高强混凝土双K断裂参数测试及计算方法.pdf

第 3 0卷第 3 期 V0 1 ． 3 0 No ． 3 水 利 水 电 科 技 进 展 A d v a n c e s i n S c i e n c e an d T e c h n o l o g y o f Wa t e r R e s o u r c e s 2 0 1 0年 6 月 J u n ．2 0 1 0 D O I ： 1 0 ． 3 8 8 0 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 — 7 6 4 7 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 0 8 高强混凝土双 断裂参数测试及计算方法 高淑玲 ， 王 玲 ， 徐世火 良 2 ( 1 ． 河北工业大学土木工程学院， 天津3 0 0 4 0 1 ； 2 ． 大连理工大学土木水利学院海岸与近海工程国家重点实验室， 辽宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘要： 采用楔入劈拉试样研究高强混凝土的双 K断裂参数测试和计算方法。利用应变片测定试件 的起裂荷载， 计算得到试件精确的起裂断裂韧度。认为利用普通混凝土双线性软化曲线的经验参 数， 并基于虚拟裂缝扩展黏聚力强度理论 间接计算得到的起裂断裂韧度值偏小， 因此迫切需要进一 步研究高强混凝土软化 曲线的参数 ， 以完善混凝土的双 断裂理论。 关键词： 高强混凝土； 楔入劈拉试验； 双 断裂参数； 起裂断裂韧度 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 3 I 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 6 — 7 6 4 7 ( 2 0 l 0 ) 0 3 — 0 0 2 8 — 0 4 Te s t s a n d me t ho d s o f d o ub l e - K fra c t u r e pa r a me t e r s f or h i g h s t r e n g t h c o nc r e t e ／ ／GAO S h u — l i n g ，WANG Li n g 1 ，XU S h i — l a n d ( 1 ．C o l l e g e of C i v i l E n g i n e e r i n g ，H e b e i U n iv e r s i t y of T e c h n o lo g y ，T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ，C h i n a ； 2 ．S t a t e K e y L a b o r a t o r y of C o a s t a l a n d O f f s h o r e E n g i n e e r i n g，C o l le g e ofC iv i l a nd H y d r a u l i c E n g i ne e ri ng ， D ulia n U , u v e r my o fT e c h nol o gy ，D a l i a n l 1 6 0 2 4 ， C h i na ) Ab s t r a c t ：T h e t e s t s a n d me t h o d s o f d o u b l e — K f r a c t u r e p a r a me t e r s f o r h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e we r e s t u d i e d b y u s e o f t h e s p l i t t i n g w e d g e s am p l e s ．T h e i n i t i a l l o a d o f t h e s a mp l e s w a s d e t e r mi n e d b y the s t r a i n g a u g e s ，and t h e e x a c t i n i t i a l f r a c t ure t o u g h h e s s w as c alc u l a t e d ．T h e i n i ti a l f r a c t u r e t o u g hn e s s i n d i r e c t l y c a l c u l a t e d b a s e d O i l c o h e s i v e s t r e n g t h t h e o r y w i t h v i r t u al c r a c k p r o p a g a ti o n w h o s e e mp i r i c a l p ara me t e r s e mp l o y b i l i n e ar soft e n i n g c u r v e s o f o r d i n a r y c o n c r e t e Was mu c h s mall e r ．A c c o r din g l y ，i t w a s u r g e n t t o f u rt h e r s t u d y p a r ame t e r s o f s o ft e n i n g c u r v e f o r h i gh s ~ e n g t h c o n c r e t e so as t o i m p r o v e t h e d o ubl e — K f r a c t u r e t h e o ry f o r c o n c r e t e ． Ke y w o r d s ： h i gh s t re n g t h c o n c r e t e ； w e d g e s p l i t t i n g t e s t ； d o u b l e - K f r a c t u re p a r am e t e r ；i n i t i al f r a c t u r e t o u g h n e s s 高强混凝土由于施工速度快、 工程造价低 ， 在核 电站 、 大坝 、 高层和大跨等建筑工程中得到了广泛应 用 。但高强混凝土 的出现， 使 混凝土 固有的脆性 问 题更加突出， 脆性断裂使得材料性能不能充分发挥 ， 有时还会发生灾难性 的事故。因此 ， 研究 高强混凝 土的断裂性能就显得尤为重要_ l 。在第 十一届岩 石 、 混凝土断裂 、 损伤与强度暨大体积混凝土抗裂会 议上 ， 笔者针对高强混凝土的断裂 问题与有关学者 进行了探讨 ， 一致认为现阶段 高强混凝土的断裂特 性研究甚少， 现有规范《 水工混凝 土断裂试验规程》 仅适用于大中型水利水 电工程常态混凝土和碾压混 凝土 ， 而对工程应用最 多的高强混凝土并不适用。 因此急需加强高强混凝土断裂性能的研究。本文基 于双 断 裂 准 则【 5 - 8 ； 考虑 到 楔 入劈 拉 试 验 的优 势【 6 J ， 按照标准紧凑拉伸试件尺寸规定， 利用楔人劈 拉试件进行混凝土断裂参数测定和断裂特性研究。 1 试验概况 试件相对深度为 0 ． 3 9 3 7 ， 试件数 目为 5 个。试件 尺寸满足标准紧凑拉伸试件的尺寸规定， 试件形状和 尺 寸见 图1 。 应变片标距均 为l O m m。 试件测点布置 I 5 l I 5 0 I 5 1 1 ．D 图 1 楔入劈拉试件及测点布置( 单位： m m) 基金项 目： 国家 自然科学重点基金( 5 o 4 3 8 0 l 0 ) ； 河北省建设科技项 目( 2 0 0 9 — 2 5 8 ) 作者简介 ： 高淑玲( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 山东德州人 ， 讲师 ， 博士 ， 从事 混凝土及纤维混凝土的断裂特性研究 。E - m a i l ： g s l 2 0 ( O 0 1 @y a h o o ． e o m． c n - 2 8 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 3 ) T e l ： 0 2 5 — 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a d： j z @h h u ． e d u ． c n h t t p ： ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． c n 见图 1 ， 图中 1 ～5测点采用半桥连接， 用 以观测裂缝 的开展情况。应变片 1 ～5号 以预制缝 为对称轴 ， 沿 预制缝尖端水平线方向成对布置， 与补偿应变片组成 全桥进行测量 ， 避开了预制缝中心线 ， 整个试验过程 完整地测试了测点处的应变， 应变信号不易中断 ， 可 测定整个试件各个测点处的起裂荷载 ， 缝端测点对应 的起裂荷载即是整个试件的起裂荷载 P i _ 9 J 。 水泥采用大连产 5 2 ． 5 R普通硅酸盐水泥 ； 砂子采 用大连产中砂 ， 细度模数约为 2 ． 7 ； 石子采用石灰石矿 生产 的碎 石， 最大 粒径 为 1 0 r n m； 硅 粉采 用微 硅粉 9 2 0 U ； 粉煤灰采用工 级粉煤灰； 减水剂采用 S i k a Ⅱ 高效 减水剂； 水为自 来水。高强混凝土配合比及相关系数 见表 1 。 试验在 1 0 0 0 k N微机控制液压伺服试验机上进 行。荷载传感器采用 B L R 一 1 ／ 5 0 0 0拉压式传感器 ， 测 量范围为 0～ 5 0 k N； 裂缝张开位移采用 Y Y J 系列 电子 引伸计 ， 最大变形量为 4m m； 荷载和裂缝张开位移经 Y E 3 8 1 7 动态应变放大器放大后， 利用计算机采集 系 统记录全过程的试验数据。 2 试验结果 2 ． 1 荷载 一裂缝口张开位移( P—C M o D ) 全曲线 试验结果用 P～C M O D 全曲线来表示， 见图 2 。 2． 0 1 ． 6 丕 1 ． 2 0 8 O ． 4 O 2 O 1 6 互 1 ． 2 O ． 8 0 ． 4 O 0 ． 1 O．2 0 3 0 ． 4 0 ． 5 0 6 0 ． 7 C lM t ) D ／ mm ( a ) HS C1 系 列 CM O D ／ mm ( b ) HS ~3 系列 图 2 H S C系列 P—C M f )n 全 曲线 由图 2可知， 高强混凝土峰值荷载和峰值荷载对应的 c M 。 。 值变化都很大， 很难得到稳定的下降段。 2 ． 2 Pi 的确定方法 缝高 5 0 I n lT I 系列各个测点的荷载 ～应变( P～e ) 曲线见图 3 。由图 3 可知 ， 随着荷载的增加 ， 预制缝尖 端处的拉应变也在增加 ， 预制缝尖端处的混凝土在拉 应力的作用下由于应力集中而开裂， 在 P～e曲线上 反映为拉应变不再增加， 而荷载继续增加。混凝土开 裂后 ， 预制缝尖端开始卸载 ， 试件测 点处拉应力逐渐 减小 ， 应变片回缩 ， 甚至出现压应变， 拉应变峰值对应 的荷载即为 P i ， 试验结果见表 2 、 表 3 。 扯 ／ 。 。 三 量 ． ． ￡ 门 O ( c ) HS C 3 系列 图 3 缝高 5 0 m m系列各个测点的 P ￡曲线 2 ． 3 双 断裂参数的确定 2 ． 3 ． 1 起裂断裂韧度 实测值 及 失稳 断裂韧度 K 美国 A S T M E 3 9 9 _ _ 7 2 标准给出了标准紧凑拉伸 应力强度因子_ 9 _9： 表 1 高强混凝土的配合比及相关参数 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 3 )T e l ： 0 2 5 — 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： 丘@h h u ． e d u ． m h t t p ： ／ ／ k l ~． h h u ． e d u ． c a ‘ 2 9 表 2 断裂参数计算比较 K IC t ~f h ／ P ．6 ( 詈 ) 5 ．5 ( + 6 5 5 ．7 ( 詈 ) 一 0 7 ．0 ( ) + 6 3 8 ．8 ( 詈 ) ( ) 式中： K f c 为试件的断裂韧度 ， M P a 1 3 1 ； n为实测预制 裂缝长度 ， m； h和 ￡ 分别为实测试件高度和厚度， m； F为水平荷载， k N ； P为竖向极限荷载 ， k N 。 将测得的 Pi； 和 n代人式( 1 ) ， 即可得到起裂断 裂韧 度 K ， 计算结 果见 表 2 。根 据线性 叠加 假 设[ 计 算 失 稳 临 界 状 态 下 的 裂 缝 长 度 o ， 见 式( 2 ) ： c M ( 2 ) 其中 P ： = ( ) (2 ．163 + 12 ．2 19 a 一 2 0 ．0 6 5 a 2。 一 0 ． 9 9 2 5 a ： +2 0 ．6 0 ％ 一9 ． 9 3 1 4 ) a c c 2 ． 3 ． 2 起裂断裂韧度计算值 K K 由式( 3 ) 计算 ： K i ： K 一K ( 3 ) 式中： K 为由混凝土黏聚力引起的断裂韧度。 双线性软化本构 曲线【 1 2 - 1 4 1 比较接近材料软化特 性的真实情况， 因而本文采用双线性软化本构曲线 ( 图 4 ) 来计算 K 。图 4中 为裂缝张开宽度 ， 为 黏聚力 ， ． 为混凝土抗拉强度， W o 是黏聚力为零处的 裂缝张开宽度 ， 拐点 的坐标为( ， W ) 。 E =1 ． 0 0 0 2 f0。 ． 3 ∞ 式中： 为试件的厚度 ； E为材料的弹性模量； P 一为 峰值荷载； m g为楔形加载架的重力 ， r n g= 0 ． 2 2 7 5 k N； 其中 为楔形加载架的楔面与纵轴的夹角， 臼 =1 5 ~ ； O f 为 相对缝长； 为混凝土立方体抗压强度。 用 M a t l a b 软件求解式( 2 ) ， 再将 P 一 与 0 。 代人式 ( 1 ) ， 即可求得 K ， 计算结果见表 2 。 O 图 4 双线性软化本构 曲线 参数 ， W 0 ， 根据以下经验公式给出[ 1 1 - 1 2 , 1 5 ~ ： W 。= ㈤ s=— — — - 一 q ， F GF ( 2—0 ． 4 ) —— 一 一 一孥 一 ( 广 F ^ 一 ^ 川 一 ＼ J k = 一 1 0． 2 8+ 1 ． 0 1 Il k 3 0 水利水电科技进展 ， 2 O l O ， 3 0 ( 3 )T e l ： 0 2 5 — 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l ： j z @h h u ． e d u． m h t tp： ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ， m ( 5 ) ( 6 ) G F= ( 0 ． 0 2 0 4+( ) ． 0 0 5 0⋯ ．9 5 J c )J ／ =一1 2 ． 3 1+1 ． o w o = 0 ． 2 0 8 9 f 式中： G F 为混凝土材料 的断裂能； d 一为骨料最大粒 径； _厂 c k 为混凝土圆柱体特征强度， 代表混凝土级别 ； k为混凝土立方体抗压强度标准值； _厂 c 为混凝土圆 柱体抗压强度[ I 3 ] 。 高强混凝土特征长度的计算公式为 ／ c a= E G F ／ f ( 7 ) 上述参数的计算结果见表 3 。 表 3中 z 。 h 代表材料 的脆性 ， z 。 h 值越小， 脆性越 大 ， 随着混凝土强度的增加脆性逐渐增大。 2 ． 4 断裂能 G G 的计算公式为 + mg Ci o D ． o G — ( 8 ) LuI■ L‘ 其中 A =t ( h一0 n ) 式中： W 为 P～C M O D 全 曲线与横坐标 的包 络面积， k N m l n ， 用 O R I G I N软件求得其面积； C M O D为峰值荷 n 载对应的裂缝 口张开位移 ， m m； A为韧带 面积， H m l 2 ， a 为预制裂缝长度， n l m 。 由式( 8 ) 可知， 断裂能的大小主要依赖 P～C M O D 全曲线与横坐标包络的面积 ， 因此需要得到试验全过 程的 P～C M 0 D 全曲线 ， 尤其要求试验得到稳定平缓的 下降段， 计算结果见表 2 。 由表 2可知， H S C 1 ． 2和 H S C 3 ． 2 测得 的 Pi 大约 是 P 一 的 8 2 ． 4 ％和 9 0 ． 8 ％。随着混凝土强度的增加， 一 直增加 ， Kc 变化不明显。 大约是 K tL d 的 0 ． 2 ～ O ． 3 8 ， 随着强度的增加 比值后来有降低 的趋势， 说 明强度越高， 起裂越早。 起裂断裂韧度测试值大约是计算值的 3 0 ％ ， 计 算值与测试值相差较大， 其中的原因， 一个可能是亚 临界扩展长度的计算值偏大使得失稳断裂韧度值偏 大 ， 另外一个可能是 由于双线性软化 曲线 中的参数 采用常态混凝土 的经验参数 ， 使得黏 聚力 的计算值 偏小 ， 或者 2个原因兼有。此外 ， 选择的双线性 曲线 与实际下降段曲线有差别 ， 这也是导致误差的一个 原 因。 3 结 论 a ．由于高强混凝土脆性大， 即使采用微机控制 液压伺服试验机等速位移控制， 在楔人劈拉试验中 ， 仍然很难得到比较稳定的 P～C M 0 D 全曲线下降段。 b ． 以往将 P～C M o D 全曲线线弹性部分的终点 对应的荷载作为起裂荷载并不十分准确， 因为线弹 水利水 电科技 进展 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 3 )T e l ： 0 2 5 — 8 3 7 8 6 3 3 5 性结束后并没有起裂 。大量试验证 明， 采用全桥应 变片法可以精确测到试 件的起裂荷载 ， 且成功率较 高， 值得推广应用 。 C ． 对于高强混凝土而言 ， 利用基 于虚拟裂缝扩 展黏聚力间接计算得到的起裂断裂韧度值偏大， 因 此在大量使用高强混凝土的重要工程 中， 直接采用 由普通混凝土软化 曲线的经验参数 间接计算得到的 起裂荷载来控制起裂偏于不 安全 ， 需要进一步研究 高强混凝土软化 曲线的经验参数 ， 以便应用在工程 实际中。 参考文献 ： l 1 j R A O G A， P B A S A D B K． F r a c t u r e e n e r g y a n d s o ft e n i n g b e h a v i o r o f h i g h — s t r e n g t h c o fl e ／ ~ t e [ 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， 2 0 0 2， 3 2 ： 2 4 7 — 2 5 2 ． [ 2 J X I A O J i a n — z h u a n g ， S C H N E I D E R H， D O N N E C K E C ， e t a1． We d g e s p l i t t i n g t e s t o n f r a c t u r e beh a v i o r o f u l t r a h i gh s t r e n g t h e o n c r e t e l J j ． C o n s t r u c t i o n and B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 0 4 ， 1 8 ： 3 5 9 — 3 6 5． [ 3]朱海堂， 张启明， 高丹盈， 等． 钢纤维高强混凝土的断裂 韧性及缺 口敏感性研究 [ J ] ． 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 1 7 3 — 1 7 7 ． [ 4]张国强， 李瑞鸽 ． 高强混凝土的断裂性能研究 [ J ] ． 混凝 土 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 1 卜1 3 ， 1 6 ． [ 5]S H I L A N G X， R E I N H A R D T H W． D e t e r mi n a t i o n o f d o u b l e K c rit e rio n f o r c roc k p rop a g a t i o n i n q u a s i b r i t tl e f r a c t u r e， p a r t I： e x p e ri m e n t a l i n v e s t i g a ti o n o f c r a c k p r o p a g a t i o n l 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 ( 2 ) ： 1 1 卜1 4 9 ． [ 6]徐世娘， 赵艳华， 吴智敏 ， 等． 楔人劈拉法研究混凝土断 裂能[ J ] ． 水力发电学报， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 5 — 2 2 ． [ 7] S H I L A N G X， R E I N H AR 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 ri t e ri o n for c r a c k p rop a g a t i o n i n qu asi — b ri t tl e f r a c t u r e ， p a r t H I ： c o mp a c t t e n s i o n s p e c i me n s a n d w ~lg e s p l i t t i n g s pec i me ns [ J ] ． I n t e ma t i o n al J o u rnal o f F rac t u r e ， 1 9 9 9 ， 9 8 ( 2 ) ： 1 7 9 — 1 9 3 ． [ 8]徐世娘， 赵国藩． 混凝土断裂力学研究[ M] ． 大连 ： 大连 理工大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 9]中国航空研究院． 应力强度因子手册[ M] ． 北京 ： 科学出 版社 ． 1 9 8 1 ． [ 1 0 ]周厚贵， 李庆斌， 赵志芳， 等． 大体积混凝土裂缝仿真断 裂分析研究[ R ] ． 北京： 清华大学， 2 0 O 4 ． [ 1 1 ]李家康， 王巍 ． 高强混凝土的几个基本力学指标[ J ] ． 工 业建筑 ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 8 ) ： 5 0 - 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