含黏结界面混凝土断裂特性研究

赵洪，谢友均，龙广成，朱胜阳，张嘉伟，程智清

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.湖南工学院 新型建筑材料研究院，湖南 衡阳 421002；3.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031)

我国自主研发的CRTSⅢ型板式无砟轨道已在高速铁路建设中得到广泛应用。该轨道结构轨下部分从上至下分别由蒸养混凝土轨道板、自密实混凝土充填层、土工布隔离层及底座板等构成，轨道板与充填层之间界面相互黏结并通过门型筋连接形成复合板，CRTSⅢ型板式无砟轨道在我国虽然已经有10多年的运营和管理维护经验，但是相对来说仍然属于年轻的技术，目前关于其病害的发生、演变机理仍需进行系统性研究。孙璐等[1−3]基于组成板式无砟轨道结构的各层材料之间完好黏结情况下开展了无砟轨道结构的受力特性的研究。但现有的文献调研表明：由于板式无砟轨道板结构中预制的蒸养混凝土和现浇的自密实混凝土属于2种属性不同的材料，其层间界面在外界作用下极易出现离缝现象[4−5]，板式无砟轨道结构的受力和变形行为会因为层间界面的离缝而产生不一样的规律和特性。全毅等[6−8]针对层间界面离缝后轨道板结构的受力特性、层间界面离缝长度和位置对轨道结构的影响以及层间界面离缝的等级划分等开展了相关的研究工作。可以看出，以上研究均是针对板式无砟轨道板结构在不同服役状态下的宏观力学行为进行的。CRTSⅢ型板式无砟轨道结构层间界面的离缝和离缝的进一步拓展，实际上是2种不同属性的混凝土材料在荷载作用下层间界面处裂纹的拓展和断裂行为，而现有研究中少有涉及。在混凝土的断裂力学研究中，混凝土的强度、粗骨料粒径、相对缺口高度比等等都会对混凝土断裂韧度产生影响[9−11]。本研究中，考虑到蒸养混凝土与自密实混凝土黏结界面在受载前和服役过程中总会存在初始裂缝这一特点，从而设置相对缺口高度比为影响因素，结合数字图像相关法(DIC)技术，进行层间界面断裂特性的试验研究，考虑混凝土断裂力学理论和试验方法来研究层间界面的断裂力学参数和破坏特征，以期为板式无砟轨道结构的层间界面的微裂纹发展及失稳判定提供更精准的实验参数。

1 试验概况

1.1 含黏结界面混凝土的制备

采用100 mm×100 mm×400 mm模具成型含有蒸养混凝土和自密实混凝土黏结界面的混凝土试件，基于高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道结构轨道板用C60蒸养混凝土(SC)、充填层用C40自密实混凝土(SCC)的原材料和配比进行蒸养混凝土和自密实混凝土的制备，原材料包括P∙O 42.5水泥、粉煤灰、矿渣粉、河砂、碎石和外加剂等，蒸养混凝土28 d实测抗压强度为60.3 MPa，自密实混凝土28 d实测抗压强度为44.2 MPa。黏结试件成型过程中，先在100 mm×100 mm×400 mm模具中间放置钢质挡板，将模具一分为二，浇注成型并养护蒸养混凝土，至28 d龄期后取出100 mm×100 mm×200 mm蒸养混凝土，采用电胶布粘贴的方式制备不同高度的缺口，然后放置在100 mm×100 mm×400 mm模具中，并在模具剩下的一半空间里浇注成型自密实混凝土，最后置于标准条件下养护含黏结界面混凝土56 d后，取出进行测试，试件的具体尺寸如图1(b)所示，其中设置初始缺口高度a0=50，30，10 mm，对应相对缺口高度比(a0/D)分别为0.5，0.3和0.1。

1.2 含黏结界面混凝土的测试

在Instron电液伺服压力机上进行三点弯断裂试验，采用位移控制，速度为0.1 mm/min，在试件一侧的黏结界面周围制备散斑，将相机固定并将镜头对准黏结界面中心，记录试验整个过程，采样帧率30 s−1，分辨率1 020×720，将获得的照片导入到数字散斑软件进行后期处理，进而得到试件在受荷过程中的应变云图。同时，在缺口尖端下方放置COD规，进行缺口张开位移采集，在缺口尖端上方两端处粘贴应变片(如图1(b)所示)，进行缺口尖端应变采集；受载过程中试件的挠度采用电液伺服压力机的压头数据，具体的测试装置如图1(a)所示。

图1 试验装置Fig.1 Test device

2 试验结果与分析

2.1 断裂特点

图2为含黏结界面混凝土受三点弯曲荷载破坏后的断面特征，可以看出，含黏结界面混凝土试件在三点弯荷载下均是沿着黏结界面产生破坏，仔细观察破坏后的黏结界面混凝土表面，可见试件在SCC材料表面出现混凝土的剥离，剥离的混凝土牢牢吸附在SC材料表面。说明在脱黏过程中有裂纹向组成黏结界面的2种混凝土材料内部拓展，裂纹的继续拓展需要克服黏结界面处黏结点的桥联闭合作用的阻力，才能将强度较低的SCC材料剥离。同时，这跟黏结界面混凝土的制备工艺有关，预制的SC强度高、表面相对致密，后浇筑的SCC强度低，容易在界面黏结处形成强度相对薄弱的过渡层区域[12]，裂纹更容易从界面向SCC内部进行拓展，导致SCC被剥离并留在SC表面。

图2 黏结界面破坏特征Fig.2 Characteristics of bonding interface

2.2 试验曲线

2.2.1 荷载-缺口张开位移(P-CMOD)曲线

含黏结界面混凝土在不同缺口高度下的PCMOD曲线处理后如图3所示。可以看出，随着缺口高度的增加，曲线上升段变陡，能采集到的下降段数据点也增加。当相对缺口高度比为0.1时，获得的P-CMOD曲线在峰值荷载处存在一个平台，下降段非常不明显，这可能是因为缺口高度太小，试件底部黏结界面处的拉应力集中现象相对被削弱，更多的应力均布到整个黏结界面处，从而在达到峰值荷载后，在界面处黏结点的桥联闭合作用的阻滞下，出现荷载基本不变，而黏结界面在大量的变形积累的效果，说明在对黏结界面混凝土的断裂特性试验研究过程中，相对缺口高度设置宜大于0.1。

图3 P-CMOD曲线Fig.3 P-CMOD curves

2.2.2 预制缺口尖端应变随荷载的变化曲线

确定混凝土的起裂荷载，可以通过电测法确定[13−14]，或者由试验测得的P-CMOD曲线线性段到非线性段的转折点确定[15]。电测法即在预制缺口尖端左右两侧各布置一个应变片，监测其在受力过程中的应变变化情况，通过荷载−应变(P-ε)曲线上应变的极值点所对应的荷载即为起裂荷载Pini。本文基于电测法的试验结果如图4所示，0.5-2试件的曲线具有典型的应变回缩特征，该曲线中的应变最大点即为起裂荷载处，其中0.1-2和0.3-2试件的应变在出现回缩后又再次增加，这可能是因为应变片粘贴区域刚好在黏结界面处的黏结点，黏结界面经过一个短暂的起裂后，需要剥离此处的SCC材料，黏结界面才能继续拓展，从而导致起裂后应变再次急剧增加后再骤降。而0.1-2试件的界面黏结点相对更多，荷载更能均布到整个层间界面，黏结点剥离过程中，粘贴在基体上的局部应变片应变增加不明显，导致其P-ε曲线出现竖向平台，本文中，以该竖向平台处的最大应变最为起裂荷载位置，结合试件的P-CMOD曲线，该起裂荷载所在位置基本符合线性段到非线性段的转折点的特征。

图4 P-ε曲线Fig.4 P-εcurves

2.2.3 荷载−挠度(P-f)曲线及应力应变关系

图5为荷载−挠度(P-f)曲线，可以看出，随着缺口高度的增加，其峰值荷载和峰值荷载处挠度均呈现降低趋势，不同缺口高度下的含黏结界面混凝土的P-f曲线在形状上基本上一致，主要经历了4个阶段：1)预压阶段：压力机机头和试件之间咬合、压紧的阶段；2)线性增长阶段：荷载和中心变形呈现线性增长，预制缺口处裂缝尚未进行拓展，黏结界面之间尚未出现裂纹的阶段；3)开裂拓展阶段：黏结界面开始出现微裂纹，并且微裂纹在累积和缓慢拓展的阶段；4)失效破坏阶段：黏结界面开始出现贯穿的大裂纹，试件破坏失效的阶段。

图5 P-f曲线Fig.5 P-f curves

根据荷载-挠度(P-f)曲线分别进行应力和应变的计算，相关计算参照文献[16]进行，由于本次试验中的混凝土自重相对破坏荷载来说很小，在计算应力过程中忽略自重的影响，具体的计算公式为：

其中：σ为应力；Pmax为最大荷载；S为试件跨度；D为试件高度；B为试件宽度；ε为应变；f为试件挠度值。计算后获得的应力−应变(σ-ε)曲线如图6所示。可以看出，不同缺口高度下的σ-ε曲线形状跟P-f曲线相似，均经历了预压阶段、线性增长阶段、开裂拓展阶段和失效破坏阶段。进一步将σ-ε曲线中的峰值应力σmax，峰值应变εmax(取自峰值应力σmax对应的应变)和割线模量E0(取自0.2 MPa～0.5σmax之间的割线模量)进行提取和计算，并汇总于表1。可以看出，其峰值应力和E0均随相对缺口高度的增加而增加，其中峰值应力增加幅度为51%，E0增加幅度为440%，峰值应变随相对缺口高度的增加呈现降低趋势，降低幅度为74%。

表1 σ-ε曲线中特征值Table 1 Characteristic parametersofσ-εcurves

图6 σ-ε曲线Fig.6 σ-εcurves

2.3 双K断裂参数

参照文献[14]进行起裂韧度和失稳断裂韧度的计算，对于起裂韧度KiniIC，其计算公式为：

式中：a0为试件的初始缺口高度；Pini为起裂荷载，其中的函数项的计算公式为：

失稳断裂韧度KunIC通过将最大荷载Pmax和临界等效裂纹长度ac进行计算，即：

其中ac计算公式为：

式(6)中：CMODc为临界裂缝口张开位移；H0为夹持式引伸计的刀口厚度，本次试验H0=2 mm，计算弹性模量E通过P-CMOD曲线的线性段斜率k确定：

根据试验获得的P-CMOD曲线和P-ε曲线，分别求出各个试件的起裂荷载值、峰值荷载值以及峰值荷载对应的张开口位移值CMODc，并将相关值代入起裂韧度和失稳断裂韧度计算公式中，所得到的试件断裂参数计算结果如表2所示，其中带*标识的起裂荷载是根据试验测得的P-CMOD曲线线性段到非线性段的转折点确定的。由表2可以看出，含黏结界面混凝土的起裂荷载在峰值荷载的0.75～0.85之间。进一步将起裂韧度和失稳断裂韧度及其均值绘制于图7，可以看出，试件的起裂韧度和失稳断裂韧度均表现出随相对缺口高度的增加而有所增加的趋势，但是该增加趋势不大，由于0.5-1试件在制作缺口时电胶布的黏结出现松动，导致缺口局部处明显粘连，试验值明显偏大，将其他5个试件的试验值进行平均值计算，得到含黏结界面混凝土的起裂韧度平均值为0.330，标准偏差0.049；失稳断裂韧度平均值为0.496，标准偏差0.075，从计算结果来看，可以认为含黏结界面混凝土的断裂韧性参数是一个常数，相对缺口高度对其影响不大。

图7 断裂参数随相对缺口高度变化Fig.7 Change of fracture parameters in different notch to height ratio

表2 断裂参数计算结果Table 2 Calculations of fracture parameters

2.4 荷载作用下缺口尖端裂缝扩展过程

2.4.1 缺口张开速率的经时变化

将夹持在缺口处的COD规采集到的位移，每隔5 s计算一次位移速度，获得的缺口张开位移速率经时变化趋势如图8所示。可以看出，相对缺口高度越大，其裂缝张开位移速率越大，不同相对缺口高度下的裂缝口张开位移速率均经历了3个阶段：迅速上升阶段、平稳拓展阶段和急剧增加阶段。黏结界面在开始受力过程中，缺口张开位移速度有一个迅速增加的阶段，当速度增加到一定程度后，试件能保持在该速度进行相对比较稳定的裂缝拓展，并且，此时的相对缺口高度越小，在平稳拓展阶段保持一个恒定速度进行平稳裂缝拓展的能力就越强。随着荷载的继续增加，试件的缺口张开位移速率出现急剧的增加，带来试件的脆性破坏与失效。进一步观察急剧增加阶段出现的时间并与P-CMOD曲线进行对比，发现在起裂荷载位置处，缺口张开位移速度开始出现急剧增加。

图8 缺口张开速率的经时变化Fig.8 Rate of notch open and its changes with time

2.4.2 缺口尖端应变场随荷载的变化

选取加载过程中的4个荷载点：Pl(线性增长阶段荷载点，对应0.33Pmax)、Pini(起裂荷载点)、Pmax(极限荷载点)和Pf(失效破坏阶段荷载点，对应下降段的0.9Pmax)作为观察点，4个荷载点下对应的缺口尖端附近的散斑应变场(exx方向)变化特征如图9所示。可以看出，在线性增长阶段，不同相对缺口高度下的各个试件其横向应变表现都较为均匀，在黏结界面处没有发现明显的应力集中现象(见图9的a，a′以及a″)，说明SC和SCC之间良好的黏结状态是含黏结界面混凝土共同承载的关键因素，黏结状态良好才能保证2种材料共同工作并能均匀将外部荷载传递到2种材料中去。到达起裂荷载后，可以看见预制缺口尖端具有一定的应变集中，但是并不明显(见图9的b，b′以及b″)，这跟前文所述的含黏结界面混凝土起裂后，其裂纹的进一步拓展需要破坏下一个SC和SCC的黏结点有关，起裂荷载只是破坏了预制缺口的尖端局部，但是由于存在黏结点，尚不足以进一步向黏结界面内部延伸，从而并未改变整体的应变均匀分布现象。到达失稳荷载后，在黏结界面处可以看到缺口尖端的高度发生了非常明显增加(见图9的c，c′以及c″中圆圈中部分)，而且随着相对缺口高度的增加，缺口尖端处应变集中现象越发明显，说明此时的裂纹在缺口尖端处积累并急剧拓展。随着荷载的继续增加，黏结界面发生脆性断裂，瞬间形成一条贯穿裂纹(见图9的d，d′以及d″)，此时，黏结界面脱粘，试件沿着黏结界面一分为二破坏。进一步观察应变云图可以看到，缺口尖端的应变拓展路径是略带曲折，结合前文的破坏特点分析，在破坏过程中，黏结界面中存在的黏结点很好地起到了偏转裂纹方向、吸收外部荷载能量的作用。

图9 缺口尖端应变场随荷载的变化Fig.9 Change of the strain field around the notch tip in different load

为了更好地描述含黏结界面混凝土的断裂过程，在缺口尖端附件选取加载过程中Pl，Pini和Pmax3个荷载点下对应的缺口尖端附近的水平应变变化进行分析，以缺口尖端为中心点，左右各自选取1.5 cm位置处划为L0测线(如图10所示)，在该测线上按照距离平均的选取200个应变数据点，得到相应的缺口尖端水平方向应变分布如图11所示。可以看出：在线性增长阶段对应的Pl荷载点，缺口的尖端应变数值都较小，同时分布较为平稳，进一步说明良好的黏结状态可以有效传递应力；荷载继续增加到起裂荷载Pini时，应变整体增加，同时可见在居中位置的应变增加较为明显，说明裂纹起裂带来的缺口尖端局部应变在增加；达到Pmax荷载后，居中位置处的应变呈现明显增加，裂纹沿着缺口急剧拓展。

图10 L0测线示意图Fig.10 Schematic of L0 measure line

图11 L0测线的应变随荷载变化Fig.11 Change of strain of L0 measure line in different load

3 结论

1)含黏结界面混凝土在三点弯曲荷载作用下均是沿着黏结界面破坏，同时观察到裂纹向强度较低的SCC内部拓展，并导致SCC在SC表面剥离，黏结界面处黏结点将2种材料桥联闭合，对界面处的裂缝扩展能够起到阻滞作用，带来裂纹拓展方向偏转、外部荷载能量被吸收的效果。

2)含黏结界面混凝土在受弯荷载下呈现脆性断裂，同时，其荷载−挠度(P-f)曲线、应力−应变(σ-ε)曲线的演变和发展均经历了4个阶段：预压阶段、线性增长阶段、开裂拓展阶段和失效破坏阶段。

3)含黏结界面混凝土的起裂荷载Pini大约为峰值荷载Pmax的0.75～0.85倍，相对缺口高度对含黏结界面混凝土的起裂韧度值和失稳韧度值的影响不大，可认为双K断裂参数为一个常数。其中起裂韧度平均值为0.330，标准偏差0.049；失稳断裂韧度平均值为0.496，标准偏差0.075。

4)含黏结界面混凝土缺口张开速率随相对缺口高度的增加而增加，随着荷载的继续施加，缺口张开速率依次经历迅速上升阶段、平稳拓展阶段、急剧增加阶段，结合DIC技术，可以看到，含黏结界面混凝土达到起裂荷载后开始在缺口尖端进行裂纹的积累，达到峰值荷载后缺口尖端高度才会发生明显的增加。