混凝土劈拉破壞機理研究

劉 晨 朱俊杰

(1.達州市達川區(qū)房屋征收局，四川 達州 635000； 2.西南科技大學(xué),四川 綿陽 621000)

混凝土劈拉破壞機理研究

劉 晨1朱俊杰2

(1.達州市達川區(qū)房屋征收局，四川 達州 635000； 2.西南科技大學(xué),四川 綿陽 621000)

通過對混凝土進行巴西圓盤劈裂試驗，測試了混凝土的抗拉強度，獲取了試驗試件的破壞形態(tài)、加載力—位移曲線，并對試驗后混凝土試件破壞界面進行了分析，結(jié)果表明：巴西圓盤劈拉試驗中，其破壞面上主要是砂漿和骨料界面的粘結(jié)破壞和骨料的斷裂，水泥砂漿和骨料的力學(xué)性質(zhì)，以及它們的幾何分布都對劈拉試驗中試件裂縫的形成和發(fā)展有重大影響。

混凝土，巴西圓盤，劈拉強度，破壞機理，裂紋

0 引言

混凝土是由膠凝材料(水泥等)、骨料(砂、石等)、水以及其他組分(外加劑、摻合料等)按適當?shù)谋壤浜?，拌制成混合物，?jīng)過一定時間硬化而成的[1]。因此，混凝土的力學(xué)和物理性質(zhì)既取決于其各組分的性質(zhì)、配合比以及各相之間力學(xué)、物理或化學(xué)的相互制約機理等要素，又與制作工藝(攪拌、成型、養(yǎng)護等)和周圍環(huán)境等有關(guān)系[2]。

抗拉強度作為混凝土材料的基本力學(xué)性質(zhì)參數(shù)之一，在混凝土力學(xué)本構(gòu)關(guān)系和強度理論研究、工程實際應(yīng)用中都有著不可替代的作用。混凝土類材料的拉伸強度測試最常用的方法是間接法[3-5]，其中巴西圓盤劈裂試驗法是較為常見的一種，這種方法也被列入了我國的國家標準和行業(yè)標準等權(quán)威性文件中，用于規(guī)范相關(guān)行業(yè)的試驗。雖然對于混凝土力學(xué)特性已經(jīng)開展了大量研究，但對于混凝土受拉破壞的機理分析卻相對較少。傳統(tǒng)的研究方法通常是基于混凝土材料為均質(zhì)的各向同性的假設(shè)，其力學(xué)行為的描述與材料自身的結(jié)構(gòu)無關(guān)。然而，實際上混凝土是由粗細骨料和水泥砂漿構(gòu)成的多相材料，其宏觀力學(xué)性能受其微觀結(jié)構(gòu)的控制。

本文對設(shè)計強度為C30的混凝土巴西圓盤試件進行了準靜態(tài)劈裂試驗研究，測試混凝土的抗拉強度，并獲取了試驗試件的破壞形態(tài)、加載力—位移曲線，通過對試驗后混凝土試件破壞界面進行分析，來研究混凝土的受拉破壞機理。

1 試驗原理和方案

1.1 巴西圓盤劈裂試驗原理

1)Griffith強度準則。Griffith強度準則是以最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的組合情況計算等效Griffith應(yīng)力：

(1)

其中，規(guī)定主應(yīng)力符號以拉為正，壓為負，且σ1≥σ2≥σ3。混凝土抗拉強度為σT，當σG≥σT時，材料破壞。

2)對徑受壓圓盤試樣。

巴西圓盤劈裂試件受力時(如圖1所示)，通過彈性力學(xué)對其求解得：

(2)

文獻[5]從理論上證明了在巴西圓盤劈裂中，試件最先由圓心處開始破裂，在圓r1=r2=d/2,θ1=θ2=0時，由于試樣屬于脆性材料，其破壞遵從Griffith強度推測式(1)，可以求得σx，σy，σz，再由:

(3)

則可得到巴西圓盤劈拉試驗的計算公式：

(4)

式(4)說明在圓心處該點的壓應(yīng)力只有拉應(yīng)力的3倍，對于混凝土的材料性質(zhì)，抗壓強度遠遠大于抗拉強度。因此認為試件是受拉破壞而非受壓破壞，即可得到混凝土巴西圓盤劈裂強度計算公式：

(5)

其中，σT為試件抗拉強度；Pt為試件破壞時的壓力荷載；d為試件直徑；h為試件厚度。

1.2 試件的制作

實驗配制混凝土采用水泥為四川省安縣中聯(lián)水泥有限公司中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的“中聯(lián)”牌P·C32.5R普通硅酸鹽水泥；細集料采用天然河砂，細度模數(shù)為2.6，級配范圍為Ⅱ區(qū)；所用粗集料為碎石，最大粒徑為16 mm，級配連續(xù)；采用自來水進行拌合。試件設(shè)計尺寸為φ117 mm×80 mm的圓柱形試件，4個試件為一組，使用鋼模進行澆筑，1 d后脫模，并立即按照標準養(yǎng)護方法養(yǎng)護28 d?；炷猎O(shè)計強度為30 MPa，混凝土配合比見表1。養(yǎng)護結(jié)束后，測得混凝土抗壓強度為28.65 MPa。

表1 混凝土的配合比

1.3 試驗方案

1)試驗采用WAW-E600型微機控制電液伺服萬能試驗機(最大測試荷載為600 kN)及一對剛度較試件大10倍的上下夾具構(gòu)成該試驗裝置，從而確保當試件受拉超過最大承載能力后，不會出現(xiàn)因試驗機彈性勢能的迅速釋放而導(dǎo)致試件突然拉斷。

2)巴西圓盤劈裂試驗存在多種加載方式，本文中采用試件與試驗機加載平臺直接接觸的加載方式。

3)試驗時，先將試件表面和上下承壓板面清理干凈，并在試件加載接觸面和試驗機加載平臺上涂抹鋰基脂油以減小端部的摩擦，將試件放在試驗機下壓板的中心位置，開動試驗機，以0.05 mm/min的速度將試驗機加載平臺與試件夾緊，當試件與壓板接觸均衡時，對試驗機采集的位移、加載力和時間項歸零，完成后即可以0.2 mm/min的速度加載進行劈裂試驗。試驗中測試到的加載力、加載位移及時間由控制試驗機的計算機直接以表格的形式輸出。

2 試驗結(jié)果

2.1 劈拉強度

圖2為巴西圓盤試件進行劈裂試驗得到的加載力與加載位移曲線，從圖2中可見，加載初期時，曲線的斜率較小，而后逐漸增大，然后加載曲線的斜率基本達到穩(wěn)定，這也反映了加載的連續(xù)均勻性。當加載力達到一定值時，加載力突然明顯下降，試件發(fā)生破壞，繼續(xù)加載，試件仍然具有一定的承載力，這是由于試件發(fā)生劈拉破壞時，試件并沒有崩開成幾塊，裂開的試件塊，由于相互之間的摩擦使得試件仍具有一定的承載能力。計算劈拉強度時，取加載力第一次達到峰點時的數(shù)值。

根據(jù)1.1節(jié)的理論，將試件的直徑d、厚度h和試驗獲得的峰值壓力Pt帶入式(5)計算即可得到混凝土劈拉強度值。表2為試驗試件的劈拉強度計算結(jié)果。

表2 混凝土抗拉強度計算結(jié)果

試件編號劈裂壓力Pt/kN劈拉強度σT/MPaN140.892.78N254.123.68N349.573.37N438.472.62

根據(jù)國家規(guī)范[6]處理劈裂試驗數(shù)據(jù)的標準：三個試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強度值；每組三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的15%時，則把最大及最小值一并舍除，取中間值作為該組試件的抗拉強度值；如最大值與最小值與中間值的差均超過中間值的15%，則該組試件的試驗結(jié)果無效。取N1,N2,N3的試驗數(shù)據(jù)進行劈拉強度計算，則N組試件的有效劈拉強度為3.28 MPa。

2.2 破壞現(xiàn)象

通過對劈裂試驗過程中混凝土表面的破壞現(xiàn)象和破壞面的詳細觀察和記錄，對于試驗中混凝土的破壞現(xiàn)象，歸納如下：

1)在加載過程中，隨著加載力的逐漸增大，當加載力達到某一值時，試件中心處會出現(xiàn)一條微裂紋，而后，隨著加載力的繼續(xù)增大，裂紋逐漸擴展，最終形成一條與試件中心線幾乎重合的宏觀裂縫，圖3是試驗試件的破壞現(xiàn)象。

2)在劈拉試驗中，試件劈裂形成一個基本平直的劈裂面，該劈裂面與加載平臺幾乎垂直。輕微用力即可把試件沿劈裂面分開成兩塊，仔細觀察內(nèi)部破壞情況，可發(fā)現(xiàn)：破壞面較為平直，主要是砂漿和骨料界面的粘結(jié)破壞和骨料的斷裂?；炷恋钠茐倪^程是其內(nèi)部裂縫萌生、擴展、貫通而失穩(wěn)的過程。一般認為，混凝土試件在受力之前就存在著孔隙、粘結(jié)裂縫等初始缺陷。在外拉力作用下，這些初始缺陷處將產(chǎn)生應(yīng)力集中。首先主要是在薄粘結(jié)界面處發(fā)生逐步破壞，然后主要是水泥膠合物發(fā)生逐步破壞[7]。而在本試驗中，不僅是粘結(jié)界面破壞較多，骨料斷裂的情況也較多。

3)通過網(wǎng)格覆蓋法統(tǒng)計分析骨料的斷裂破壞情況，如圖4所示。劈裂面面積約為1 350個網(wǎng)格，而斷裂的骨料約占147個網(wǎng)格，骨料斷裂的情況約占破壞面總面積的11%。

在普通混凝土中，骨料剛度和強度大都大于硬化水泥砂漿的剛度和強度。在給定荷載下，裂縫從處于薄弱界面向砂漿中發(fā)育，當裂縫在水泥砂漿中擴展遇到骨料時，會受到阻礙。此時，可將劈裂面的裂紋簡化為Griffith裂紋，如圖5所示。

設(shè)2C為水泥砂漿中原始裂縫長度，當應(yīng)力達到σc時，裂縫按式(6)要求擴展：

(6)

其中，γsj為水泥砂漿的內(nèi)聚能;E為水泥砂漿的彈性模量。

現(xiàn)假定裂縫生長C1或C2時，遇到骨料，則裂縫進一步擴散需滿足能量平衡準則，即:

G=Gc

(7)

其中，Gc=2γg，γg為骨料的內(nèi)聚能。

對于純Ⅰ型問題：

(8)

對于K1，有：

(9)

聯(lián)立式(7)～式(9)可以得到裂縫穿過骨料的時候，所需達到的應(yīng)力：

(10)

通過式(10)可見，裂縫的擴展發(fā)育不僅取決于混凝土中水泥砂漿和骨料的力學(xué)性質(zhì)，而且也取決于它們的幾何分布。

對于試驗中出現(xiàn)比較多的骨料斷裂現(xiàn)象，分析認為可能是由于碎石骨料在制備的過程中，原石被破碎成較小粒徑，制備時碎石骨料已經(jīng)受到損傷，其表面自由能值大幅度地降低。當試件內(nèi)部應(yīng)力超過σ時，裂縫穿過骨料，導(dǎo)致在劈裂試驗中出現(xiàn)較多的骨料斷裂。

3 結(jié)語

通過對巴西圓盤試件進行準靜態(tài)劈拉試驗，可以得到以下幾點結(jié)論：

1)抗壓強度為28.65 MPa的混凝土，通過巴西圓盤劈拉試驗測得其靜態(tài)劈拉強度為3.28 MPa，混凝土試件劈裂形成的裂縫沿著試件的中心線進行擴展，最終形成的宏觀裂縫與加載方向幾乎完全重合。

2)巴西圓盤劈拉試驗中，其破壞面上主要是砂漿和骨料界面的粘結(jié)破壞和骨料的斷裂。水泥砂漿和骨料的力學(xué)性質(zhì)，以及它們的幾何分布都對劈拉試驗中試件裂縫的形成和發(fā)展有重大影響。

3)碎石骨料在制備過程中已經(jīng)受到損傷，其表面自由能值大幅降低，導(dǎo)致在劈裂試驗中出現(xiàn)較多的骨料斷裂。

[1] 朱伯龍.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].上海：同濟大學(xué)出版社,1992.

[2] 閏曉鵬.混凝土靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能的試驗研究[D].太原:太原理工大學(xué)，2013..

[3] ISRM. Suggested Methods for Determining Tensile Strength of Rock Materials [J].Ini.J.MeehMin.Sei.& Geomeeh.Abstr，1978(15):99-103.

[4] ASTMC496-85.Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens[J].Annual Book of ASTM Standards 4,1986(04.02):337-342.

[5] 屈 嘉.鋼纖維混凝土劈拉強度的實驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[6] GB/T 50081—2002,普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準[S].

[7] 丁曉唐,王 磊,劉海霞,等.確定混凝土受拉應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€的一種新型試驗方法[J].水電能源科學(xué),2013(12):33.

[8] 張曉敏.斷裂力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2008.

Research of concrete split and tensile failure mechanism

Liu Chen1Zhu Junjie2

(1.InstitutionofDachuanAreaHouseAcquisitioninDazhou,Dazhou635000,China;2.SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621000,China)

By means of Brazilian disk splitting test, the tensile strength of concrete were tested failure mode of test piece and loading force-displacement curve is presented. Analyzing interfacial failure of concrete test piece, it turns out that bonding failure and aggregate breakage of mortar and aggregate interface is primary on the failure surface. In addition, mechanical properties of cement mortar and aggregate, as well as geometric distribution, has a great influence on test piece tears’ formation and development.

concrete, Brazilian disk splitting, split and tensile strength, failure mechanism, tear

1009-6825(2015)32-0109-03

2015-09-01

劉 晨(1989- )，男，碩士，助理工程師

TU528.2

A