考慮尺寸及纖維摻量影響的高強(qiáng)混凝土斷裂能試驗(yàn)研究

徐 平，鄭滿奎，王 超，丁亞紅，張敏霞，王興國(guó)，馬金一

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，焦作 454003)

0 引 言

斷裂能Gf是混凝土材料一個(gè)重要的斷裂性能參數(shù)[1-2]，斷裂能參數(shù)值的確定一直是工程和科學(xué)領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)問題。測(cè)試混凝土斷裂能的方法有很多，其中國(guó)際結(jié)構(gòu)與材料研究聯(lián)合會(huì)(RILEM)推薦采用的三分點(diǎn)加載單邊切口梁(Single Edge Notched Beam，SENB)測(cè)試混凝土的斷裂能較為簡(jiǎn)單[3]。研究發(fā)現(xiàn)，試件尺寸對(duì)三分點(diǎn)加載SENB試驗(yàn)結(jié)果的影響較大，混凝土測(cè)試斷裂能具有明顯的尺寸效應(yīng)[4]。

混凝土的組成材料是影響斷裂能的關(guān)鍵，混凝土中加入鋼纖維能夠有效抑制混凝土裂紋擴(kuò)展，改善高強(qiáng)混凝土的韌性，提高混凝土斷裂能。李英娜等[5]通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析了鋼纖維混凝土的破壞特性和荷載-撓度曲線特性，分析了鋼纖維混凝土彎曲破壞過程和特點(diǎn)。鋼纖維使峰值后的荷載-撓度曲線變得平緩，極限撓度值較素混凝土有明顯地提高[6]。高淑玲等[7]采用楔入劈拉試驗(yàn)分析了混雜鋼纖維類型、纖維長(zhǎng)度和纖維摻量對(duì)混凝土增強(qiáng)增韌的影響，結(jié)果表明隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土強(qiáng)度和斷裂韌度、斷裂能都得到提高。高丹盈等[8]利用三點(diǎn)彎曲法研究鋼纖維體積率和相對(duì)切口深度對(duì)鋼纖維混凝土作用力功以及斷裂能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼纖維混凝土作用力功和斷裂能隨鋼纖維體積率的增加而增加，隨相對(duì)切口深度的增加而減小。

鋼纖維混凝土斷裂能測(cè)試過程中，試件尺寸以及鋼纖維摻量都將影響測(cè)試結(jié)果?，F(xiàn)有研究主要分析了鋼纖維摻量對(duì)混凝土斷裂性能的影響。但是，工程中纖維混凝土構(gòu)件的尺寸明顯大于實(shí)驗(yàn)室試件，試件尺寸及鋼纖維摻量對(duì)混凝土測(cè)試斷裂能的影響有待深入探索。本文通過設(shè)計(jì)不同縫高比的幾何相似單邊切口梁試件，基于RILEM推薦的三分點(diǎn)加載試驗(yàn)方法測(cè)試鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能，揭示試件尺寸、預(yù)制裂縫開口深度和鋼纖維摻量對(duì)高強(qiáng)混凝土斷裂能影響的變化規(guī)律，為鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能的測(cè)試及纖維混凝土構(gòu)件斷裂能的評(píng)定提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用原材料采用P·O 42.5硅酸鹽水泥，密度3.11 g/cm3；粉煤灰為一級(jí)粉煤灰，硅灰含硅量≥95%；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.7的中砂，含泥量小于2%，表觀密度2.6 g/cm3；粗骨料為5～10 mm、10～20 mm碎石，按照質(zhì)量比3∶7合成為5～20 mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度2.70 g/cm3，含泥量小于0.5%；減水劑采用聚羧酸高效減水劑(SP)，減水率>30%。鋼纖維為端鉤型，長(zhǎng)度為20 mm，抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa；拌合水為飲用水，鋼纖維摻量按體積百分比計(jì)算，試件混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg·m-3)

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制作

本文設(shè)計(jì)了35組不同鋼纖維摻量、縫高比且跨高比(S/W= 4)的SENB試件，共132個(gè)。其中設(shè)計(jì)27組試驗(yàn)每組4個(gè)試件，鋼纖維摻量ρf(體積分?jǐn)?shù)，下同)分別為0%、2%、3%，試件尺寸L×W×B=550 mm×100 mm×100 mm，在縫高比a/W為0.05～0.7的范圍內(nèi)測(cè)試斷裂能，設(shè)計(jì)8組試驗(yàn)每組3個(gè)試件，鋼纖維摻量分別為0%、2%，尺寸L×W×B分別為850 mm×200 mm × 100 mm及1250 mm×300 mm×100 mm，在縫高比a/W分別為0.2及0.5的條件下進(jìn)行斷裂能測(cè)試，試件如圖1所示?；炷林苽溥^程中，先加入砂石、鋼纖維攪拌3 min，再加入水泥、硅灰、粉煤灰攪拌2 min，最后加入水、外加劑攪拌3 min，試件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。不同鋼纖維摻量的高強(qiáng)混凝土工作性能及強(qiáng)度如表2所示。

表2 混凝土的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of concrete

圖1 不同尺寸的SENB 試件Fig.1 SENB specimens with different size

1.3 斷裂能測(cè)試

采用額定負(fù)荷為100 kN的萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)采用位移加載控制，速率為0.02 mm/min，加載壓頭直徑為30 mm，長(zhǎng)為100 mm。儀器自動(dòng)采集荷載-撓度曲線數(shù)據(jù)，根據(jù)所得荷載-撓度曲線數(shù)據(jù)結(jié)合理論公式計(jì)算得到試驗(yàn)測(cè)試斷裂能[3]。試驗(yàn)加載示意圖如圖3所示，其中L為試件長(zhǎng)度，S為試件的凈跨，W為試件高度，B為試件寬度，a為初始縫長(zhǎng)度，W-a為SENB試件斷裂韌帶長(zhǎng)度。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Test equipment diagram

圖3 單邊切口梁加載示意圖Fig.3 SENB loading schematic diagram

2 結(jié)果與討論

考慮到三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中試件自重對(duì)結(jié)果的影響，本文采用式(1)計(jì)算試驗(yàn)所得混凝土的測(cè)試斷裂能Gf[6]，各試件試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

(1)

式中：W0為荷載-撓度曲線圍成的面積，N·m；m1為試件質(zhì)量，kg；S為試件凈跨，m；L為試件長(zhǎng)度，m；m2為與試驗(yàn)機(jī)不接觸但一直作用在試件上的加載裝置的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，9.8 N/kg；δ0為最大撓度，m；Alig為斷裂韌帶面積，mm2。

2.1 鋼纖維摻量對(duì)斷裂能的影響

在RILEM推薦的三分點(diǎn)加載單邊切口梁測(cè)試混凝土的斷裂過程中，試件的縫高比將影響測(cè)試結(jié)果。因此，試驗(yàn)中設(shè)計(jì)采用試件尺寸S×W×B= 400 mm×100 mm×100 mm，分析不同縫高比及鋼纖維摻量下的測(cè)試斷裂能。

圖4揭示了鋼纖維摻量對(duì)不同縫高比試件斷裂能的影響規(guī)律。如圖4所示，隨著鋼纖維摻量的增加，摻有鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能平均值(Gsf)與未摻鋼纖維高強(qiáng)混凝土(ρf=0%)斷裂能平均值(Gf)比值(斷裂能增益比，Gsf/Gf)也隨之增加。在試件斷裂過程中，由于鋼纖維分散在混凝土中，纖維與水泥基體界面脫粘、拔出、機(jī)械咬合和摩擦滑移增大了裂縫擴(kuò)展的阻力，使鋼纖維高強(qiáng)混凝土中的裂縫擴(kuò)展吸收更多的能量。試驗(yàn)表明，7種不同縫高比條件下，高強(qiáng)混凝土斷裂能都隨鋼纖維摻量(ρf)的增加而提高。在測(cè)試過程中，由于鋼纖維在混凝土中的分布具有隨機(jī)性，相同尺寸和縫高比試件的斷裂能測(cè)試結(jié)果具有一定的離散性，隨著纖維摻量的增加，測(cè)試結(jié)果的離散性增大，鋼纖維摻量為2%時(shí)，不同縫高比混凝土的斷裂能增益比Gsf/Gf為41.5～46.1；鋼纖維摻量為3%時(shí)，Gsf/Gf達(dá)到51.2～66.6。

圖4 不同鋼纖維摻量的斷裂能增益比Fig.4 Fracture energy gain ratio of different steel fiber content

圖5為不同纖維摻量和縫高比SENB試件的測(cè)試斷裂能增長(zhǎng)變化規(guī)律。由圖5可知，當(dāng)鋼纖維摻量由0%增加到2% 時(shí)，混凝土的斷裂能增長(zhǎng)速度較快；當(dāng)鋼纖維摻量由2%增加到3% 時(shí)，混凝土的斷裂能增長(zhǎng)速度開始減慢，但測(cè)試斷裂能仍有顯著增加。對(duì)比28 d摻量為2%和3%的高強(qiáng)纖維混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度可知(見表2)，當(dāng)纖維摻量為3%的高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較纖維摻量為2%時(shí)略有下降。因此，纖維混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)與斷裂能的增長(zhǎng)趨勢(shì)不具備一致性。其主要原因是大摻量的鋼纖維混凝土在強(qiáng)度值峰后的延性較大，強(qiáng)度值峰后儲(chǔ)備有更大的斷裂能。

為揭示不同尺寸高強(qiáng)混凝土隨縫高比變化時(shí)，鋼纖維摻量對(duì)斷裂能變化的影響，本文對(duì)比分析了鋼纖維摻量ρf=0%和ρf=2%條件下，縫高比a/W由0.2增長(zhǎng)至0.5時(shí)，不同高度幾何相似尺寸試件(S/W=4,W=100 mm, 200 mm, 300 mm)的斷裂能變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，未摻入鋼纖維(ρf=0%)條件下，在a/W=0.2時(shí)不同高度(W=100 mm, 200 mm, 300 mm)幾何相似試件的測(cè)試斷裂能平均值分別為158.84 N/m、326.43 N/m、432.02 N/m。對(duì)比a/W= 0.5時(shí)各高度試件測(cè)試斷裂能平均值：93.95 N/m、196.99 N/m、263.89 N/m，測(cè)試斷裂能分別降低了40.9%、39.7%、44.9%。摻入鋼纖維(ρf=2%)條件下，在a/W= 0.2時(shí)上述不同高度幾何相似試件測(cè)試斷裂能平均值分別為6 863.08 N/m、12 169.56 N/m、21 646.86 N/m。對(duì)比a/W= 0.5時(shí)各高度試件測(cè)試斷裂能平均值：3 779.89 N/m、9 476.44 N/m、13 141.86 N/m，測(cè)試斷裂能分別降低了26.9%、22%、39.3%。說明鋼纖維的加入，提高了混凝土的韌性，削弱了縫高比變化對(duì)斷裂能的影響。其主要原因是加入鋼纖維后，試件內(nèi)部形成了鋼纖維咬合區(qū)，試件不會(huì)脆斷，混凝土的抗裂能力得到顯著提高。

表3 幾何相似尺寸試件試驗(yàn)結(jié)果[10]Table 3 Experimental results of geometrically similar specimens[10]

2.2 開口裂縫深度對(duì)斷裂能的影響

為了較準(zhǔn)確分析開口裂縫深度變化對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能的影響，本文對(duì)小尺寸試件(L×W×B= 550 mm×100 mm×100 mm，凈跨S=400 mm)在9種縫高比(a/W=0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7)條件下進(jìn)行斷裂能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 小尺寸試件試驗(yàn)結(jié)果[10]Table 4 Experimental results of small size specimens[10]

由表4可知，相同混凝土材料，當(dāng)SENB試件的初始裂縫長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，其測(cè)試斷裂能不同，這說明測(cè)試斷裂能與試件的開口裂縫深度相關(guān)。經(jīng)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，高強(qiáng)混凝土測(cè)試斷裂能Gf(相同試件斷裂能平均值)隨預(yù)制開口裂縫深度a呈線性相關(guān)。將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，在鋼纖維摻量為0%、2%和3%情況下，高強(qiáng)混凝土小尺寸SENB試件斷裂能Gf隨著初始裂縫長(zhǎng)度a增加，呈現(xiàn)線性遞減的趨勢(shì)，鋼纖維摻量越高，Gf與a擬合直線斜率的絕對(duì)值就越大，下降速率就越快。傅喻等[9]在研究不同相對(duì)開口裂縫深度對(duì)混凝土斷裂韌度影響試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)切口深度越大，試件起裂越早，起裂荷載越小，開裂荷載也就越小，最終導(dǎo)致測(cè)試斷裂能就越小。理論上斷裂能是材料的固有特性，本身不受試件形狀的影響。但實(shí)驗(yàn)室SENB試件的初始縫與試件的前、后邊界距離較小，試件的邊界將顯著影響混凝土斷裂能的測(cè)試結(jié)果。試件的開口裂縫深度對(duì)斷裂能的影響本質(zhì)上是邊界效應(yīng)的結(jié)果。在斷裂能測(cè)試過程中，隨著施加荷載逐漸增加，試件產(chǎn)生裂紋并沿著預(yù)制裂縫尖端向試件后邊界方向擴(kuò)展，直至試件斷裂。在試件整個(gè)加載過程中，由于試件邊界影響區(qū)的存在，試件斷裂能沿?cái)嗔堰^程區(qū)不均勻分布，靠近邊界的斷裂過程區(qū)不能得到充分?jǐn)U展。隨著鋼纖維高強(qiáng)混凝土試件預(yù)制初始裂縫長(zhǎng)度a的增加，試件邊界影響區(qū)相對(duì)初始縫后端的斷裂過程區(qū)影響越大，試件斷裂能Gf所受邊界的影響就越明顯。相同尺寸的SENB試件，初始縫越大，受邊界影響的斷裂能所占比重越大，試驗(yàn)測(cè)試得到的斷裂能越小。

圖6 高強(qiáng)混凝土小尺寸SENB試件斷裂能Fig.6 Fracture energy of high strength concrete smaller size SENB specimens

2.3 試件尺寸對(duì)斷裂能的影響

為分析試件尺寸對(duì)鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能的影響，本文對(duì)鋼纖維摻量ρf分別為0%、2%，縫高比a/W為0.2和0.5的高強(qiáng)混凝土小尺寸SENB試件斷裂能進(jìn)行分析。所選試件幾何相似但尺寸不同(跨高比S/W=4、W=100 mm，200 mm，300 mm)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。對(duì)測(cè)試斷裂能Gf試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7 高強(qiáng)混凝土小尺寸SENB試件斷裂能Fig.7 Fracture energy of high strength concrete smaller size SENB specimens

圖8 SENB 斷裂韌帶區(qū)的gf 分布特征Fig.8 Distribution characteristics of gf in SENB fractured ligament area

由圖7和表4可知，相同鋼纖維摻量及縫高比條件下，高強(qiáng)混凝土測(cè)試斷裂能Gf隨試件高度W的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。對(duì)比不同縫高比條件下混凝土斷裂能的變化，發(fā)現(xiàn)縫高比為0.5的高強(qiáng)混凝土試件測(cè)試斷裂能低于縫高比為0.2的高強(qiáng)混凝土測(cè)試斷裂能。由此可知，在試驗(yàn)過程中，鋼纖維高強(qiáng)混凝土斷裂能受試件尺寸大小和初始裂縫深度變化的影響，表現(xiàn)出明顯的尺寸相關(guān)性。綜上可知纖維的摻量、初始縫的深度、試件的大小都將影響SENB斷裂能的測(cè)試結(jié)果。

為揭示尺寸對(duì)斷裂能的影響，Hu[11]和Karihaloo[12]等提出斷裂過程區(qū)在沿裂紋擴(kuò)展方向不是均勻分布的，并通過引入局部斷裂能gf，對(duì)沿著裂縫開展方向每一處的斷裂能進(jìn)行表征，分別提出雙線性和三線性局部斷裂能模型，如圖8所示。試件的邊界區(qū)域，局部斷裂能gf呈線性變化，在不受邊界影響的區(qū)域gf為常數(shù)。因此SENB試件的測(cè)試斷裂受尺寸影響的本質(zhì)是試件邊界對(duì)斷裂過程區(qū)的影響。

由圖8可知，當(dāng)混凝土試件尺寸較小時(shí)，斷裂韌帶區(qū)(W-a)將位于SENB邊界影響區(qū)，局部斷裂能小于不受邊界影響區(qū)域的斷裂能，測(cè)試斷裂能受邊界影響顯著。隨著試件尺寸的增大，斷裂韌帶區(qū)中存在較大不受邊界影響的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)gf為一常數(shù)，故當(dāng)斷裂韌帶區(qū)相對(duì)邊界影響區(qū)足夠大時(shí)，測(cè)試斷裂能受尺寸影響較小。本文選用的試件較小，斷裂韌帶區(qū)將受試件邊界影響，表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)，且測(cè)試斷裂能隨試件高度和斷裂韌帶區(qū)長(zhǎng)度的增大而增大。

圖9 SENB斷裂韌帶區(qū)的FPZ分布特征Fig.9 Distribution characteristics of FPZ in SENB fractured ligament area

鋼纖維的加入，使裂縫擴(kuò)展過程中的橋接作用增大，斷裂過程區(qū)變大，邊界對(duì)斷裂能的影響減弱。因此，鋼纖維的摻入不僅提高了混凝土的斷裂能，還減緩了邊界對(duì)測(cè)試斷裂能的影響。因此，試件尺寸及鋼纖維摻量對(duì)混凝土斷裂能的影響可表述為斷裂過程區(qū)(FPZ)受邊界和纖維橋接影響的過程，其中SENB斷裂韌帶區(qū)的FPZ分布特征如圖9所示。

由圖9可知，斷裂過程區(qū)在試件邊界發(fā)展受限，其測(cè)試斷裂能小于不受邊界影響的斷裂能，測(cè)試斷裂能表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)。因此，SENB試件較小時(shí)，斷裂過程區(qū)分布在邊界影響區(qū)的比率較大，邊界對(duì)試件尺寸效應(yīng)影響顯著，小尺寸試件表現(xiàn)出顯著的尺寸效應(yīng)。反之，如果試件足夠大且縫高比較小，斷裂過程區(qū)分布在邊界影響區(qū)的比率將足夠小，邊界對(duì)測(cè)試斷裂能的影響可忽略，因此足夠大尺寸的SENB試件測(cè)試斷裂能將不再受尺寸效應(yīng)影響。鋼纖維混凝土受纖維橋接作用，其斷裂過程區(qū)顯著增大，邊界對(duì)斷裂能的影響相對(duì)減弱。因此，鋼纖維的摻入對(duì)斷裂能尺寸相關(guān)性起到了緩解作用。

3 結(jié) 論

本文通過開展SENB試件三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)試了不同縫高比、尺寸和鋼纖維摻量的高強(qiáng)混凝土斷裂能，系統(tǒng)分析了鋼纖維摻量、初始裂縫長(zhǎng)度和試件尺寸對(duì)高強(qiáng)混凝土斷裂能的影響，主要結(jié)論如下：

(1)鋼纖維的摻加能顯著影響高強(qiáng)混凝土斷裂能，但隨著纖維摻量的增加，混凝土的斷裂能增長(zhǎng)速度變小，且鋼纖維混凝土抗壓、抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)與斷裂能的增長(zhǎng)趨勢(shì)不具備一致性。

(2)鋼纖維高強(qiáng)混凝土試件斷裂能Gf隨初始開口裂縫深度的增加呈線性遞減關(guān)系，隨試件高度的增大而增加，表現(xiàn)出尺寸相關(guān)性。受鋼纖維橋接作用，其斷裂過程區(qū)顯著增大，邊界對(duì)斷裂能的影響相對(duì)減弱。

(3)SENB試件的測(cè)試斷裂能受尺寸影響的本質(zhì)是試件邊界對(duì)斷裂過程區(qū)的影響。由于斷裂過程區(qū)在試件邊界發(fā)展受限，其測(cè)試斷裂能小于不受邊界影響的斷裂能，測(cè)試斷裂能表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)。