基于楔入劈拉法的濕態(tài)混凝土雙K斷裂特性試驗研究

樓建敏，張國輝，楊振東，孫俊崇，李 虎

(1.中信建設有限責任公司，北京 100027；2.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650050)

0 引 言

混凝土是一種具有初始微裂紋和孔隙的多相復合材料，作為一種典型的準脆性材料,其斷裂和損傷機理極為復雜[1]。與抗壓強度相比，混凝土抗拉強度較低，抗裂性能弱，在各種復雜因素共同作用下，容易引起原生裂縫擴展，進而導致混凝土結構損傷破壞。對于服役于水環(huán)境中的大壩、過河橋墩等混凝土結構，其內部常處于不同含水率狀態(tài)[2]?，F有研究[3-6]表明濕態(tài)混凝土力學性能較常態(tài)混凝土存在顯著差異，例如，常態(tài)混凝土極限抗壓強度隨含水率的增加呈降低趨勢，濕態(tài)混凝土動態(tài)拉壓強度受加載速率與含水率的綜合影響等。因此，常態(tài)混凝土的力學指標難以準確評價濕態(tài)混凝土力學特性。目前研究者較多關注含水率對混凝土強度、彈性模量等指標的影響。王海龍等[7]采用真空飽水法制備不同含水狀態(tài)混凝土試件，并開展試驗研究，結果表明，隨著含水率的增大，混凝土抗壓強度逐漸減小。韓陽等[8]通過對4種不同強度等級混凝土進行海水浸泡力學試驗，發(fā)現混凝土軸心抗壓強度隨浸泡時間的增長呈波浪式降低，而彈性模量和泊松比逐漸升高。Huang等[9]研究了浸水齡期對大壩混凝土濕膨脹的影響，結果表明，隨浸泡時間的增加，濕膨脹應變逐漸增大，直至趨于穩(wěn)定。Lu等[10]采用3種不同的環(huán)氧樹脂研究了在相對濕度為95%條件下碳纖維增強混凝土界面的黏結性能，發(fā)現在水分作用下，傳遞到碳纖維增強聚合物板的極限應變、界面斷裂能和極限荷載均呈先升高后降低的趨勢。研究者[11-14]從養(yǎng)護條件、不同縫高比、水壓、凍融循環(huán)等方面開展了常態(tài)混凝土斷裂特性研究。高小峰等[15]采用楔入劈拉法及雙K斷裂準則研究了濕態(tài)混凝土斷裂性能的尺寸效應，發(fā)現當試件有效高度達到500 mm時，即可得到穩(wěn)定的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和斷裂能。Xu等[16]開展了混凝土裂紋擴展雙K準則循環(huán)試驗，研究指出雙K斷裂參數幾乎與初始缺口類型無關。同時，部分研究者針對濕態(tài)混凝土斷裂力學特性也開展了部分研究工作。劉恒杰等[17]通過比較不同發(fā)射信號來間接表征不同含水率狀態(tài)下混凝土斷裂力學性能變化規(guī)律，發(fā)現斷裂過程中聲發(fā)射參數值以及累計值隨著含水率的增大呈減小趨勢。張國輝等[18]開展了三點彎曲梁試驗，發(fā)現混凝土斷裂韌度隨含水率的增加而降低，飽和狀態(tài)下C15混凝土斷裂韌度較干燥狀態(tài)降幅最大，為57%。

綜上，目前關于濕態(tài)混凝土物理力學特性的研究多集中于強度及變形性能研究，同時，部分研究者亦開展了濕態(tài)混凝土斷裂力學性能研究。濕態(tài)混凝土的濕度研究范圍多關注完全干燥和完全飽和狀態(tài)，缺乏中間過渡的濕度狀態(tài)，導致不同濕度條件下混凝土斷裂性能變化規(guī)律尚不系統。此外，目前多采用三點彎曲梁試驗研究混凝土斷裂力學特性，而三點彎曲梁試件因其自重引起的影響無法較好消除，且存在尺寸較大，材料利用率低等缺點。楔入劈拉法能較好地抵消自重和豎向力，且操作簡單[19]。因而，有必要基于楔入劈拉法系統開展不同含水率狀態(tài)下混凝土斷裂力學性能研究,系統研究含水率對混凝土斷裂性能的影響和斷裂特征參數變化規(guī)律，為水環(huán)境下的混凝土構筑物的災變演化及安全度評估提供基礎。

1 實 驗

1.1 試驗材料與設備

水泥選用P·C 42.5級復合硅酸鹽水泥，水泥標準稠度用水量為26.2%，且安定性良好，初凝時間為4.3 h，終凝時間為5.4 h；細骨料采用機制砂，細度模數為3.1，表觀密度為2 750 kg/m3，堆積密度為1 610 kg/m3，含泥量為0.2%(質量分數)；粗骨料采用碎石，最大骨料粒徑為40 mm，含泥量為0.5%，表觀密度為2 750 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3；試驗用水為自來水；混凝土坍落度為30～50 mm。根據《水工混凝土配合比設計規(guī)程》(DL/T 5330—2015)[20]計算其配合比，本文混凝土強度等級設置為C20、C30、C40，其配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比及主要參數

本試驗采用江蘇天源儀器公司生產的TY-8000系列萬能伺服試驗機，該試驗機的最大試驗力為300 kN，能夠滿足斷裂試驗所需要的剛度要求。試驗操作有效寬度為445 mm，試驗最大高度為950 mm。試驗采用恒定位移加載方式，加載速率為0.15 mm/min，每塊試件從開始加載直至破壞大約需要40～60 min，能夠獲得較為完整的荷載-裂縫口張開位移(P-CMOD)曲線，可實現連續(xù)且穩(wěn)定的楔入劈拉斷裂試驗。試驗數據采集系統包含荷載傳感器、測量裂縫口張開位移的夾式引伸計、用于判定起裂荷載的應變片和采集所有數據的多通道數據采集箱。荷載傳感器采用浙江寧波余姚賽爾斯傳感器有限公司生產的CS-23型荷載傳感器，靈敏度為1.8 mV/V，量程為0～30 kN，允許過負荷為130%F.S.(F.S.表示滿量程輸出)。夾式引伸計采用北京鋼鐵研究總院產的YYJ-4/10型夾式引伸計，其標距為10 mm，量程為0～4 mm，測量精度高于0.5%，靈敏度為1.74 mV/V。

1.2 試驗設計與方法

依據《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程(附條文說明)》(DL/T 5332—2005)[21]，楔入劈拉斷裂試驗試件尺寸為330 mm×300 mm×120 mm，預留凹槽尺寸為50 mm×30 mm×120 mm，初始縫高比為0.4。模具為本團隊自行設計的鋼模，能夠提供較好的強度與剛度，澆筑完成的試件尺寸均在誤差規(guī)定范圍以內。

本試驗控制因素為混凝土強度等級與含水率，并統一采用含水率作為混凝土濕度計量單位。按照預設試驗因素，強度等級設置C20、C30、C40 3個強度等級，含水率設置為完全干燥、近似飽和以及3個中間過渡濕度狀態(tài)。本試驗設置15個試驗組，每組5塊試件，共計75塊試件。A0、B0、C0為干燥狀態(tài)下的標準對比組，A1～A4、B1～B4、C1～C4分別為C20、C30、C40混凝土不同含水率試驗組，具體試驗組設置詳見表2。

表2 試驗分組

將混凝土試件放入電熱鼓風恒溫干燥箱，干燥溫度為105 ℃，干燥時間為120 h，待自然冷卻后，稱量干燥試件質量。含水率通過浸泡不同時間進行間接控制，浸泡時間分別為0 h、2 h、5 h、24 h、120 h，浸泡水位保持超出混凝土試件頂面2～3 cm，確保試件吸水后仍能被水完全淹沒。預設浸泡時間后取出試件，并去除試件表面明水，測定浸泡后的試件質量。為防止試件在稱量和取放過程中因碰撞導致質量損失，全過程需保持輕拿輕放。按式(1)計算混凝土含水率，每個試驗組中楔入劈拉試件含水率為5塊試件的平均值。測定浸泡不同時間后的混凝土試件的雙K斷裂參數，得到不同含水率條件下的混凝土雙K斷裂力學特性變化規(guī)律。

(1)

式中：ρT為浸泡時間為T的混凝土試件含水率，%；mT為浸泡時間為T的混凝土試件質量，kg；m0為干燥混凝土試件質量，kg。

2 結果與討論

2.1 混凝土含水率變化規(guī)律

按式(1)計算混凝土試件的含水率，總計得到75塊楔入劈拉混凝土試件的吸水質量數據。為保證試驗數據的合理性，將超出平均值15%的含水率剔除，再求剩余試件含水率的平均值，作為最終平均含水率。不同強度等級混凝土試件浸泡不同時間后的含水率計算結果見表3。

表3 含水率與浸泡時間關系

混凝土浸泡吸水是緩慢且復雜的過程，短時間內無法達到絕對飽和狀態(tài)。因此本研究中定義試件在浸泡過程中單位時間內質量增加小于2 g/h時的狀態(tài)，為近似飽和狀態(tài)。由表3可知，混凝土試件含水率均隨浸泡時間的增加，總體表現出前期快速增大，后期增加緩慢直至保持恒定的趨勢。0～5 h內，C40混凝土試件快速吸水，含水率迅速增大，浸泡5 h后含水率約為飽和狀態(tài)的86.0%。5～24 h內試件含水率增長較為緩慢，浸泡24 h后含水率達飽和狀態(tài)的98.0%。浸泡120 h后，各強度等級混凝土均已達到近似飽和狀態(tài)。浸泡時間相同條件下，混凝土強度等級越高，其吸水速度越慢，含水率亦越低。例如，當浸泡時間為5 h，C20、C30、C40混凝土含水率分別為5.272%、4.850%、4.690%，C20混凝土含水率為C40的1.12倍。試件達到近似飽和狀態(tài)時，混凝土試件強度等級越高，飽和含水率越低，所需吸水時間越長。例如，C40混凝土飽和含水率為C20混凝土的93.9%。強度等級影響混凝土含水率，是由于混凝土強度等級越高，混凝土整體更加密實，內部孔隙率相對更低。

2.2 濕態(tài)混凝土斷裂力學特性

2.2.1 不同含水率下的雙K斷裂參數

依據《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程(附條文說明)》(DL/T 5332—2005)[21]，起裂荷載是荷載-裂縫口張開位移曲線上的非線性轉折點。在測量過程中，起裂荷載難以直接在曲線上確定，需借助其他方法間接測得。本文使用較為簡便直觀的電阻應變片法，即在距預制裂縫尖端10 mm處布置一對電阻應變片用于觀測起裂荷載，得到荷載隨縫尖應變的關系曲線。

起裂斷裂韌度各參數計算公式[21]如(2)～(5)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：PQ為豎向起裂荷載，kN；m為楔形加載架質量，kg；g為重力加速度，取9.81 m/s2；PHQ為水平起裂荷載，kN；KiniIC為起裂斷裂韌度，MPa·m1/2；t為試件厚度，mm；W為試件有效高度，mm；a0為初始裂縫長度，mm；α0為初始縫高比，無量綱。

通過試驗測得峰值荷載Pmax和臨界裂縫口張開位移CMODc，再計算彈性模量E，最后計算失穩(wěn)斷裂韌度，具體計算公式[21]如式(6)～(12)所示。

式中：PVmax為豎向峰值荷載，kN；PHmax為水平峰值荷載，kN；KunIC為失穩(wěn)斷裂韌度，MPa·m1/2；ac為有效裂縫長度，mm；h0為安裝夾式引伸計刀口不銹鋼片厚度，mm；CMODc為臨界裂縫口張開位移，mm；E為彈性模量，GPa；h為試件高度，mm；ci為試件初始CMODc/P值，μm/kN，由試件P-CMODc曲線上升段上任意一點的P、CMODc計算。

2.2.2 含水率對混凝土雙K斷裂韌度影響

不同強度等級混凝土在不同含水率下起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度試驗值如圖1(a)、(b)所示。由圖1可知，不同強度等級的混凝土起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度受含水率作用影響顯著，但變化規(guī)律具有一定的離散性。C20、C30、C40混凝土的起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度隨含水率的增大呈近似線性降低。以浸泡時間為120 h的試驗組(A4、B4、C4)為例，該組含水率分別為5.811%、5.662%、5.456%，與含水率為0%的干燥組(A0、B0、C0)相比，試驗組(A4、B4、C4)的起裂斷裂韌度僅為干燥組(A0、B0、C0)的70.4%、76.8%、66.6%，降幅為29.6%、23.2%、33.4%；試驗組(A0、B0、C0)失穩(wěn)斷裂韌度為干燥組(A0、B0、C0)的77.3%、76.1%、66.2%，降幅為22.7%、23.9%、33.8%。

圖1 不同含水率條件下混凝土起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度試驗值

為深入研究含水率對混凝土雙K斷裂韌度的劣化程度。將不同含水率狀態(tài)下混凝土起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度與干燥狀態(tài)時的絕對差值定義為起裂韌度劣化值(ΔKiniIC)和失穩(wěn)韌度劣化值(ΔKunIC)。不同強度等級混凝土在不同含水率狀態(tài)下，其起裂韌度劣化值和失穩(wěn)韌度劣化值如圖2(a)、(b)所示。由圖2可知，不同含水率狀態(tài)下的C20、C30、C40混凝土起裂韌度劣化值和失穩(wěn)韌度劣化值變化規(guī)律基本相似。隨著含水率的增加，起裂韌度劣化值和失穩(wěn)韌度劣化值均呈線性增大趨勢。相同強度等級的混凝土，含水率越大，起裂韌度劣化值和失穩(wěn)韌度劣化值越高。當含水率為2%時，C20、C30、C40混凝土起裂韌度劣化值分別為0.049 MPa·m1/2、0.039 MPa·m1/2、0.057 MPa·m1/2；當含水率為5%時，C20、C30、C40混凝土起裂韌度劣化值分別為0.130 MPa·m1/2、0.102 MPa·m1/2、0.162 MPa·m1/2，分別是含水率為2%時的2.65倍、2.62倍、2.84倍。當含水率為5%時，C20、C30、C40混凝土失穩(wěn)韌度劣化值分別為0.249 MPa·m1/2、0.197 MPa·m1/2、0.313 MPa·m1/2，分別是含水率為2%時的2.59倍、2.56倍、2.35倍。當混凝土含水率相同時，C40混凝土起裂韌度劣化值和失穩(wěn)韌度劣化值最大，C20混凝土次之，C30混凝土最小。

圖2 不同含水率下混凝土起裂韌度劣化值和失穩(wěn)韌度劣化值變化曲線

2.2.3 不同含水率下的斷裂破壞變形特性

不同含水率條件下C20、C30、C40混凝土的典型水平荷載-裂縫口張開位移(PH-CMOD)曲線如圖3(a)～(c)所示。由圖3可知，不同含水率下C20、C30、C40混凝土典型PH-CMOD曲線的變化規(guī)律基本相同，臨界裂縫口張開位移CMODc隨含水率增加而逐漸降低。例如，C20干燥混凝土CMODc為飽和狀態(tài)的1.56倍。不同含水率下混凝土的斷裂破壞變形主要分為三個階段。

圖3 不同含水率不同強度等級混凝土典型PH-CMOD曲線

(1)線彈性未起裂階段(K

(2)穩(wěn)定擴展階段(KiniIC

(3)失穩(wěn)擴展階段(K>KunIC)。到達峰值荷載后，預制裂縫開始迅速擴展，表現為PH-CMOD曲線斜率快速負增長，裂縫張口位移增加緩慢，當荷載卸載到峰值荷載的1/3時，斜率變化出現拐點，斜率逐漸減小直至接近零。當CMOD相同時，含水率越大，對應的水平荷載越低，失穩(wěn)擴展階段PH-CMOD曲線下降越平緩。例如，C40混凝土的CMOD為0.2 mm時，干燥混凝土對應的水平荷載為6.69 kN，而飽和狀態(tài)混凝土對應的水平荷載為3.87 kN，較干燥狀態(tài)下降了42.2%。

2.3 不同含水率混凝土斷裂力學特性演化機理

混凝土的損傷破壞通常首先發(fā)生于骨料與砂漿之間的界面過渡區(qū)，過渡區(qū)水泥漿體中的水化產物主要為水化硅酸鈣(C-S-H)，水化產物的斷裂變形特征直接影響了混凝土宏觀斷裂特性?；谖墨I[22]中不同濕度條件下的C-S-H分子結構圖，揭示含水率對混凝土斷裂特性影響的微觀機理。干燥到飽和狀態(tài)下的C-S-H分子結構如圖4所示。C-S-H分子結構為兩層硅氧四面體鏈“夾”一層鈣氧層狀結構[23]，完全干燥條件下結構整體較為致密，且夾層區(qū)域減小，如圖4(a)所示。C-S-H分子中Ca、Si原子存在部分重疊，原子無序化較為顯著。C-S-H分子結構在斷裂破壞過程中易引起位錯的移動，進而導致混凝土在干燥狀態(tài)下具有較好的變形能力。混凝土達到部分飽和及完全飽和狀態(tài)時，大部分水分子進入夾層區(qū)域，少量水分子分散于硅氧四面體鏈和鈣氧層狀體區(qū)域，如圖4(b)、(c)所示。由于水分子中的氧原子OW替換了部分CaW—OS、CaS—OS中的OS形成CaW—OW、CaS—OW鍵，C-S-H分子結構的夾層區(qū)域越為顯著，C-S-H分子結構整體密實度減弱，原子間空隙增大，難以引起位錯移動，化學鍵斷裂時變形量減少，因而濕態(tài)混凝土斷裂變形能力有所降低[18]。由于CaW—OW、CaS—OW分別較CaW—OS、CaS—OS鍵長增大，因而水分子進入C-S-H分子體系后，部分化學鍵長增大，鍵能降低，從而導致飽和混凝土斷裂韌度有所降低。

圖4 不同含水率條件下的C-S-H分子結構圖[22]

3 結 論

(1)低強度等級混凝土對含水率更具敏感性，短期內吸水迅速，吸水率增長較快，浸泡時間為120 h后，各強度等級混凝土均可達到近似飽和狀態(tài)，C20、C30、C40混凝土近似飽和含水率分別為5.811%、5.662%、5.456%。

(2)隨含水率的增長，混凝土的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度均有所降低，C20、C30、C40混凝土飽和狀態(tài)時的起裂斷裂韌度較干燥狀態(tài)分別降低了29.6%、23.2%、33.4%，失穩(wěn)斷裂韌度較干燥狀態(tài)分別降低了22.7%、23.9%、33.8%。相同含水率條件下的混凝土起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度降幅基本相似。

(3)濕態(tài)混凝土PH-CMOD關系曲線可分為線彈性階段、穩(wěn)定擴展階段、失穩(wěn)擴展階段。隨含水率的增大，線彈性階段斜率及穩(wěn)定擴展階段斜率均逐漸降低，失穩(wěn)擴展階段曲線下降更為平緩。臨界裂縫口張開位移隨含水率增大而逐漸降低，混凝土變形能力降低，韌性逐漸減弱。