD/F值。

由圖4(a)可以看出，預埋單塊石試件的起裂荷載、峰值荷載均小于無塊石試件。與無塊石試件相比，預埋單塊石試件的起裂荷載分別減小了1.6、1.1、0.2和0.7 kN，峰值荷載分別減小了2.1、1.7、0.7和0.3 kN。隨塊石粒徑的增大，起裂荷載先增大后減小，峰值荷載逐漸增大。當塊石粒徑為35 mm時，起裂荷載減小而峰值荷載增大。由圖4(b)可以看出，與無塊石試件相比，當塊石粒徑為20和25 mm時，起裂韌度分別減小了33%、30%，失穩(wěn)韌度分別減小了32%、21%；當塊石粒徑為30 mm時，起裂韌度、失穩(wěn)韌度分別增大了10.8%、12.5%；當塊石粒徑為35 mm時，起裂韌度減小了6%，而失穩(wěn)韌度增加了22.9%。可以看出，隨塊石粒徑的增大，起裂韌度先增大后減小，失穩(wěn)韌度逐漸增大。

圖4 塊石粒徑與斷裂參數(shù)的關系

在徐世烺等[25]研究中，假定外力做的功完全用于裂縫的擴展，忽略斷裂區(qū)外能量的耗散。斷裂能為試件最后完全斷裂即達到裂縫口張開位移的最大值所做的功。根據荷載-裂縫口張開位移(F-CMOD)曲線計算斷裂能時，如果既考慮重力又考慮尾部曲線部分的影響，總功可表示為W=W0+W1+W2，其中尾部曲線部分對斷裂能的貢獻為W2，目前對F-CMOD曲線發(fā)展規(guī)律的研究還未充分，因此不考慮尾部曲線對斷裂能的貢獻，如圖5所示。試件在斷裂破壞整個過程消耗的斷裂能[25]可表示為：

圖5 斷裂能計算

(5)

式中：W0為外荷載做功；W1為重力做功；Alig為斷裂時試件斷面面積。

Alig=(S-α0)×h

(6)

斷裂能與塊石粒徑的關系如圖6所示，可以看出斷裂能隨塊石粒徑的增大呈現(xiàn)遞增趨勢。與陳徐東等[26]結論一致。造成這一現(xiàn)象的原因有以下兩點：(1)無塊石試件發(fā)生脆性破壞，裂縫失穩(wěn)擴展時張口位移極小，因此所需消耗能量少。(2)預埋單塊石試件中，隨塊石粒徑的增大，單個微裂縫由直線擴展轉變?yōu)橄蛞粋葦U展，產生更多的集中裂縫，且繞過塊石時裂縫增長，因此原裂縫的持續(xù)擴展及新裂縫的產生使得所需消耗的能量增大，斷裂能逐漸增加。

圖6 塊石粒徑與斷裂能關系

3.3 斷裂過程中的AE振鈴計數(shù)演化隨著荷載的增加，試件的斷裂過程主要體現(xiàn)為微裂縫產生，宏觀裂縫擴展，及最后發(fā)生的斷裂行為，本試驗采用六通道聲發(fā)射儀對斷裂過程進行實時監(jiān)測，得到了如圖7所示的F-CMOD曲線與AE振鈴計數(shù)演變關系。

圖7 F-CMOD曲線與AE振鈴計數(shù)演變關系

選取AE振鈴計數(shù)、累計AE振鈴計數(shù)進行了計數(shù)分析，并根據試樣的破壞過程將其分為了三個階段[27]，線彈性階段命名為初始起裂階段(Ⅰ)，非直線上升階段命名為裂縫穩(wěn)定擴展階段(Ⅱ)，峰后荷載下降階段命名為裂縫失穩(wěn)擴展階段(Ⅲ)。

無塊石試件中，(Ⅰ)初始起裂階段(0

預埋單塊石試件中，(Ⅰ)初始起裂階段(0

3.4 斷裂過程中的水平位移場分析斷裂過程主要是由變形引起損傷的發(fā)展，進而產生宏觀裂縫并逐漸擴展，最終導致試件失穩(wěn)破壞。試件加載初期，無法直接觀測出微裂縫的產生[29]，可用DIC監(jiān)測試件斷裂破壞過程中的水平位移變化。分析4個不同加載點(圖7中A、B、C、D)的水平位移及裂縫擴展情況如圖8所示。

圖8表示試件在不同時刻的裂縫張開位移分布云圖，可以看出預制裂縫方向由下而上裂縫張開位移分布層次分明。當荷載增加到A點時(0.6Fpeak左右)，預制裂縫尖端初始微裂縫萌生，層次分布不明顯；當荷載增加到B點時(0.9Fpeak左右)，初始微裂縫的發(fā)展趨勢開始顯現(xiàn)，塊石改變了微裂縫的直線擴展，向一側發(fā)生偏折；當荷載增加到C點時(Fpeak)，微裂縫擴展形成宏觀裂縫，沿塊石與砂漿交界面直線向上擴展，圖中使用紅色劃線表示，且裂縫位移云圖由下而上層次分布逐漸明顯；當荷載下降到D點時(峰后0.7Fpeak左右)，隨著荷載增加，微裂縫沿直線擴展路徑被阻礙，重新形成一條主裂縫，圖中使用黑色劃線表示，宏觀裂縫迅速發(fā)展，形成斷裂面。與無塊石試件相比，預埋單塊石試件的位移分布層次更加明顯，且隨塊石粒徑的增大，最大水平位移逐漸增大，分別為無塊石試件的1.8倍、2.0倍、3.6倍、4.6倍。

4 討論

4.1 斷裂過程中FPZ內的最大水平應變對FPZ的研究主要通過局部應變分析。試件在峰值荷載處的最大水平應變如圖9所示。無塊石試件達到起裂荷載時，微裂縫沿直線向上擴展，產生貫穿裂縫導致失穩(wěn)破壞。預埋單塊石試件達到起裂荷載時，微裂縫直線擴展受到阻礙，向一側發(fā)生偏折。當塊石粒徑為30和35 mm時，F(xiàn)PZ內的應變在主裂縫的另一方向有應力集中現(xiàn)象。與無塊石試件相比，預埋塊石試件在Fpeak處的最大水平應變分別增大了0.281×10-2、0.391×10-2、0.641×10-2、1.3×10-2。在預埋單塊石試件中，塊石承受荷載能力大于砂漿，因此達到起裂荷載時，微裂縫的直線擴展受到塊石的阻礙作用而發(fā)生偏折，隨塊石粒徑的增大，F(xiàn)PZ內產生的最大水平應變逐漸增大。

注：圖中圖為試件峰值荷載的最大水平應變圖圖9 試件在峰值荷載時的最大水平應變

4.2 裂縫傳感器與DIC法測量的裂縫張口位移值比較為了驗證DIC方法的可靠性，將DIC方法得到的裂縫張口位移[30]與傳統(tǒng)夾式引伸計記錄裂縫張口位移結果進行了比較[31]。裂縫傳感器與DIC法測量的裂縫張口位移值比較如圖10所示。兩種方法得到的實驗曲線雖然存在一定偏差，但總體上基本重合，說明了DIC法測量混凝土斷裂力學性能的可靠性。造成差異的原因可以解釋為：(1)由于DIC和GCTS機器是兩個獨立的系統(tǒng)，目前還不能確保兩個系統(tǒng)完全同時采集數(shù)據。DIC和GCTS由兩個試驗計算機控制，加載開始時采用手動方式，這種方式不可避免地造成了兩個系統(tǒng)之間的時間差。(2)將夾式引伸計固定在預制裂縫口處，加載過程中夾接邊緣任何微小的位移都可能影響試驗結果。

圖10 裂縫傳感器與DIC法測量的裂縫張口位移值比較

4.3 斷裂過程中試件內部AE定位試件內部發(fā)生破壞，每產生一個破壞點即生成一個AE事件數(shù)，每一個AE事件數(shù)在圖中表示為一個定位點[32]，AE事件數(shù)的幅值分布在35～45 dB、>45～55 dB、>55 dB三個頻段。幅值為>45～55 dB的AE事件數(shù)最多，有少數(shù)AE事件幅值為35～45 dB和大于55 dB。圖11為4個不同加載點的AE定位圖。

注：白色圓球表示幅值為35～45 dB，灰色圓球表示幅值為>45～55 dB，黑色圓球表示幅值為大于55 dB。圖11 AE定位圖

無塊石試件加載過程中，沒有產生35～45 dB的AE信號，如圖11中CG-S所示。隨著加載的持續(xù)增加，在B點時(0.9Fpeak左右)產生極少數(shù)幅值大于55 dB的AE事件，荷載增加到C點時(Fpeak)，幅值大于55 dB的AE事件逐漸增多，幅值為>45～55 dB的AE事件數(shù)較少，荷載下降到D點時(峰后0.7Fpeak左右)，幅值大于55 dB的累計AE事件數(shù)急劇增多。預埋單塊石試件加載過程中產生的AE信號如圖11中SN-20、SN-25、SN-30、SN-35所示。當荷載增加到A點時(0.6Fpeak左右)，各頻段產生的AE事件數(shù)極少，當荷載增加到B點時(0.9Fpeak左右)，幅值為>45～55 dB的AE事件數(shù)逐漸增多，荷載增加到C點時(Fpeak)，可以明顯看出AE事件數(shù)在塊石的一側急劇增加，幅值多集中在>45～55 dB之間，幅值大于55 dB的事件數(shù)也快速增加，當荷載下降到D點時(峰后0.7Fpeak左右)，試件宏觀裂縫形成，AE事件數(shù)增長迅速，且AE事件數(shù)定位點與裂縫的擴展路徑一致。塊石粒徑為30和35 mm試件的幅值多集中在大于55 dB。這說明，隨塊石粒徑的增大，試件破壞所需能量逐漸增大。

從圖12試件斷口形貌圖可以看出，裂縫由預制裂縫尖端開始產生，并沿塊石與自密實砂漿交界面逐漸發(fā)展，隨預埋塊石粒徑的增大，裂縫繞過塊石發(fā)展的路徑逐漸增長，試件表面與內部裂縫擴展一致性較好。

圖12 試件斷口形貌

5 結論

本文通過斷裂韌性試驗研究了塊石粒徑對自密實混凝土斷裂性能的影響，得出以下結論：(1)塊石對裂縫的擴展具有阻裂作用，隨著荷載的增加，微裂縫沿直線擴展路徑被阻礙，重新形成一條主裂縫，當主裂縫擴展到不同位置時繞過塊石進行擴展。與無塊石試件相比，預埋單塊石試件中隨塊石粒徑的增大，起裂韌度先增大后減小，失穩(wěn)韌度逐漸增大。當塊石粒徑為30 mm時，阻裂作用最明顯，起裂韌度、失穩(wěn)韌度分別增大了10.8%、12.5%。(2)AE信號與裂縫發(fā)展有很強的相關性，裂縫發(fā)展越快速，產生的AE信號越強，裂縫發(fā)展越慢，AE信號越弱；裂縫發(fā)展越長，產生的AE信號越多。無塊石試件破壞產生的AE信號大都大于50 dB。(3)在裂縫擴展過程中，裂縫主要沿塊石與砂漿界面擴展。DIC水平位移結果顯示，隨塊石粒徑的增大，斷裂過程區(qū)(FPZ)內最大水平位移逐漸增大，峰后產生的宏觀裂縫增多。

致謝：本研究得到了北京華石納固科技有限公司的技術支持，以及清華大學水利水電工程系周元德副教授的有益討論，特此表示感謝！