考虑尺寸及纤维掺量影响的高强混凝土断裂能试验研究

2020-12-10郑满奎丁亚红张敏霞王兴国马金一

硅酸盐通报 2020年11期

徐平，郑满奎，王超，丁亚红，张敏霞，王兴国，马金一

(河南理工大学土木工程学院，焦作 454003)

0 引言

断裂能Gf是混凝土材料一个重要的断裂性能参数[1-2]，断裂能参数值的确定一直是工程和科学领域广泛关注的热点问题。测试混凝土断裂能的方法有很多，其中国际结构与材料研究联合会(RILEM)推荐采用的三分点加载单边切口梁(Single Edge Notched Beam，SENB)测试混凝土的断裂能较为简单[3]。研究发现，试件尺寸对三分点加载SENB试验结果的影响较大，混凝土测试断裂能具有明显的尺寸效应[4]。

混凝土的组成材料是影响断裂能的关键，混凝土中加入钢纤维能够有效抑制混凝土裂纹扩展，改善高强混凝土的韧性，提高混凝土断裂能。李英娜等[5]通过三点弯曲试验分析了钢纤维混凝土的破坏特性和荷载-挠度曲线特性，分析了钢纤维混凝土弯曲破坏过程和特点。钢纤维使峰值后的荷载-挠度曲线变得平缓，极限挠度值较素混凝土有明显地提高[6]。高淑玲等[7]采用楔入劈拉试验分析了混杂钢纤维类型、纤维长度和纤维掺量对混凝土增强增韧的影响，结果表明随着钢纤维掺量的增加，混凝土强度和断裂韧度、断裂能都得到提高。高丹盈等[8]利用三点弯曲法研究钢纤维体积率和相对切口深度对钢纤维混凝土作用力功以及断裂能的影响，试验结果表明钢纤维混凝土作用力功和断裂能随钢纤维体积率的增加而增加，随相对切口深度的增加而减小。

钢纤维混凝土断裂能测试过程中，试件尺寸以及钢纤维掺量都将影响测试结果。现有研究主要分析了钢纤维掺量对混凝土断裂性能的影响。但是，工程中纤维混凝土构件的尺寸明显大于实验室试件，试件尺寸及钢纤维掺量对混凝土测试断裂能的影响有待深入探索。本文通过设计不同缝高比的几何相似单边切口梁试件，基于RILEM推荐的三分点加载试验方法测试钢纤维高强混凝土断裂能，揭示试件尺寸、预制裂缝开口深度和钢纤维掺量对高强混凝土断裂能影响的变化规律，为钢纤维高强混凝土断裂能的测试及纤维混凝土构件断裂能的评定提供参考。

1 实验

1.1 试验材料

试验用原材料采用P·O 42.5硅酸盐水泥，密度3.11 g/cm3；粉煤灰为一级粉煤灰，硅灰含硅量≥95%；细骨料为细度模数2.7的中砂，含泥量小于2%，表观密度2.6 g/cm3；粗骨料为5～10 mm、10～20 mm碎石，按照质量比3∶7合成为5～20 mm连续级配，表观密度2.70 g/cm3，含泥量小于0.5%；减水剂采用聚羧酸高效减水剂(SP)，减水率>30%。钢纤维为端钩型，长度为20 mm，抗拉强度为2 000 MPa；拌合水为饮用水，钢纤维掺量按体积百分比计算，试件混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete /(kg·m-3)

1.2 配合比设计及试件制作

本文设计了35组不同钢纤维掺量、缝高比且跨高比(S/W= 4)的SENB试件，共132个。其中设计27组试验每组4个试件，钢纤维掺量ρf(体积分数，下同)分别为0%、2%、3%，试件尺寸L×W×B=550 mm×100 mm×100 mm，在缝高比a/W为0.05～0.7的范围内测试断裂能，设计8组试验每组3个试件，钢纤维掺量分别为0%、2%，尺寸L×W×B分别为850 mm×200 mm × 100 mm及1250 mm×300 mm×100 mm，在缝高比a/W分别为0.2及0.5的条件下进行断裂能测试，试件如图1所示。混凝土制备过程中，先加入砂石、钢纤维搅拌3 min，再加入水泥、硅灰、粉煤灰搅拌2 min，最后加入水、外加剂搅拌3 min，试件采用标准养护室养护。不同钢纤维掺量的高强混凝土工作性能及强度如表2所示。

表2 混凝土的物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of concrete

图1 不同尺寸的SENB 试件Fig.1 SENB specimens with different size

1.3 断裂能测试

采用额定负荷为100 kN的万能试验机对试件进行三点弯曲试验，试验装置如图2所示。试验采用位移加载控制，速率为0.02 mm/min，加载压头直径为30 mm，长为100 mm。仪器自动采集荷载-挠度曲线数据，根据所得荷载-挠度曲线数据结合理论公式计算得到试验测试断裂能[3]。试验加载示意图如图3所示，其中L为试件长度，S为试件的净跨，W为试件高度，B为试件宽度，a为初始缝长度，W-a为SENB试件断裂韧带长度。

图2 试验装置图Fig.2 Test equipment diagram

图3 单边切口梁加载示意图Fig.3 SENB loading schematic diagram

2 结果与讨论

考虑到三点弯曲试验过程中试件自重对结果的影响，本文采用式(1)计算试验所得混凝土的测试断裂能Gf[6]，各试件试验结果如表3所示。

(1)

式中：W0为荷载-挠度曲线围成的面积，N·m；m1为试件质量，kg；S为试件净跨，m；L为试件长度，m；m2为与试验机不接触但一直作用在试件上的加载装置的质量，kg；g为重力加速度，9.8 N/kg；δ0为最大挠度，m；Alig为断裂韧带面积，mm2。

2.1 钢纤维掺量对断裂能的影响

在RILEM推荐的三分点加载单边切口梁测试混凝土的断裂过程中，试件的缝高比将影响测试结果。因此，试验中设计采用试件尺寸S×W×B= 400 mm×100 mm×100 mm，分析不同缝高比及钢纤维掺量下的测试断裂能。

图4揭示了钢纤维掺量对不同缝高比试件断裂能的影响规律。如图4所示，随着钢纤维掺量的增加，掺有钢纤维高强混凝土断裂能平均值(Gsf)与未掺钢纤维高强混凝土(ρf=0%)断裂能平均值(Gf)比值(断裂能增益比，Gsf/Gf)也随之增加。在试件断裂过程中，由于钢纤维分散在混凝土中，纤维与水泥基体界面脱粘、拔出、机械咬合和摩擦滑移增大了裂缝扩展的阻力，使钢纤维高强混凝土中的裂缝扩展吸收更多的能量。试验表明，7种不同缝高比条件下，高强混凝土断裂能都随钢纤维掺量(ρf)的增加而提高。在测试过程中，由于钢纤维在混凝土中的分布具有随机性，相同尺寸和缝高比试件的断裂能测试结果具有一定的离散性，随着纤维掺量的增加，测试结果的离散性增大，钢纤维掺量为2%时，不同缝高比混凝土的断裂能增益比Gsf/Gf为41.5～46.1；钢纤维掺量为3%时，Gsf/Gf达到51.2～66.6。

图4 不同钢纤维掺量的断裂能增益比Fig.4 Fracture energy gain ratio of different steel fiber content

图5为不同纤维掺量和缝高比SENB试件的测试断裂能增长变化规律。由图5可知，当钢纤维掺量由0%增加到2% 时，混凝土的断裂能增长速度较快；当钢纤维掺量由2%增加到3% 时，混凝土的断裂能增长速度开始减慢，但测试断裂能仍有显著增加。对比28 d掺量为2%和3%的高强纤维混凝土的抗压和抗拉强度可知(见表2)，当纤维掺量为3%的高强混凝土的抗压强度和抗拉强度较纤维掺量为2%时略有下降。因此，纤维混凝土抗压、抗拉强度的增长趋势与断裂能的增长趋势不具备一致性。其主要原因是大掺量的钢纤维混凝土在强度值峰后的延性较大，强度值峰后储备有更大的断裂能。

为揭示不同尺寸高强混凝土随缝高比变化时，钢纤维掺量对断裂能变化的影响，本文对比分析了钢纤维掺量ρf=0%和ρf=2%条件下，缝高比a/W由0.2增长至0.5时，不同高度几何相似尺寸试件(S/W=4,W=100 mm, 200 mm, 300 mm)的断裂能变化情况，试验结果如表3所示。

由表3可知，未掺入钢纤维(ρf=0%)条件下，在a/W=0.2时不同高度(W=100 mm, 200 mm, 300 mm)几何相似试件的测试断裂能平均值分别为158.84 N/m、326.43 N/m、432.02 N/m。对比a/W= 0.5时各高度试件测试断裂能平均值：93.95 N/m、196.99 N/m、263.89 N/m，测试断裂能分别降低了40.9%、39.7%、44.9%。掺入钢纤维(ρf=2%)条件下，在a/W= 0.2时上述不同高度几何相似试件测试断裂能平均值分别为6 863.08 N/m、12 169.56 N/m、21 646.86 N/m。对比a/W= 0.5时各高度试件测试断裂能平均值：3 779.89 N/m、9 476.44 N/m、13 141.86 N/m，测试断裂能分别降低了26.9%、22%、39.3%。说明钢纤维的加入，提高了混凝土的韧性，削弱了缝高比变化对断裂能的影响。其主要原因是加入钢纤维后，试件内部形成了钢纤维咬合区，试件不会脆断，混凝土的抗裂能力得到显著提高。

表3 几何相似尺寸试件试验结果[10]Table 3 Experimental results of geometrically similar specimens[10]

2.2 开口裂缝深度对断裂能的影响

为了较准确分析开口裂缝深度变化对钢纤维高强混凝土断裂能的影响，本文对小尺寸试件(L×W×B= 550 mm×100 mm×100 mm，净跨S=400 mm)在9种缝高比(a/W=0.05，0.1，0.15，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7)条件下进行断裂能测试，试验结果见表4。

表4 小尺寸试件试验结果[10]Table 4 Experimental results of small size specimens[10]

由表4可知，相同混凝土材料，当SENB试件的初始裂缝长度发生变化时，其测试断裂能不同，这说明测试断裂能与试件的开口裂缝深度相关。经对比分析发现，随着钢纤维掺量的增加，高强混凝土测试断裂能Gf(相同试件断裂能平均值)随预制开口裂缝深度a呈线性相关。将试验结果进行拟合，拟合结果如图6所示。

从图6可以看出，在钢纤维掺量为0%、2%和3%情况下，高强混凝土小尺寸SENB试件断裂能Gf随着初始裂缝长度a增加，呈现线性递减的趋势，钢纤维掺量越高，Gf与a拟合直线斜率的绝对值就越大，下降速率就越快。傅喻等[9]在研究不同相对开口裂缝深度对混凝土断裂韧度影响试验研究中发现，相对切口深度越大，试件起裂越早，起裂荷载越小，开裂荷载也就越小，最终导致测试断裂能就越小。理论上断裂能是材料的固有特性，本身不受试件形状的影响。但实验室SENB试件的初始缝与试件的前、后边界距离较小，试件的边界将显著影响混凝土断裂能的测试结果。试件的开口裂缝深度对断裂能的影响本质上是边界效应的结果。在断裂能测试过程中，随着施加荷载逐渐增加，试件产生裂纹并沿着预制裂缝尖端向试件后边界方向扩展，直至试件断裂。在试件整个加载过程中，由于试件边界影响区的存在，试件断裂能沿断裂过程区不均匀分布，靠近边界的断裂过程区不能得到充分扩展。随着钢纤维高强混凝土试件预制初始裂缝长度a的增加，试件边界影响区相对初始缝后端的断裂过程区影响越大，试件断裂能Gf所受边界的影响就越明显。相同尺寸的SENB试件，初始缝越大，受边界影响的断裂能所占比重越大，试验测试得到的断裂能越小。

图6 高强混凝土小尺寸SENB试件断裂能Fig.6 Fracture energy of high strength concrete smaller size SENB specimens

2.3 试件尺寸对断裂能的影响

为分析试件尺寸对钢纤维高强混凝土断裂能的影响，本文对钢纤维掺量ρf分别为0%、2%，缝高比a/W为0.2和0.5的高强混凝土小尺寸SENB试件断裂能进行分析。所选试件几何相似但尺寸不同(跨高比S/W=4、W=100 mm，200 mm，300 mm)，试验结果见表4。对测试断裂能Gf试验数据进行对比分析，如图7所示。

图7 高强混凝土小尺寸SENB试件断裂能Fig.7 Fracture energy of high strength concrete smaller size SENB specimens

图8 SENB 断裂韧带区的gf 分布特征Fig.8 Distribution characteristics of gf in SENB fractured ligament area

由图7和表4可知，相同钢纤维掺量及缝高比条件下，高强混凝土测试断裂能Gf随试件高度W的增长而增长。对比不同缝高比条件下混凝土断裂能的变化，发现缝高比为0.5的高强混凝土试件测试断裂能低于缝高比为0.2的高强混凝土测试断裂能。由此可知，在试验过程中，钢纤维高强混凝土断裂能受试件尺寸大小和初始裂缝深度变化的影响，表现出明显的尺寸相关性。综上可知纤维的掺量、初始缝的深度、试件的大小都将影响SENB断裂能的测试结果。

为揭示尺寸对断裂能的影响，Hu[11]和Karihaloo[12]等提出断裂过程区在沿裂纹扩展方向不是均匀分布的，并通过引入局部断裂能gf，对沿着裂缝开展方向每一处的断裂能进行表征，分别提出双线性和三线性局部断裂能模型，如图8所示。试件的边界区域，局部断裂能gf呈线性变化，在不受边界影响的区域gf为常数。因此SENB试件的测试断裂受尺寸影响的本质是试件边界对断裂过程区的影响。

由图8可知，当混凝土试件尺寸较小时，断裂韧带区(W-a)将位于SENB边界影响区，局部断裂能小于不受边界影响区域的断裂能，测试断裂能受边界影响显著。随着试件尺寸的增大，断裂韧带区中存在较大不受边界影响的区域，该区域内gf为一常数，故当断裂韧带区相对边界影响区足够大时，测试断裂能受尺寸影响较小。本文选用的试件较小，断裂韧带区将受试件边界影响，表现出显著的尺寸效应，且测试断裂能随试件高度和断裂韧带区长度的增大而增大。

图9 SENB断裂韧带区的FPZ分布特征Fig.9 Distribution characteristics of FPZ in SENB fractured ligament area

钢纤维的加入，使裂缝扩展过程中的桥接作用增大，断裂过程区变大，边界对断裂能的影响减弱。因此，钢纤维的掺入不仅提高了混凝土的断裂能，还减缓了边界对测试断裂能的影响。因此，试件尺寸及钢纤维掺量对混凝土断裂能的影响可表述为断裂过程区(FPZ)受边界和纤维桥接影响的过程，其中SENB断裂韧带区的FPZ分布特征如图9所示。

由图9可知，断裂过程区在试件边界发展受限，其测试断裂能小于不受边界影响的断裂能，测试断裂能表现出尺寸效应。因此，SENB试件较小时，断裂过程区分布在边界影响区的比率较大，边界对试件尺寸效应影响显著，小尺寸试件表现出显著的尺寸效应。反之，如果试件足够大且缝高比较小，断裂过程区分布在边界影响区的比率将足够小，边界对测试断裂能的影响可忽略，因此足够大尺寸的SENB试件测试断裂能将不再受尺寸效应影响。钢纤维混凝土受纤维桥接作用，其断裂过程区显著增大，边界对断裂能的影响相对减弱。因此，钢纤维的掺入对断裂能尺寸相关性起到了缓解作用。