混凝土斷裂研究中預(yù)制裂縫影響探討

宋　宸　鄭淑文　王學(xué)志

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州　121001)

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混凝土斷裂研究中預(yù)制裂縫影響探討

宋宸鄭淑文王學(xué)志

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州121001)

對(duì)混凝土斷裂試驗(yàn)中預(yù)制裂縫作了研究，通過比較分析兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)及另一組試驗(yàn)現(xiàn)象，探討了預(yù)制縫對(duì)試件擴(kuò)展的影響，得出了一些結(jié)論，為類似問題的研究奠定了基礎(chǔ)。

混凝土，預(yù)制裂縫，斷裂力學(xué)，三點(diǎn)彎曲梁

0　引言

斷裂力學(xué)最早是由于金屬制品的非正常斷裂而引起一些學(xué)者重視，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究，斷裂力學(xué)在金屬等斷裂方面已經(jīng)比較成熟，且在實(shí)際中應(yīng)用較好。然而，斷裂力學(xué)在混凝土斷裂方面的研究相對(duì)較晚，1961年Kaplan[1]首次將斷裂力學(xué)應(yīng)用于混凝土，此后混凝土斷裂的研究才引起重視。至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在混凝土斷裂性能研究方面做出眾多的貢獻(xiàn)[2-10]。在混凝土斷裂研究的試驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外常用的方法有三種：緊湊拉伸法、三點(diǎn)彎曲梁法、楔入劈拉法，為了解決普通楔入式劈拉法在裂縫尖端產(chǎn)生一定的彎矩和沒有其相應(yīng)的斷裂能計(jì)算方法，又引入了一種楔入式緊湊拉伸法。該方法解決了縫端彎矩問題，其計(jì)算過程可與緊湊拉伸法相同。

混凝土作為一種多項(xiàng)復(fù)合材料，其自身性質(zhì)、力學(xué)性能都比較復(fù)雜。不同于金屬、巖石等材料單一結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，混凝土需要考慮多種材料的力學(xué)特性并將它們復(fù)合而且不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的力學(xué)性能疊加。這一特點(diǎn)就決定了對(duì)混凝土的斷裂性能研究不能單純的仿效金屬和巖石。

1　混凝土斷裂力學(xué)試驗(yàn)構(gòu)件的預(yù)制縫

在應(yīng)用混凝土斷裂力學(xué)分析裂縫問題時(shí)，一般通過外荷載作用造成的裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的分析，求得應(yīng)力強(qiáng)度因子或能量釋放率，再根據(jù)斷裂韌度指標(biāo)判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[11]?；炷两Y(jié)構(gòu)本身就是帶裂縫工作，現(xiàn)在為了研究斷裂問題人們?cè)谠嚰项A(yù)制裂縫，已達(dá)到預(yù)期的研究效果。目前的試驗(yàn)條件下，無(wú)論采用哪一種試驗(yàn)方法，預(yù)制縫的制作大同小異。這種方式制作的預(yù)制縫相對(duì)于試件是不容忽視的“大縫”。

圖1　混凝土三點(diǎn)彎曲梁

以三點(diǎn)彎曲梁為例(見圖1)，該種試件可看作為一根梁，在梁中下部有一個(gè)寬3 mm的裂縫。在GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫寬度的最大限值為0.4 mm，所以從這個(gè)角度看其完全超出了安全范圍。但我們考慮的并不是這些，而是裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的分析。因?yàn)榱芽p兩側(cè)沒有粘聚力的作用，把裂縫尖端沿梁方向?qū)⒘簞澐珠_，取上半部分用材料力學(xué)的方式處理,當(dāng)構(gòu)件截面上拉應(yīng)力大于其抗拉應(yīng)力時(shí)，構(gòu)件就發(fā)生了破壞。

由材料力學(xué)方式計(jì)算得到梁破壞時(shí)的荷載公式：

F0=2t(h-a0)σt/3S

(1)

式中：F0——梁破壞時(shí)的荷載；

t——梁截面寬度；

h——梁截面高度；

a0——裂縫高度；

σt——混凝土的抗拉強(qiáng)度；

S——梁的有效長(zhǎng)度。

文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了非標(biāo)準(zhǔn)混凝土三點(diǎn)彎曲梁的試驗(yàn)，利用其試驗(yàn)數(shù)據(jù)，配制C35混凝土，配合比例為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶石∶UC-Ⅱ=0.7∶0.12∶0.16∶2.04∶2.81∶0.01，經(jīng)其實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強(qiáng)度為41.5 MPa，查GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度達(dá)到C65混凝土強(qiáng)度，因此在處理數(shù)據(jù)時(shí)取σt=2.93 MPa?？紤]混凝土自重時(shí)，取其密度2 500 kg/m3，經(jīng)計(jì)算其結(jié)果與不考慮自重的式(1)相差很小，故計(jì)算時(shí)沒有考慮自重。計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　試件尺寸及計(jì)算結(jié)果(一)

由表1數(shù)據(jù)可近似認(rèn)為利用材料力學(xué)方法得到的破壞荷載即為裂縫模型中的最大荷載。

同理，處理文獻(xiàn)[13]中的數(shù)據(jù)，其混凝土配合比例為水泥∶水∶砂子∶石子=1∶0.48∶1.33∶2.47，其實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為46.8 MPa，取σt=3.04 MPa。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　試件尺寸及計(jì)算結(jié)果(二)

綜合考慮處理后的文獻(xiàn)[12][13]的結(jié)果，F(xiàn)0與Fun沒有統(tǒng)一起來，但在此并不能否定該想法，因?yàn)閮晌墨I(xiàn)的混凝土等級(jí)、配合比、尺寸等都不相同。在很大程度上可以考慮是由于構(gòu)件截面面積大小和高厚比的原因，導(dǎo)致在截面上應(yīng)力的分布出現(xiàn)較大差異。

2　預(yù)制縫對(duì)構(gòu)件斷裂的影響

我們?cè)谥谱鳂?gòu)件中裂縫時(shí)已經(jīng)預(yù)先期望了構(gòu)件開裂的方式，但有時(shí)卻不那么理想。從應(yīng)力角度考慮構(gòu)件的破壞，構(gòu)件破壞是先由構(gòu)件最薄弱的地方開始破壞，而最薄弱的地方應(yīng)該是指某一處的應(yīng)力與該處阻止其破壞的抗力的比值最大處。在構(gòu)件中預(yù)制了裂縫且其他部位制作良好，我們可以認(rèn)定在預(yù)制裂縫的縫尖處會(huì)是應(yīng)力集中的最大區(qū)域，即破壞應(yīng)從裂尖處開始。圖2是幾種混凝土斷裂力學(xué)試驗(yàn)構(gòu)件的斷裂破壞形式[14]。

圖2　試件破壞形式

圖2a)和圖2b)兩個(gè)試件的破壞與之前預(yù)期的基本一致；圖2c)和圖2d)兩個(gè)試件的破壞則是發(fā)生了一些偏離；圖2e)試件就是一種非正常的破壞，是預(yù)想不到的。這里面有些試件按照預(yù)期斷裂方式發(fā)生了破壞，而有些發(fā)生了偏離的破壞甚至非正常破壞。其原因是混凝土構(gòu)件本身就可能含有微裂縫，且混凝土本身是離散非均勻的材料。在預(yù)制裂縫的尖端，我們無(wú)法確定混凝土是否有微裂縫存在及裂紋的位置，同樣無(wú)法預(yù)知骨料的位置。如果預(yù)制裂縫尖端有微裂縫，在此處的應(yīng)力集中又會(huì)發(fā)生應(yīng)力重分布，從而導(dǎo)致新的應(yīng)力集中點(diǎn)的產(chǎn)生。同樣，如果裂縫尖端有粗骨料，裂縫也會(huì)沿著更薄弱的部位發(fā)展。因此，上面的各種破壞形式集中反映了各種因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響。若要研究混凝土的斷裂機(jī)理，就必須考慮混凝土中大量裂縫相互作用的影響。

3　結(jié)語(yǔ)

本文從對(duì)已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探討兩個(gè)方面對(duì)混凝土預(yù)制裂縫影響進(jìn)行了探討，得到如下結(jié)論：

應(yīng)用材料力學(xué)上的觀點(diǎn)與三點(diǎn)彎曲梁法做一對(duì)比，兩種方法沒能夠完全統(tǒng)一。原因可能是混凝土本身的脆性、構(gòu)件尺寸等導(dǎo)致的。在大尺寸試件中，二者有一定的統(tǒng)一關(guān)系，而且比較理想；在小尺寸試件中，縫高比小于0.6時(shí)，二者也存在統(tǒng)一的關(guān)系。如果對(duì)其他形式或尺寸的試件也能夠建立統(tǒng)一的關(guān)系，則可以簡(jiǎn)化混凝土斷裂性能的研究。

混凝土中含有大量的裂紋，當(dāng)混凝土受到荷載作用時(shí)，裂縫之間相互作用，構(gòu)件中應(yīng)力也經(jīng)歷多次的重分布，最終在構(gòu)件最薄弱處發(fā)生破壞。在混凝土斷裂研究的試驗(yàn)中，應(yīng)該加強(qiáng)預(yù)制裂縫處的混凝土的處理，盡量減少由于構(gòu)件自身原有裂紋的出現(xiàn)而影響研究結(jié)果的準(zhǔn)確性。但也應(yīng)該注意到有一些問題是無(wú)法避免的，如粗骨料的影響。

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Discussion on effect of precast crack in fracture research of concrete

Song ChenZheng ShuwenWang Xuezhi

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China)

Precast crack of concrete in fracture test were discussed simply. Effect of precast crack of concrete to crack propagation were discussed by comparison of two sets of test results and analysis of other experimental phenomenon, drawn some conclusions, laid foundation for the research of same kind of problem.

concrete, precast crack, fracture mechanics, three point bending beam

1009-6825(2016)21-0057-03

2016-05-18

宋宸(1994- )，男，在讀本科生

TU312.3

A