基于楔入劈拉法的湿态混凝土双K断裂特性试验研究

楼建敏，张国辉，杨振东，孙俊崇，李 虎

(1.中信建设有限责任公司，北京 100027；2.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650050)

0 引 言

混凝土是一种具有初始微裂纹和孔隙的多相复合材料，作为一种典型的准脆性材料,其断裂和损伤机理极为复杂[1]。与抗压强度相比，混凝土抗拉强度较低，抗裂性能弱，在各种复杂因素共同作用下，容易引起原生裂缝扩展，进而导致混凝土结构损伤破坏。对于服役于水环境中的大坝、过河桥墩等混凝土结构，其内部常处于不同含水率状态[2]。现有研究[3-6]表明湿态混凝土力学性能较常态混凝土存在显著差异，例如，常态混凝土极限抗压强度随含水率的增加呈降低趋势，湿态混凝土动态拉压强度受加载速率与含水率的综合影响等。因此，常态混凝土的力学指标难以准确评价湿态混凝土力学特性。目前研究者较多关注含水率对混凝土强度、弹性模量等指标的影响。王海龙等[7]采用真空饱水法制备不同含水状态混凝土试件，并开展试验研究，结果表明，随着含水率的增大，混凝土抗压强度逐渐减小。韩阳等[8]通过对4种不同强度等级混凝土进行海水浸泡力学试验，发现混凝土轴心抗压强度随浸泡时间的增长呈波浪式降低，而弹性模量和泊松比逐渐升高。Huang等[9]研究了浸水龄期对大坝混凝土湿膨胀的影响，结果表明，随浸泡时间的增加，湿膨胀应变逐渐增大，直至趋于稳定。Lu等[10]采用3种不同的环氧树脂研究了在相对湿度为95%条件下碳纤维增强混凝土界面的黏结性能，发现在水分作用下，传递到碳纤维增强聚合物板的极限应变、界面断裂能和极限荷载均呈先升高后降低的趋势。研究者[11-14]从养护条件、不同缝高比、水压、冻融循环等方面开展了常态混凝土断裂特性研究。高小峰等[15]采用楔入劈拉法及双K断裂准则研究了湿态混凝土断裂性能的尺寸效应，发现当试件有效高度达到500 mm时，即可得到稳定的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和断裂能。Xu等[16]开展了混凝土裂纹扩展双K准则循环试验，研究指出双K断裂参数几乎与初始缺口类型无关。同时，部分研究者针对湿态混凝土断裂力学特性也开展了部分研究工作。刘恒杰等[17]通过比较不同发射信号来间接表征不同含水率状态下混凝土断裂力学性能变化规律，发现断裂过程中声发射参数值以及累计值随着含水率的增大呈减小趋势。张国辉等[18]开展了三点弯曲梁试验，发现混凝土断裂韧度随含水率的增加而降低，饱和状态下C15混凝土断裂韧度较干燥状态降幅最大，为57%。

综上，目前关于湿态混凝土物理力学特性的研究多集中于强度及变形性能研究，同时，部分研究者亦开展了湿态混凝土断裂力学性能研究。湿态混凝土的湿度研究范围多关注完全干燥和完全饱和状态，缺乏中间过渡的湿度状态，导致不同湿度条件下混凝土断裂性能变化规律尚不系统。此外，目前多采用三点弯曲梁试验研究混凝土断裂力学特性，而三点弯曲梁试件因其自重引起的影响无法较好消除，且存在尺寸较大，材料利用率低等缺点。楔入劈拉法能较好地抵消自重和竖向力，且操作简单[19]。因而，有必要基于楔入劈拉法系统开展不同含水率状态下混凝土断裂力学性能研究,系统研究含水率对混凝土断裂性能的影响和断裂特征参数变化规律，为水环境下的混凝土构筑物的灾变演化及安全度评估提供基础。

1 实 验

1.1 试验材料与设备

水泥选用P·C 42.5级复合硅酸盐水泥，水泥标准稠度用水量为26.2%，且安定性良好，初凝时间为4.3 h，终凝时间为5.4 h；细骨料采用机制砂，细度模数为3.1，表观密度为2 750 kg/m3，堆积密度为1 610 kg/m3，含泥量为0.2%(质量分数)；粗骨料采用碎石，最大骨料粒径为40 mm，含泥量为0.5%，表观密度为2 750 kg/m3，堆积密度为1 480 kg/m3；试验用水为自来水；混凝土坍落度为30～50 mm。根据《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2015)[20]计算其配合比，本文混凝土强度等级设置为C20、C30、C40，其配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比及主要参数

本试验采用江苏天源仪器公司生产的TY-8000系列万能伺服试验机，该试验机的最大试验力为300 kN，能够满足断裂试验所需要的刚度要求。试验操作有效宽度为445 mm，试验最大高度为950 mm。试验采用恒定位移加载方式，加载速率为0.15 mm/min，每块试件从开始加载直至破坏大约需要40～60 min，能够获得较为完整的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线，可实现连续且稳定的楔入劈拉断裂试验。试验数据采集系统包含荷载传感器、测量裂缝口张开位移的夹式引伸计、用于判定起裂荷载的应变片和采集所有数据的多通道数据采集箱。荷载传感器采用浙江宁波余姚赛尔斯传感器有限公司生产的CS-23型荷载传感器，灵敏度为1.8 mV/V，量程为0～30 kN，允许过负荷为130%F.S.(F.S.表示满量程输出)。夹式引伸计采用北京钢铁研究总院产的YYJ-4/10型夹式引伸计，其标距为10 mm，量程为0～4 mm，测量精度高于0.5%，灵敏度为1.74 mV/V。

1.2 试验设计与方法

依据《水工混凝土断裂试验规程(附条文说明)》(DL/T 5332—2005)[21]，楔入劈拉断裂试验试件尺寸为330 mm×300 mm×120 mm，预留凹槽尺寸为50 mm×30 mm×120 mm，初始缝高比为0.4。模具为本团队自行设计的钢模，能够提供较好的强度与刚度，浇筑完成的试件尺寸均在误差规定范围以内。

本试验控制因素为混凝土强度等级与含水率，并统一采用含水率作为混凝土湿度计量单位。按照预设试验因素，强度等级设置C20、C30、C40 3个强度等级，含水率设置为完全干燥、近似饱和以及3个中间过渡湿度状态。本试验设置15个试验组，每组5块试件，共计75块试件。A0、B0、C0为干燥状态下的标准对比组，A1～A4、B1～B4、C1～C4分别为C20、C30、C40混凝土不同含水率试验组，具体试验组设置详见表2。

表2 试验分组

将混凝土试件放入电热鼓风恒温干燥箱，干燥温度为105 ℃，干燥时间为120 h，待自然冷却后，称量干燥试件质量。含水率通过浸泡不同时间进行间接控制，浸泡时间分别为0 h、2 h、5 h、24 h、120 h，浸泡水位保持超出混凝土试件顶面2～3 cm，确保试件吸水后仍能被水完全淹没。预设浸泡时间后取出试件，并去除试件表面明水，测定浸泡后的试件质量。为防止试件在称量和取放过程中因碰撞导致质量损失，全过程需保持轻拿轻放。按式(1)计算混凝土含水率，每个试验组中楔入劈拉试件含水率为5块试件的平均值。测定浸泡不同时间后的混凝土试件的双K断裂参数，得到不同含水率条件下的混凝土双K断裂力学特性变化规律。

(1)

式中：ρT为浸泡时间为T的混凝土试件含水率，%；mT为浸泡时间为T的混凝土试件质量，kg；m0为干燥混凝土试件质量，kg。

2 结果与讨论

2.1 混凝土含水率变化规律

按式(1)计算混凝土试件的含水率，总计得到75块楔入劈拉混凝土试件的吸水质量数据。为保证试验数据的合理性，将超出平均值15%的含水率剔除，再求剩余试件含水率的平均值，作为最终平均含水率。不同强度等级混凝土试件浸泡不同时间后的含水率计算结果见表3。

表3 含水率与浸泡时间关系

混凝土浸泡吸水是缓慢且复杂的过程，短时间内无法达到绝对饱和状态。因此本研究中定义试件在浸泡过程中单位时间内质量增加小于2 g/h时的状态，为近似饱和状态。由表3可知，混凝土试件含水率均随浸泡时间的增加，总体表现出前期快速增大，后期增加缓慢直至保持恒定的趋势。0～5 h内，C40混凝土试件快速吸水，含水率迅速增大，浸泡5 h后含水率约为饱和状态的86.0%。5～24 h内试件含水率增长较为缓慢，浸泡24 h后含水率达饱和状态的98.0%。浸泡120 h后，各强度等级混凝土均已达到近似饱和状态。浸泡时间相同条件下，混凝土强度等级越高，其吸水速度越慢，含水率亦越低。例如，当浸泡时间为5 h，C20、C30、C40混凝土含水率分别为5.272%、4.850%、4.690%，C20混凝土含水率为C40的1.12倍。试件达到近似饱和状态时，混凝土试件强度等级越高，饱和含水率越低，所需吸水时间越长。例如，C40混凝土饱和含水率为C20混凝土的93.9%。强度等级影响混凝土含水率，是由于混凝土强度等级越高，混凝土整体更加密实，内部孔隙率相对更低。

2.2 湿态混凝土断裂力学特性

2.2.1 不同含水率下的双K断裂参数

依据《水工混凝土断裂试验规程(附条文说明)》(DL/T 5332—2005)[21]，起裂荷载是荷载-裂缝口张开位移曲线上的非线性转折点。在测量过程中，起裂荷载难以直接在曲线上确定，需借助其他方法间接测得。本文使用较为简便直观的电阻应变片法，即在距预制裂缝尖端10 mm处布置一对电阻应变片用于观测起裂荷载，得到荷载随缝尖应变的关系曲线。

起裂断裂韧度各参数计算公式[21]如(2)～(5)所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：PQ为竖向起裂荷载，kN；m为楔形加载架质量，kg；g为重力加速度，取9.81 m/s2；PHQ为水平起裂荷载，kN；KiniIC为起裂断裂韧度，MPa·m1/2；t为试件厚度，mm；W为试件有效高度，mm；a0为初始裂缝长度，mm；α0为初始缝高比，无量纲。

通过试验测得峰值荷载Pmax和临界裂缝口张开位移CMODc，再计算弹性模量E，最后计算失稳断裂韧度，具体计算公式[21]如式(6)～(12)所示。

式中：PVmax为竖向峰值荷载，kN；PHmax为水平峰值荷载，kN；KunIC为失稳断裂韧度，MPa·m1/2；ac为有效裂缝长度，mm；h0为安装夹式引伸计刀口不锈钢片厚度，mm；CMODc为临界裂缝口张开位移，mm；E为弹性模量，GPa；h为试件高度，mm；ci为试件初始CMODc/P值，μm/kN，由试件P-CMODc曲线上升段上任意一点的P、CMODc计算。

2.2.2 含水率对混凝土双K断裂韧度影响

不同强度等级混凝土在不同含水率下起裂断裂韧度和失稳断裂韧度试验值如图1(a)、(b)所示。由图1可知，不同强度等级的混凝土起裂断裂韧度和失稳断裂韧度受含水率作用影响显著，但变化规律具有一定的离散性。C20、C30、C40混凝土的起裂断裂韧度和失稳断裂韧度随含水率的增大呈近似线性降低。以浸泡时间为120 h的试验组(A4、B4、C4)为例，该组含水率分别为5.811%、5.662%、5.456%，与含水率为0%的干燥组(A0、B0、C0)相比，试验组(A4、B4、C4)的起裂断裂韧度仅为干燥组(A0、B0、C0)的70.4%、76.8%、66.6%，降幅为29.6%、23.2%、33.4%；试验组(A0、B0、C0)失稳断裂韧度为干燥组(A0、B0、C0)的77.3%、76.1%、66.2%，降幅为22.7%、23.9%、33.8%。

图1 不同含水率条件下混凝土起裂断裂韧度和失稳断裂韧度试验值

为深入研究含水率对混凝土双K断裂韧度的劣化程度。将不同含水率状态下混凝土起裂断裂韧度、失稳断裂韧度与干燥状态时的绝对差值定义为起裂韧度劣化值(ΔKiniIC)和失稳韧度劣化值(ΔKunIC)。不同强度等级混凝土在不同含水率状态下，其起裂韧度劣化值和失稳韧度劣化值如图2(a)、(b)所示。由图2可知，不同含水率状态下的C20、C30、C40混凝土起裂韧度劣化值和失稳韧度劣化值变化规律基本相似。随着含水率的增加，起裂韧度劣化值和失稳韧度劣化值均呈线性增大趋势。相同强度等级的混凝土，含水率越大，起裂韧度劣化值和失稳韧度劣化值越高。当含水率为2%时，C20、C30、C40混凝土起裂韧度劣化值分别为0.049 MPa·m1/2、0.039 MPa·m1/2、0.057 MPa·m1/2；当含水率为5%时，C20、C30、C40混凝土起裂韧度劣化值分别为0.130 MPa·m1/2、0.102 MPa·m1/2、0.162 MPa·m1/2，分别是含水率为2%时的2.65倍、2.62倍、2.84倍。当含水率为5%时，C20、C30、C40混凝土失稳韧度劣化值分别为0.249 MPa·m1/2、0.197 MPa·m1/2、0.313 MPa·m1/2，分别是含水率为2%时的2.59倍、2.56倍、2.35倍。当混凝土含水率相同时，C40混凝土起裂韧度劣化值和失稳韧度劣化值最大，C20混凝土次之，C30混凝土最小。

图2 不同含水率下混凝土起裂韧度劣化值和失稳韧度劣化值变化曲线

2.2.3 不同含水率下的断裂破坏变形特性

不同含水率条件下C20、C30、C40混凝土的典型水平荷载-裂缝口张开位移(PH-CMOD)曲线如图3(a)～(c)所示。由图3可知，不同含水率下C20、C30、C40混凝土典型PH-CMOD曲线的变化规律基本相同，临界裂缝口张开位移CMODc随含水率增加而逐渐降低。例如，C20干燥混凝土CMODc为饱和状态的1.56倍。不同含水率下混凝土的断裂破坏变形主要分为三个阶段。

图3 不同含水率不同强度等级混凝土典型PH-CMOD曲线

(1)线弹性未起裂阶段(K

(2)稳定扩展阶段(KiniIC

(3)失稳扩展阶段(K>KunIC)。到达峰值荷载后，预制裂缝开始迅速扩展，表现为PH-CMOD曲线斜率快速负增长，裂缝张口位移增加缓慢，当荷载卸载到峰值荷载的1/3时，斜率变化出现拐点，斜率逐渐减小直至接近零。当CMOD相同时，含水率越大，对应的水平荷载越低，失稳扩展阶段PH-CMOD曲线下降越平缓。例如，C40混凝土的CMOD为0.2 mm时，干燥混凝土对应的水平荷载为6.69 kN，而饱和状态混凝土对应的水平荷载为3.87 kN，较干燥状态下降了42.2%。

2.3 不同含水率混凝土断裂力学特性演化机理

混凝土的损伤破坏通常首先发生于骨料与砂浆之间的界面过渡区，过渡区水泥浆体中的水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)，水化产物的断裂变形特征直接影响了混凝土宏观断裂特性。基于文献[22]中不同湿度条件下的C-S-H分子结构图，揭示含水率对混凝土断裂特性影响的微观机理。干燥到饱和状态下的C-S-H分子结构如图4所示。C-S-H分子结构为两层硅氧四面体链“夹”一层钙氧层状结构[23]，完全干燥条件下结构整体较为致密，且夹层区域减小，如图4(a)所示。C-S-H分子中Ca、Si原子存在部分重叠，原子无序化较为显著。C-S-H分子结构在断裂破坏过程中易引起位错的移动，进而导致混凝土在干燥状态下具有较好的变形能力。混凝土达到部分饱和及完全饱和状态时，大部分水分子进入夹层区域，少量水分子分散于硅氧四面体链和钙氧层状体区域，如图4(b)、(c)所示。由于水分子中的氧原子OW替换了部分CaW—OS、CaS—OS中的OS形成CaW—OW、CaS—OW键，C-S-H分子结构的夹层区域越为显著，C-S-H分子结构整体密实度减弱，原子间空隙增大，难以引起位错移动，化学键断裂时变形量减少，因而湿态混凝土断裂变形能力有所降低[18]。由于CaW—OW、CaS—OW分别较CaW—OS、CaS—OS键长增大，因而水分子进入C-S-H分子体系后，部分化学键长增大，键能降低，从而导致饱和混凝土断裂韧度有所降低。

图4 不同含水率条件下的C-S-H分子结构图[22]

3 结 论

(1)低强度等级混凝土对含水率更具敏感性，短期内吸水迅速，吸水率增长较快，浸泡时间为120 h后，各强度等级混凝土均可达到近似饱和状态，C20、C30、C40混凝土近似饱和含水率分别为5.811%、5.662%、5.456%。

(2)随含水率的增长，混凝土的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度均有所降低，C20、C30、C40混凝土饱和状态时的起裂断裂韧度较干燥状态分别降低了29.6%、23.2%、33.4%，失稳断裂韧度较干燥状态分别降低了22.7%、23.9%、33.8%。相同含水率条件下的混凝土起裂断裂韧度与失稳断裂韧度降幅基本相似。

(3)湿态混凝土PH-CMOD关系曲线可分为线弹性阶段、稳定扩展阶段、失稳扩展阶段。随含水率的增大，线弹性阶段斜率及稳定扩展阶段斜率均逐渐降低，失稳扩展阶段曲线下降更为平缓。临界裂缝口张开位移随含水率增大而逐渐降低，混凝土变形能力降低，韧性逐渐减弱。