粗骨料粒径和水胶比对大坝混凝土断裂参数的影响

赵志方，饶俊波，王卫仑，潘存鸿

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；

3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

粗骨料粒径和水胶比对大坝混凝土断裂参数的影响

赵志方1，饶俊波1，王卫仑2，潘存鸿3

(1.浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014；2.深圳大学 土木工程学院，广东 深圳 518060；

3.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

摘要：采用三峡大坝混凝土的施工配合比，制作了5组20个尺寸相同的混凝土试件，进行三点弯曲梁断裂试验，研究粗骨料粒径和水胶比对混凝土断裂参数的影响.实验结果表明：随粗骨料粒径的增大，混凝土失稳韧度增大，混凝土抵抗失稳破坏的能力增强，起裂韧度、断裂能和特征长度均呈现出先增大后减小的趋势.水胶比的增大，混凝土起裂韧度、失稳韧度和断裂能均减小，混凝土抵抗开裂、失稳破坏及裂缝扩展的能力均降低,特征长度增大，即增大水胶比能使混凝土延性得到改善.

关键词：大坝混凝土；粗骨料粒径；水胶比；断裂参数；三点弯曲梁试验

Influence of coarse aggregate size and water-to-binder ratio on

fracture parameters of dam concrete

ZHAO Zhifang1，RAO Junbo1，WANG Weilun2，PAN Cunhong3

(1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China；

2.Shenzhen University, School of Civil Engineering, Shenzhen 518060, China；

3.Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, China)

Abstract:In this paper, 5 groups or a total 20 three-point bending notched beam specimens with dimension of 120 mm×300 mm×1 300 mm , which employed the construction mix proportions of the Three Gorges dam project concrete were made. In order to investigate the influence of coarse aggregate size and water-to-binder ratio on fracture parameters of dam concrete, three-point bending tests were carried out. The results showed that the unstable fracture toughness increases with an increase in coarse aggregate size. The initial fracture toughness, fracture energy and characteristic length increase up to the second largest aggregate size and drops slightly at the largest size and the asymptotic behavior of the aboved parameters over the aggregate size is observed. The initial fracture toughness, unstable fracture toughness and fracture energy of concrete decrease and the characteristic length increase with an increase in water to binder ratio. It means that the ability to resist crack propagation and the brittleness of concrete all reduced with an increase in water to binder ratio.

Keywords:dam concrete; coarse aggregate size; water-to-binder ratio; fracture parameters; three-point bending test

混凝土的粗骨料粒径和水胶比对其断裂韧度、断裂能和特征长度等力学性能有重要影响，近年来受到各国学者的关注[1-8].对于粗骨料粒径对断裂参数影响的研究，一些学者把重点放在粗骨料粒径为20 mm范围一级配混凝土上[1-4]，而对大于20 mm粒径粗骨料对断裂参数影响的研究还不多，既有的少量研究把重点放在断裂韧度上[5]，对断裂参数的研究不全面.国内外学者在水胶比对混凝土断裂参数影响研究方面做的工作亦不多，且得出的结论存在较大的差异.Petersson[4]研究结果表明：断裂能随水胶比的增大呈先增后减的趋势，当水胶比超过0.4时，断裂能开始减小；Jo和Tae[6]研究结果表明：随水胶比的降低，混凝土断裂能和脆性会增大；而Carpinteri和Brighenti[7]认为太高和太低的水胶比都会使混凝土断裂能减小.且有关大坝混凝土断裂性能方面的试验研究尚比较缺乏，公开报道的少量文献研究重点亦仅关注断裂参数测试方法[8].综上，粗骨料粒径和水胶比对混凝土断裂参数的影响规律需要进一步的研究与探讨.

采用三点弯曲切口梁试验，由获得的试验数据确定混凝土断裂韧度(双K断裂参数)、断裂能和特征长度，由此研究粗骨料粒径和水胶比对大坝混凝土断裂参数的影响.

1试验研究

1.1试验材料和配合比

混凝土配合比见表1.其中水泥为葛洲坝荆门水泥厂生产的中热525#，粉煤灰为山东邹县热电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，减水剂采用北京冶建JG3，引气剂采用石家庄外加剂厂DH9，粗骨料为三峡古树岭人工骨料加工系统的人工碎石，细骨料为三峡下岸溪人工砂，用三峡饮用水拌合.水胶比为0.35~0.50，粗骨料粒径为10~40 mm.

表1　混凝土配合比

1.2试件设计与制作

为研究粗骨料粒径对混凝土断裂参数的影响，设计了三组粗骨料粒径分别为10，20，40 mm的三点弯曲梁试件组(试件组编号依次为TPB1，TPB2，TPB5)；同时为研究不同水胶比对混凝土断裂参数的影响，设计了水胶比为0.5，0.45，0.35三组系列混凝土试件组(试件组编号依次为TPB2，TPB3，TPB4).每组制作4个试件，只要试验成功3个即可.

三点弯曲切口梁试件形状如图1所示.本试验共浇筑5组20个试件(每组4个试件)，试件尺寸为B×D×L=120 mm×300 mm×1 300 mm，初始缝长为a0=120 mm，缝宽2 mm.同时制作同批次混凝土的150 mm×150 mm×150 mm立方体和φ150 mm×300 mm圆柱体试件，用于测试混凝土的基本力学性能.

图1　三点弯曲切口梁示意图Fig.1　Sketch of three point bending notched beam

试件在三峡泄洪坝施工现场制作，分别采用自落式搅拌机和软管振动器来搅拌和振捣混凝土，试件浇筑24 h后拆模.用草袋覆盖，洒水养护28 d，在自然环境中养护.

1.3基本力学性能试验和三点弯曲梁试验

1.3.1基本力学性能试验

按照DL/T5150—2001《水工混凝土试验规程》[9]测试和三点弯曲梁同批次混凝土的150 mm×150 mm×150 mm立方体抗压强度fcu及劈裂抗拉强度fts，φ150 mm×300 mm圆柱体抗压强度fc、弹性模量Ec和泊松比γ，结果见表2.

表2　基本力学性能试验结果

1.3.2三点弯曲梁试验

三点弯曲梁试验采用位移控制加载，加载速率为0.15 mm/min.采用型号为BLR-1的荷载传感器，量程为100 kN，测量精度≤最大荷载的2%，测试断裂试验过程中的荷载参数值.同时采用日本产型号为CDP-5位移传感器，量程为5 mm，精度为0.5 μm，测试裂缝口张开位移(CMOD).试验数据的采集与记录由两台联用的8通道DH5937动态应变测试系统来完成，整个断裂试验稳定进行，得到了完整的荷载—变形曲线.

由三点弯曲梁试验，测得试件的荷载—裂缝口张开位移(P—CMOD)曲线和荷载—梁跨中位移曲线(P—δ).部分试件实测的P—CMOD曲线和P—δ曲线分别见图2，3.

图2　试验实测的P—CMOD曲线Fig.2　The measured P-CMOD curves

图3　试验实测的P—δ曲线Fig.3　The measured P-δ curves

2混凝土断裂参数的确定

2.1双K断裂参数

起裂韧度和失稳韧度是评价混凝土断裂性能的重要参数，分别用于判定混凝土的起裂和失稳.由三点弯曲梁实测的P—CMOD曲线，根据徐世烺教授[10]提出的双K断裂模型理论，可得双K断裂参数：起裂韧度和失稳韧度，结果列于表3.

2.2断裂能的确定

混凝土断裂能为裂纹扩展单位面积所需要消耗的能量，能较好地体现材料抵抗裂缝扩展的能力，是混凝土断裂力学中的一个重要参数.基于断裂功原理，采用RILEM[11]推荐的方法根据三点弯曲切口梁实测的P—δ曲线确定混凝土断裂能GF，可按公式求得

(1)

其中：W0为施加于梁跨中的外荷载所做的功；mg为梁自重；δmax为梁跨中最大挠度；A0为梁韧带面积.

2.3特征长度的确定

特征长度lch用来表征混凝土的脆性特性，其值越小，混凝土的脆性就越大[12]，可由下式计算而得

(2)

式中：E为弹性模量；ft为混凝土抗拉强度.

根据上述计算方法，结合三点弯曲梁试验可得混凝土试件的断裂参数，结果见表3，表3中所列的数据为每组试件的平均值.

表3三点弯曲切口梁试件组断裂参数

Table3Fractureparametersofthree-pointbendingnotchedbeamspecimengroups

试件组编号起裂韧度/(MPa·m1/2)失稳韧度/(MPa·m1/2)断裂能/(N·m-1)特征长度/mmTPB10.5891.363267.58420.89TPB20.961.703291.631083.01TPB31.0171.873311.79778.16TPB41.1221.923332.24328.98TPB50.8531.826268.47808.29

3试验结果与分析

3.1粗骨料粒径对断裂参数的影响

图4给出了双K断裂参数与粗骨料粒径的变化关系.其中混凝土起裂韧度随着粗骨料粒径的增大呈现先增后减的趋势，当粗骨料粒径为20 mm时起裂韧度值为0.96 MPa·m1/2，此时混凝土抵抗开裂缝的能力较大；当粗骨料粒径由10 mm增大到40 mm，失稳韧度从1.363 MPa·m1/2增大到1.826 MPa·m1/2，增幅为34%，表明失稳韧度随粗骨料粒径的增大而增大，即混凝土抵抗裂缝失稳破坏的能力得到提升.

图4　双K断裂参数随粗骨料粒径的变化Fig.4　The relationshiop between double K fracture parameters and aggregate size

从图5中混凝土断裂能与粗骨料粒径变化关系曲线可知：当粗骨料粒径从10 mm增大到20 mm时，试件组断裂能由267.58 N/m增到291.63 N/m，而当粗骨料粒径由20 mm增大到40 mm时，断裂能则从291.63 N/m减小到268.47 N/m.可知当粗骨料粒径为20 mm时，断裂能较大，此时混凝土抵抗裂缝扩展的能力较大.上述现象可解释为：随着粗骨料粒径的增大，断裂路径变得更曲折，需要消耗更多能量用于裂缝的发展，即表现为断裂能的增大.然而随着骨料粒径的进一步增大，混凝土在振捣过程中容易发生离析，在粗骨料的周围会形成较厚的水膜，使得粗骨料与水泥浆基体的粘结减弱，从而使断裂能降低.

图5　断裂能随粗骨料粒径的变化Fig.5　The relationshiop between fracture energy and aggregate size

图6　特征长度随粗骨料粒径的变化Fig.6　The relationshiop between characteristic length and aggregate size

图6表明：当粗骨料粒径从10 mm增大到20 mm时，试件组特征长度由420.89 mm增到1 083.01 mm，但当最大骨料继续增大到40 mm，试件组特征长度则由1 083.01 mm下降到808.29 mm.可知特征长度在粗骨料粒径为20 mm时较大，此时混凝土韧性较大.上述现象可以解释为：随着粗骨料粒径的增大，断裂路径变得更曲折，粗骨料对主裂纹界面有更大的桥接作用，混凝土梁断裂过程中需要克服粗骨料从基材中拔出而产生的摩擦作用变大，即混凝土延性变好.但随着骨料粒径的进一步增大，骨料与水泥浆基体结合面中初始缺陷也会随之增加，使得骨料与水泥浆基体的粘结降低，骨料的内锁和桥接作用下降，表现为混凝土脆性的增大.

3.2水胶比对断裂参数的影响

图7为双K断裂参数与水胶比的变化关系曲线.其中起裂韧度、失稳韧度均随水胶比的增大而减小，当水胶比由0.35增大到0.5时，起裂韧度由1.122 MPa·m1/2减小到0.96 MPa·m1/2，减幅为14%，失稳韧度由1.923 MPa·m1/2较小到1.703 MPa·m1/2，减幅为11%，说明混凝土抵抗开裂和失稳破坏的能力均随水胶比的增大而降低.

图7　双K断裂参数随水胶比的变化Fig.7　The relationshiop between double K fracture parameters and water-binder ratio

从图8可知:当水胶比由0.35增大到0.5时，断裂能由332.24 N/m减小到291.63 N/m，减幅为12%，说明混凝土抵抗裂缝扩展的能力随水胶比的增大而降低.其原因在于随着水胶比的减小，混凝土基体越密实，孔隙率越低，粗骨料与硬化水泥浆体结合紧密，混凝土抵抗断裂的能力越强.

图8　断裂能随水胶比的变化Fig.8　The relationshiop between fracture energy and water-binder ratio

由图9可知：当水胶比由0.35增大到0.5，特征长度由328.98 mm增大到1 083.01 mm，表明混凝土脆性随着水胶比的增大而减小，且变化显著，即增大水胶比能使混凝土延性得到明显改善.其原因为：随着水胶比的增加，界面过渡区变得更脆弱，粗骨料与水泥浆体间粘结变弱，更多的粗骨料从混凝土基体中拔出，这使得断裂面变得凹凸不平，而使延性变大.相反，随着水胶比的降低，混凝土基体越密实孔隙率越低，粗骨料与硬化水泥浆体结合紧密，粗骨料发生断裂，这使得断裂面相对比较平滑，表现为粗骨料的桥接和内锁作用减弱，即混凝土变脆.

图9　特征长度随水胶比的变化Fig.9　The relationshiop between characteristic length and water-binder ratio

4结论

通过混凝土三点弯曲试验，研究了粗骨料粒径和水胶比对混凝土断裂参数的影响，结果表明：混凝土起裂韧度随粗骨料粒径的增大呈现先增大后减小的趋势，当粗骨料粒径为20 mm时，起裂韧度为0.96 MPa·m1/2，此时混凝土抵抗开裂能力较大；混凝土失稳韧度则随粗骨料粒径的增大而增大，表明混凝土抵抗裂缝失稳破坏的能力随着粗骨料粒径的增大而提高；混凝土断裂能和特征长度随粗骨料粒径的增大呈现先增大后减小的趋势，当粗骨料粒径为20 mm时，断裂能和特征长度均达到较大值，此时混凝土抵抗裂缝扩展的能力和延性均较大；混凝土起裂韧度、失稳韧度和断裂能均随水胶比的增大而减小，表明混凝土抵抗开裂、裂缝扩展和失稳破坏的能力均随着水胶比的增大而减弱；混凝土特征长度随水胶比的增大而增大，表明混凝土脆性随水胶比的增大而减小，即增大水胶比能使混凝土延性得到改善.

参考文献：

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(责任编辑：刘岩)

中图分类号：TV313

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2015)03-0270-05

作者简介：赵志方(1970—)，女，河南洛阳人，教授，博士，研究方向为混凝土断裂力学和绿色高性能大体积混凝土，E-mail:zhaozhifang7@126.com.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51479178)；浙江省自然科学基金资助项目(LY14E090006)；广东省滨海土木工程耐久性重点实验室开放基金资助项目(GDDCE14-01)

收稿日期：2015-01-12