混凝土断裂研究中预制裂缝影响探讨

宋　宸　郑淑文　王学志

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州　121001)



混凝土断裂研究中预制裂缝影响探讨

宋宸郑淑文王学志

(辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁 锦州121001)

对混凝土断裂试验中预制裂缝作了研究，通过比较分析两组试验数据及另一组试验现象，探讨了预制缝对试件扩展的影响，得出了一些结论，为类似问题的研究奠定了基础。

混凝土，预制裂缝，断裂力学，三点弯曲梁

0　引言

断裂力学最早是由于金属制品的非正常断裂而引起一些学者重视，经过长时间的研究，断裂力学在金属等断裂方面已经比较成熟，且在实际中应用较好。然而，断裂力学在混凝土断裂方面的研究相对较晚，1961年Kaplan[1]首次将断裂力学应用于混凝土，此后混凝土断裂的研究才引起重视。至今，国内外学者在混凝土断裂性能研究方面做出众多的贡献[2-10]。在混凝土断裂研究的试验方面，国内外常用的方法有三种：紧凑拉伸法、三点弯曲梁法、楔入劈拉法，为了解决普通楔入式劈拉法在裂缝尖端产生一定的弯矩和没有其相应的断裂能计算方法，又引入了一种楔入式紧凑拉伸法。该方法解决了缝端弯矩问题，其计算过程可与紧凑拉伸法相同。

混凝土作为一种多项复合材料，其自身性质、力学性能都比较复杂。不同于金属、岩石等材料单一结构的力学特性，混凝土需要考虑多种材料的力学特性并将它们复合而且不是简简单单的力学性能叠加。这一特点就决定了对混凝土的断裂性能研究不能单纯的仿效金属和岩石。

1　混凝土断裂力学试验构件的预制缝

在应用混凝土断裂力学分析裂缝问题时，一般通过外荷载作用造成的裂缝尖端应力场的分析，求得应力强度因子或能量释放率，再根据断裂韧度指标判断结构的稳定性[11]。混凝土结构本身就是带裂缝工作，现在为了研究断裂问题人们在试件上预制裂缝，已达到预期的研究效果。目前的试验条件下，无论采用哪一种试验方法，预制缝的制作大同小异。这种方式制作的预制缝相对于试件是不容忽视的“大缝”。

图1　混凝土三点弯曲梁

以三点弯曲梁为例(见图1)，该种试件可看作为一根梁，在梁中下部有一个宽3 mm的裂缝。在GB 50010—2010混凝土结构设计规范中，对结构裂缝宽度的最大限值为0.4 mm，所以从这个角度看其完全超出了安全范围。但我们考虑的并不是这些，而是裂缝尖端应力场的分析。因为裂缝两侧没有粘聚力的作用，把裂缝尖端沿梁方向将梁划分开，取上半部分用材料力学的方式处理,当构件截面上拉应力大于其抗拉应力时，构件就发生了破坏。

由材料力学方式计算得到梁破坏时的荷载公式：

F0=2t(h-a0)σt/3S

(1)

式中：F0——梁破坏时的荷载；

t——梁截面宽度；

h——梁截面高度；

a0——裂缝高度；

σt——混凝土的抗拉强度；

S——梁的有效长度。

文献[12]进行了非标准混凝土三点弯曲梁的试验，利用其试验数据，配制C35混凝土，配合比例为：水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶石∶UC-Ⅱ=0.7∶0.12∶0.16∶2.04∶2.81∶0.01，经其实测发现混凝土抗压强度为41.5 MPa，查GB 50010—2010混凝土结构设计规范发现其强度达到C65混凝土强度，因此在处理数据时取σt=2.93 MPa。考虑混凝土自重时，取其密度2 500 kg/m3，经计算其结果与不考虑自重的式(1)相差很小，故计算时没有考虑自重。计算结果见表1。

表1　试件尺寸及计算结果(一)

由表1数据可近似认为利用材料力学方法得到的破坏荷载即为裂缝模型中的最大荷载。

同理，处理文献[13]中的数据，其混凝土配合比例为水泥∶水∶砂子∶石子=1∶0.48∶1.33∶2.47，其实测抗压强度为46.8 MPa，取σt=3.04 MPa。计算结果见表2。

表2　试件尺寸及计算结果(二)

综合考虑处理后的文献[12][13]的结果，F0与Fun没有统一起来，但在此并不能否定该想法，因为两文献的混凝土等级、配合比、尺寸等都不相同。在很大程度上可以考虑是由于构件截面面积大小和高厚比的原因，导致在截面上应力的分布出现较大差异。

2　预制缝对构件断裂的影响

我们在制作构件中裂缝时已经预先期望了构件开裂的方式，但有时却不那么理想。从应力角度考虑构件的破坏，构件破坏是先由构件最薄弱的地方开始破坏，而最薄弱的地方应该是指某一处的应力与该处阻止其破坏的抗力的比值最大处。在构件中预制了裂缝且其他部位制作良好，我们可以认定在预制裂缝的缝尖处会是应力集中的最大区域，即破坏应从裂尖处开始。图2是几种混凝土断裂力学试验构件的断裂破坏形式[14]。

图2　试件破坏形式

图2a)和图2b)两个试件的破坏与之前预期的基本一致；图2c)和图2d)两个试件的破坏则是发生了一些偏离；图2e)试件就是一种非正常的破坏，是预想不到的。这里面有些试件按照预期断裂方式发生了破坏，而有些发生了偏离的破坏甚至非正常破坏。其原因是混凝土构件本身就可能含有微裂缝，且混凝土本身是离散非均匀的材料。在预制裂缝的尖端，我们无法确定混凝土是否有微裂缝存在及裂纹的位置，同样无法预知骨料的位置。如果预制裂缝尖端有微裂缝，在此处的应力集中又会发生应力重分布，从而导致新的应力集中点的产生。同样，如果裂缝尖端有粗骨料，裂缝也会沿着更薄弱的部位发展。因此，上面的各种破坏形式集中反映了各种因素对裂纹扩展的影响。若要研究混凝土的断裂机理，就必须考虑混凝土中大量裂缝相互作用的影响。

3　结语

本文从对已有实验结果分析和实验现象的探讨两个方面对混凝土预制裂缝影响进行了探讨，得到如下结论：

应用材料力学上的观点与三点弯曲梁法做一对比，两种方法没能够完全统一。原因可能是混凝土本身的脆性、构件尺寸等导致的。在大尺寸试件中，二者有一定的统一关系，而且比较理想；在小尺寸试件中，缝高比小于0.6时，二者也存在统一的关系。如果对其他形式或尺寸的试件也能够建立统一的关系，则可以简化混凝土断裂性能的研究。

混凝土中含有大量的裂纹，当混凝土受到荷载作用时，裂缝之间相互作用，构件中应力也经历多次的重分布，最终在构件最薄弱处发生破坏。在混凝土断裂研究的试验中，应该加强预制裂缝处的混凝土的处理，尽量减少由于构件自身原有裂纹的出现而影响研究结果的准确性。但也应该注意到有一些问题是无法避免的，如粗骨料的影响。

[1]KAPLAN.M.F.Crackpropagationandthefractureofconcrete[J].JournaloftheAmericanConcreteInstitute，1961，58(5)：591-610.

[2]HILLERBORG.A.Analysisofcrackformationandcrackgrowthinconcretebymeansoffracturemechanicsandfiniteelements[J].CementandConcreteResearch，1976(6)：773-782.

[3]BAZANT.Z.P.Crackbandtheoryforfractureofconcrete[J].MaterialsandStructure，1983，16(93)：155-177.

[4]JENQ.Y.S,SHAH.S.P.Afracturetoughnesscriterionforconcrete[J].EngineeringFractureMechanics，1985，21(5)：1055-1069.

[5]JENQ.Y.S,SHAH.S.P.Twoparameterfracturemodelforconcrete[J].JournalofEngineeringMechanics,1985,111(10)：124-127.

[6]Bazant.Z.P,Kazemi.M.T.Determinationoffractureenergy,processzonelengthandbrittlenessnumberfromsizeeffect,withapplicationtorockandconcrete[J].InternationalJournalofFracture,1990(44):111-131.

[7]Karihaloo.B.L,Nallathambi.P.Effectivecrackmodelforthedeterminationoffracturetoughnessofconcrete[J].EngineeringFractureMechanics,1990,35(4/5):637-645.

[8]XUSL,REINHARDTHW.Determinationofdouble-Kcriterionforcrackpropagationinquasi-brittlefracture,PartⅠ[J].ExperimentalInvestigationofCrackPropagation,1999(98)：111-149.

[9]徐世烺,赵国藩.混凝土结构裂缝扩展的双K断裂准则[J].土木工程学报,1992,25(2):32-38.

[10]HILLEMEIER.B,HILSFORF.H.K.Fracture mechanics studies on concrete compounds[J].Cement and Concrete Research,1977,7(5):523-536.

[11]徐世烺.混凝土断裂试验与断裂韧度测定标准方法[M].北京：机械工业出版社，2009：24.

[12]范向前,胡少伟,陆俊.非标准混凝土三点弯曲梁双K断裂韧度试验研究[J].建筑结构学报，2012，33(10)：20-25.

[13]荣华,董伟,吴智敏,等.大初始缝高比混凝土试件双K断裂参数的试验研究[J].工程力学，2012，29(1)：162-167.

[14]肖克见.水压力和轴力联合作用下常态混凝土的断裂试验研究[D].锦州：辽宁工业大学，2013.

Discussion on effect of precast crack in fracture research of concrete

Song ChenZheng ShuwenWang Xuezhi

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China)

Precast crack of concrete in fracture test were discussed simply. Effect of precast crack of concrete to crack propagation were discussed by comparison of two sets of test results and analysis of other experimental phenomenon, drawn some conclusions, laid foundation for the research of same kind of problem.

concrete, precast crack, fracture mechanics, three point bending beam

1009-6825(2016)21-0057-03

2016-05-18

宋宸(1994- )，男，在读本科生

TU312.3

A