混凝土試件楔入劈拉試驗(yàn)及損傷參數(shù)研究

高立廣

（徐州市交通局公路管理處，江蘇 徐州 221000）

混凝土是交通、土木、水工等建筑物的主要材料之一，它是一種多相顆粒復(fù)合材料，在澆筑成型過(guò)程中將不可避免存在各種缺陷，而混凝土中的相界面是較薄弱處，易發(fā)生界面裂紋。雖然這些缺陷和微細(xì)裂紋是不連續(xù)且隨機(jī)的，但當(dāng)混凝土在荷載、溫變、化學(xué)等各種外界因素作用下，不僅原有的這些裂紋和缺陷會(huì)發(fā)展，而且還將出現(xiàn)一些新的微裂紋，再經(jīng)微裂紋的匯集、連通過(guò)程而導(dǎo)致出現(xiàn)宏觀裂縫。在外界因素作用下，上述過(guò)程持續(xù)發(fā)生并有可能引起宏觀裂縫的失穩(wěn)擴(kuò)展，從而危及混凝土結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行[1]。另一方面，雖然混凝土結(jié)構(gòu)體形特征和受力情況比較復(fù)雜，其破壞原因也是多元的，但破壞總是經(jīng)歷裂縫萌生和裂縫擴(kuò)展的過(guò)程。在混凝土研究中，應(yīng)用損傷的概念和理論是一種有力的手段和一條新途徑[2]。

用損傷理論分析材料受力后的力學(xué)狀態(tài)時(shí)，首先要選擇恰當(dāng)?shù)膿p傷變量以描述材料損傷狀態(tài)。由于材料損傷引起材料微觀結(jié)構(gòu)和某些宏觀物理性能的變化，因此可以從微觀和宏觀兩方面選擇度量損傷的基準(zhǔn)。微觀方面，可以選用空隙的數(shù)目、長(zhǎng)度、面積和體積；宏觀方面，可以選用彈性系數(shù)、屈服應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、密度、電阻、超聲波速等。在對(duì)混凝土的研究中，很多專(zhuān)家基于應(yīng)變等價(jià)原理、用彈性模量的變化來(lái)度量，而通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定混凝土試件彈性模量的改變進(jìn)而計(jì)算確定試件的損傷度是試驗(yàn)測(cè)試混凝土材料損傷參數(shù)的有效手段之一[2，3]?？紤]到混凝土構(gòu)件的主要服務(wù)形式和受力特征，采用有支承體系的劈裂拉伸試驗(yàn)最能貼切地重現(xiàn)混凝土受拉破壞過(guò)程。

1 混凝土試件楔入劈拉試驗(yàn)

所有試件采用同一配合比，即水泥∶砂∶碎石=1∶1.5∶2.5，水灰比為 0.4。水泥為 425 號(hào)普通硅酸鹽水泥；碎石為一級(jí)配石灰?guī)r碎石，最大骨料粒徑為20 mm；砂為普通建筑中砂。試模采用鋼模，試模凈尺寸為200mm×200mm×200mm。初始裂縫用厚度為2 mm的薄鋼板 （其前端磨出不大于15°的尖角）預(yù)制，薄鋼板平面尺寸有3種，分別為80 mm×200 mm、100 mm×200 mm和120 mm×200 mm。相應(yīng)試件分3組澆筑，分別采用上述3種尺寸薄鋼板預(yù)制初始裂縫，每組有效試件3個(gè)。試件澆筑后，待混凝土初凝后約3 h取出預(yù)制裂縫的鋼板，24 h后拆模并送入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，28 d后取出直接送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)在200 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖1所示。試驗(yàn)選擇單支座還是雙支座更為有利，國(guó)內(nèi)外說(shuō)法不一，目前，我國(guó)進(jìn)行混凝土楔入劈拉試驗(yàn)時(shí)多采用雙支承形式，而國(guó)外大多采用單支承形式。根據(jù)文獻(xiàn)[4]、[5]的成果，楔入劈拉試驗(yàn)采用雙支承形式較好，因此本次試驗(yàn)選擇雙支承形式。力的加載由計(jì)算機(jī)控制，采用位移控制進(jìn)行分級(jí)加載，荷載和位移分別由直接與計(jì)算機(jī)相連的力傳感器和位移傳感器量測(cè)。為了測(cè)試受損區(qū)材料彈性模量的改變，進(jìn)而計(jì)算試件損傷參數(shù)，在試件韌帶區(qū)預(yù)制貫穿裂縫兩側(cè)距離預(yù)制裂縫尖端1cm、3cm、5 cm處對(duì)稱(chēng)貼有3個(gè)與電阻應(yīng)變儀（DH3817）連接的5 cm長(zhǎng)電阻應(yīng)變片。左右兩面各貼3個(gè)，垂直于預(yù)制裂縫的延長(zhǎng)線方向布置，同組試件的試驗(yàn)連續(xù)完成。

圖1 混凝土試件楔入劈拉試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Equipment of the concrete wedge splitting tensile test

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及計(jì)算

試驗(yàn)施加的力豎直向下，因此根據(jù)加載楔形體受力分析（見(jiàn)圖2）和力學(xué)平衡條件，得到：

即

圖2 加載楔形體的受力分析Fig.2 Force analysis of the wedge

根據(jù)材料力學(xué)拉彎組合變形應(yīng)力公式得：

式中：b為試件厚度（m）；h為試件高度與預(yù)制裂縫長(zhǎng)度之差 （m）；y為應(yīng)變片到中性軸的距離（m）；A 為韌帶區(qū)域面積（m2）；MH是 Ph產(chǎn)生的彎矩（kN·m）。

根據(jù)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果，繪出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性階段計(jì)算彈性模量E，由曲線峰值點(diǎn)計(jì)算峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的受損彈性模量E，而曲線峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的損傷度即為峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的損傷值Df。Df由下式確定：

3 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

按前述測(cè)試流程和計(jì)算方法，本文進(jìn)行了不同初始縫長(zhǎng)的混凝土試件在失穩(wěn)斷裂前斷裂過(guò)程區(qū)損傷發(fā)展情況的觀測(cè)，獲得如下結(jié)論。

（1）混凝土在裂縫近端受到拉力產(chǎn)生破壞時(shí)，裂縫的遠(yuǎn)端不會(huì)產(chǎn)生破壞。

表1為預(yù)制裂縫長(zhǎng)度為10 cm試件的各應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果。從表1可以看出，當(dāng)加載到3.0 kN時(shí)，距離預(yù)制裂縫尖端1 cm和3 cm處都已產(chǎn)生了較大應(yīng)變，而5 cm處幾乎沒(méi)有明顯的拉應(yīng)變產(chǎn)生。這表明5 cm處應(yīng)變片在加載過(guò)程中并沒(méi)有受到明顯的拉伸變形，直至試件加載至接近荷載峰值時(shí)，它的拉應(yīng)變才開(kāi)始較明顯增大，表明混凝土在裂縫上端受到拉力甚至產(chǎn)生很大應(yīng)變的時(shí)候，對(duì)裂縫稍遠(yuǎn)的地方產(chǎn)生的應(yīng)力影響較小。

表1 預(yù)制縫長(zhǎng)10 cm試件應(yīng)變測(cè)試結(jié)果（拉為正）Table 1 :Strain of the concrete specimens with initial cracks of 10 cm long

（2）3組試件測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如表2所示。

根據(jù)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果（表2）可以看出，距離預(yù)制裂縫尖端越近，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的損傷值也越大，這表明距離預(yù)制裂縫越近的區(qū)域，試件破壞過(guò)程中損傷程度越明顯。

表2 各混凝土試件的E、E以及DfTable 2 :E,E and Dfof the concrete specimens

（3）根據(jù)表2中3組不同預(yù)制縫長(zhǎng)試件距裂縫尖端較近的（1 cm處）應(yīng)變測(cè)試及損傷值Df計(jì)算結(jié)果可看出，隨著預(yù)制裂縫長(zhǎng)度增加，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的損傷值Df也有較為明顯的增大，但距離預(yù)制裂縫尖端較遠(yuǎn)的應(yīng)變測(cè)試及損傷值Df計(jì)算結(jié)果則沒(méi)有這個(gè)趨勢(shì)。這說(shuō)明在非均勻應(yīng)力場(chǎng)中，峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的損傷值Df與應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力梯度有關(guān)，初始（預(yù)制）裂縫較小的構(gòu)件，在出現(xiàn)裂縫延展破壞的過(guò)程中，沿裂縫開(kāi)裂方向應(yīng)力的分布存在明顯的不均。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土損傷試驗(yàn)是混凝土損傷研究的基礎(chǔ)，也是損傷測(cè)試的重要手段。本文通過(guò)3組不同初始裂縫長(zhǎng)度的混凝土試件楔入劈拉試驗(yàn)，測(cè)定了非均勻應(yīng)力場(chǎng)下混凝土材料峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的損傷值Df。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試及計(jì)算結(jié)果，得出非均勻應(yīng)力場(chǎng)下測(cè)試損傷參數(shù)是可行的，距離預(yù)制裂縫越近的區(qū)域，試件破壞過(guò)程中損傷程度越明顯。另外，從測(cè)試結(jié)果看，初始裂縫長(zhǎng)度對(duì)損傷參數(shù)有一定影響，但較集中地反映在離裂縫尖端較近位置處，因此，在實(shí)際工程構(gòu)件已開(kāi)展裂縫位置的觀測(cè)儀器布設(shè)時(shí)，將裂縫計(jì)安置在靠近裂縫尖端位置較為適宜，而裂縫觀測(cè)時(shí)，靠近受拉致裂區(qū)的儀器所捕獲的應(yīng)變突變數(shù)據(jù)需特別重視。

[1]徐道遠(yuǎn)，符曉陵，計(jì)家榮，等.拱壩破壞機(jī)理及損傷-斷裂分析方法[C].高拱壩學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京:國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)工程與材料科學(xué)部，1996：208～217.

[2]余天慶，錢(qián)濟(jì)成.損傷理論及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[3]邱玲，徐道遠(yuǎn)，朱為玄.混凝土壓縮時(shí)初始損傷及損傷演變的試驗(yàn)研究 [J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2001(6)：1061～1065.

[4]徐世烺，趙燕華，吳智敏，等.楔入劈拉法研究混凝土斷裂能[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2003(4)：15～22.

[5]黃閩莉，王向東，曹亮.支承形式對(duì)楔入劈拉試件斷裂韌度KIC的影響[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（4）：435～439.