浅析大坝混凝土断裂能的影响因素

徐 君

中国水利水电第一工程局有限公司，吉林长春 130062

0 引言

大体积混凝土结构，如水坝常因施工期温度控制处理失当、气温往复变化和蓄、泄洪期水位变化对坝体受力的改变形成裂缝和裂缝继续扩展而引发安全问题。工程界一直寻求改善混凝土性能并降低混凝土费用的途径。研究大体积混凝土的力学性能，对坝体的科学设计和施工，从而建造安全、可靠、经济的大坝为当务之急[1,2]。影响大坝混凝土断裂能的因素是多方面的，本文就试件尺寸、骨料粒径、混凝土强度、几何形状这些因素对混凝土断裂能的影响进行探讨，以期对大坝混凝土断裂特性的影响因素有全面的了解。

1 混凝土断裂能的尺寸效应

自20世纪60年代断裂力学被引入到混凝土的研究中，作为混凝土非线性断裂力学中一个重要的断裂参数，混凝土断裂能GF直是众多研究人员关注的焦点。断裂能研究中的一个重要课题就是其尺寸效应，尺寸效应是指材料的力学性能不再是一个常数，而是随着结构几何尺寸的变化而变化。确定混凝土材料参数和断裂能之间的关系及断裂能有无尺寸效应、是否可当成一个材料常数而应用于实际工程当中具有重要的学术意义及工程价值。众多学者的试验结果表明，GF存在着明显的尺寸效应，研究结果还表明，试件厚度对GF的影响较小，试件高度是影响GF 值的主要因素[3,4]。针对这一问题，本文根据前面所得的试验数据，主要从不同试件高度来进行断裂能GF尺寸效应的分析。

从三点弯曲切口梁P-δ的试验结果所得断裂能GF对比结果可以看出，(a)对比相同混凝土强度C20，dmax=20mm 也相同，试件宽度为120mm，高度从100mm～400mm的断裂能GF 值。由图可明显看到断裂能GF 随着试件尺寸的增加有着明显的增加。对比相同混凝土强度C25，dmax=80mm 也相同，试件宽度为240mm，高度从400mm 到550mm的断裂能GF 值，可得断裂能GF 随着试件尺寸的增加变化不是很明显。说明对于小体积，小骨料三点弯曲切口梁试件，随着试件尺寸的增加，其断裂能GF增加十分明显。而对于大体积，大骨料三点弯曲切口梁试件，随着试件尺寸的增加，其断裂能GF尺寸效应不是很明显。

本文以楔入劈拉试验所得到断裂能GF，对比相同混凝土强度C20，dmax=20mm 也相同，试件高度从300 到1 200的GF 值，可以得到，GF随着试件尺寸的增加有着明显的增加。

2 骨料粒径对混凝土断裂能GF的影响

混凝土是以骨料为填料，以硬化水泥浆为基体组成的复合材料，骨料和硬化水泥浆以及他们之间的结合面的力学性质决定了混凝土的断裂性能，而骨料在混凝土中所占体积较大，对混凝土的断裂特性影响应该也是较大的[5]。现比较相同强度C20，相同试件 尺 寸 B×D×L=200mm×300m×300mm，dmax=（10、20、40）的楔入劈拉试件WS（12、13、21）试件的断裂能如图1所示。

由图1 可以看出断裂能在dmax=（10、20、40）时随着骨料粒径的增加而增加的，其原因是：骨料最大粒径对混凝土断裂能的影响，一般认为骨料对裂缝的扩展有阻碍作用，所以随骨料粒径的增大，裂缝愈曲折，断裂韧带面积有所提高，然而随着骨料粒径的进一步增大，骨料与水泥基体界面的初始裂缝也随之增加，使得骨料与基体的粘结有所减弱，骨料的机械啮合作用也有所下降，从而又会使断裂能降低。试验时，带预制裂缝的混凝土试件，在外力作用下首先在预制裂缝的尖端出现一条细小裂纹，随着荷载的增加，裂纹向上开展，最后直至试件断裂。在裂缝扩展到骨料时，或是绕开或是穿过骨料，对普通混凝土而言，骨粒强度较骨粒与水泥粘结强度要大，所以裂缝穿过骨料所需能量比绕过骨料所需要的能量要大；随着dmax的进一步增大，骨料与水泥浆结合有所减弱，因此GF 也呈有下降趋势。有学者认为dmax=40mm时断裂能达到最大，并且还给出了以dmax=20mm 为基准的，其它骨料粒径的一个对比修正系数表，所列出的dmax=40mm 断裂能与dmax=20mm 断裂能的比值为1.267844 与所给值1.22 基本相符。由于所做dmax=20mm的试件与其它试件尺寸不一致，没有进行进一步对比分析，关于dmax>80mm时骨料粒径对混凝土断裂能的影响有待于进一步研究。

图1 骨效粒径对混凝土断裂能的影响

3 混凝土强度对断裂能GF的影响

断裂能GF 是从能量的角度研究材料在荷载作用下裂缝扩展贯通机理，并考虑了混凝土的软化特性，其量纲可以反映出它是混凝土强度与变形能力的综合效应。在其它脆性材料中断裂能GF 是由材料拉伸机理控制的，而混凝土材料的断裂能GF 强烈地依靠粗骨料粒径和其强度而变化。分别比较相同dmax=20mm，相同试件尺寸B×D×L=120mm×300mm×1300mm，混凝土强度从C20 到C50的三点弯曲切口梁SL(5、8、9、10)试件的断裂能，可以看出，相同dmax=20mm，相同试件尺寸B×D×L=200mm×300mm×300mm，混凝土强度从C20 到C50的楔入劈拉试件WS（13、18、19、20）试件的断裂能。dmax=20mm时断裂能随混凝土强度的增加变化不明显。随着混凝土强度的提高，断裂能不但不提高，反而有下降的个例。

其它学者在研究中强度对混凝土断裂能的影响规律时也发现了这种现象：随着混凝土强度的提高，断裂能不但不提高，反而有下降的个例。主要原因是：虽然混凝土强度在提高，水泥胶体与骨料连接强度也在提高，但由于骨料强度保持不变。裂缝开展过程中，骨料强度和水泥胶体与骨料连接强度相比显得弱，粗骨料碎石多数开裂，使断裂面平直，所需能量也就不会提高，可能反而有降低的现象。因此，骨料强度不同时凝土强度对混凝土的断裂能影响应该会有所不同。

4 不同试验方法对混凝土断裂能的影响

对于混凝土断裂性能的研究主要集中在试验方法、断裂韧度及断裂能的测试与计算、裂缝开展过程分析等方面，比较集中的结论是混凝土的断裂韧度、断裂能具有明显的尺寸效应。需要确定一个类似评价混凝土立方体抗压强度的稳定实验方法和计算方法来评价混凝土的断裂性能。尽管国内外学者对许多不同尺寸的试件分别进行了三点弯曲试验和楔入劈拉试验，但用同一种尺寸对混凝土进行试验方法比较研究的很少。

对混凝土材料来说，楔入劈拉试件可以看作是从三点弯曲梁截取出来的一段深梁，因此研究试件的形状效应可以选取试件高度D 相同的两类试件进行比较研究。本次试验试件为相同配比、试件高度D 相同三点弯曲梁试件与楔入劈拉试件，因此我们对两者的断裂能进行对比分析。从实验结果可以看出，三点弯曲梁试验所得断裂能与楔入劈拉试验所得断裂能之间没有明显的趋势。上述现象的原因可能是以下两点：1）这两种试验所采用的试件尺寸、几何形状、支撑条件及受力变形情况都不相同，这些因素可能导致其断裂过程区的差异；2）由于混凝土断裂能本身就有一定的离散性。有关不同试验方法对混凝土断裂能的影响有待于进一步的研究。

5 结论

对影响混凝土断裂能的其它因素如试件几何形状、骨料粒径、混凝土强度进行探讨，发现混骨料断裂能在dmax=（10、20、40）时随着骨料粒径的增加而增加的；混凝土断裂能随着混凝土强度的增加没有明显的趋势。三点弯曲梁试验所得断裂能与楔入劈拉试验所得断裂能之间没有明显的趋势。

[1]邓宗才，李庆斌，傅华.人工骨料全级配大坝混凝土的拉压力学性能[J].水利学报,2005，36(2).

[2]徐世烺，喻常雄，李庆华.混凝土大坝接缝灌浆的剪切断裂过程及其断裂韧度测定[J].水利学报，2007，38(3).

[3]赵艳华，徐世烺，聂玉强.混凝土断裂能的边界效应[J].水利学报，2005，36(11).

[4]郭向勇，方坤河，冷发光.混凝土断裂能的理论分析[J].哈尔滨工业大学学报，2005，37(9).

[5]杨松森，徐菁，赵铁军.碳化对混凝土断裂能的影响[J].四川建筑科学研究，2009，35(4).