不同类型混凝土断裂特性研究.pdf
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1、2 0 1 2 年 第 3期 (总 第 2 6 9 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 9 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 8 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 1 4 不同类型混凝土断裂特性研究 范向前 ,胡少伟 2 。陆俊 2 ( 1 河海大学 力学与材料学院,江苏 南京 2 1 0 0 2 4 ;2 南京水利科学研究院,江苏 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要: 通过对国内
2、外现有 7 种断裂模型的分析总结, 结合我国实际国情, 引出了由我国学者徐世娘教授提出的双 K断裂模型, 参照我 国 水工混凝土断裂试验规程 给出的两种常见断裂测试试验方法( 楔人劈拉法和三点弯曲梁法) 中起裂断裂韧度和失稳断裂韧度的计算 过程, 总结前人的研究成果, 详细介绍了普通混凝土、 钢筋混凝土、 碾压混凝土、 纤维混凝土 4 种常见混凝土的断裂性能。 关键词: 不同类型混凝土;断裂模型;断裂试验方法;断裂特性 中图分类号 : T U5 2 8 O l 文献标志码 : A 文章编 号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 4 6 0 6 S t u
3、d y on t he f r a c t ur e p r ope r t i e s o f d i f f e r en t t ype c onc r e t e s F AN Xi a n g - q i a n , HU S h a o we i , LUJ u n ( 1 C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e , Ho h a i Un i v e r s i t y , Na n j i n g2 1 0 0 2 4 , C h i n a ; 2 Na n j i n g Hy d r a u l i c Re s
4、e a r c hI n s t i t u t e , Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 , C h i n a ) Ab ct憎 ct:T h r o u g h r e s e a r c h r e vi e w of s e v e n k i nd s o f f r a c t u r e mo d e l s wh i c h are e x i s t i n g b o t h a t h o me a n d a b r o a d c o mb ine d wi t h rea l i s t i c s i tua t i o n i n Ch i n
5、 a, Do u b l e K f r a c t u r e mo d e l i s r a i s e d wh i c h wa s a d v a n c e d b y Ch i n e s e s c h o l ar P r o f XU S hi- l ang De p e n d i n g o n t h e c a l c u l a t i o n me t h o d s o f f r a c t u r e e x p e ri me n t s( we d g e s p l it t i n g me tho d and t h r e e - p o i
6、 n t b e n d i n g b e a m me t h o d ) w h i c h a r e i n t r o d u c e d i n No r m f o r F r a c t u r e T e s t o f Hy d r a u l i c Co n c r e t e i n Chi n a , f o r i n i t i a t i o n t o u g h n e s s an d u n s t a b l e t o u g h n e s s Re v i e w the f o rm e r r e s e arc h, the c o n
7、c r e t e fr a c t u r e p r o p e r t i e s o f n o rm a l c o n c r e t e , r e i n f o r c e d c o nc r e t e, r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e , fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t eared e s c ri be di nd e t a i l Ke y WOr ds : d i ffe r e n t t y pe c o nc r e t e s ; fra c t
8、 u r e mo d e l ; t e s t me tho d s o f f r a c t u r e; f r a c t ur e c h ara c t e r i s t i c s 0 引言 1 9 6 1 年 K a p l a n首先将线弹性断裂力学理论用于混凝土构 件, 从此开始了广泛的混凝土断裂试验研究工作【 ” 。 混凝土在承 受荷载前, 内部就存在有微孔穴和微裂纹。 在受载后 , 新裂缝的 出现可能在原有裂纹基础上发展, 也可能以骨料破坏形式出现, 也可能是在骨料间与水泥浆基体的黏结部位 , 或是上述三种情 况同时出现。 因此对混凝土裂缝产生的原因、 裂缝的特性
9、 、 裂缝 的发展过程、 裂缝危害性的评估以及防止裂缝的对策进行研究 是相当必要和紧迫的, 并且得到学术界的极大关注。 对于混凝土裂缝特性的研究, 始于 1 9 7 6 年 Hi l l e r b o r g及其 同事提出的虚拟裂纹模型( F i c t i t i o u s C r a c k Mo d e l , F c M) 翻 , 这也 是混凝土断裂力学成熟的起点, 之后为众多学者所不断完善。 由于混凝土 自身存在的所不可避免的微裂纹, 使得混凝土裂缝 前缘部分传递应力的能力被削弱, 这一现象称为混凝土材料的 软化。 材料软化后其传递应力的能力与微裂区的“ 宏观” 变形之 间存在着
10、一种反比关系, 即微裂区发展越充分其所传递的应力 越小 , 当微裂区扩展宽度达到材料的极限宽度 。 时, 所传递的 应力为零, 并同时出现宏观裂缝。 根据混凝土裂缝扩展的上述特 点, 虚拟裂缝模型认为可以将微裂区简化成一条“ 虚裂缝” 。 该 虚裂缝的张开宽度( ) 代表微裂区变形量的大小; 虚裂缝面上某 一 点所传递的软化应力 ( ) 与该点虚裂缝面的张开宽度 w ( x ) 之间的关系称为软化曲线。 对混凝土断裂性能的研究主要集中在断裂试验采取的试 验方法 、 断裂参数的尺寸效应问题、 断裂韧度和断裂能的测试 及计算 、 断裂特征分析等方面, 其 中断裂能和断裂参数是衡量 混凝土断裂性能的
11、重要指标 , 因此 , 混凝土的断裂参数研究受 到普遍关注。 断裂能和断裂参数的大小标志着材料裂纹扩展的 难易程度, 对分析混凝土结构的性能有重要指导意义。 国内外对 混凝土、 钢筋混凝土、 碾压混凝土以及纤维混凝土的断裂能和 断裂参数的研究已取得了一些成果3 - 6 , 并借助断裂力学, 建立 了混凝土断裂损伤模型。 1 断裂模 型 混凝土断裂研究大致可分为两类同: 一类是建立在 Gr i ffit h 理论基础上的线弹性断裂力学( L E F M) 参数所表示的混凝土断 裂特性; 另一类则着重研究裂纹形态和断裂表面, 以了解材料 不均匀性对裂纹的影响。 从本质上来讲, 混凝土材料从起裂到断
12、 裂始终都不是线弹性的, 也不是真正意义上的均质各向同性。 因 此线弹性混凝土断裂力学的发展遇到了不少困难。 为此, 人们提 出了许多混凝土断裂破坏的非线性分析方法和模型。 1 1 虚拟裂缝模型 H i l l e r b o r g提出的虚拟裂缝模型( F C M) 从概念上基本摆脱 了金属断裂力学的影响, 开创了混凝土非线性断裂研究的新思 路瞄 。 H i l l e r b o r g 认为裂缝的扩展以裂缝前形成的微裂区为先导, 将微裂区视为一条虚拟裂缝, 随着外荷载的增加, 此区域内材 收稿 日期 :2 0 1 1 _ o 9 一 l 6 基金项目:国家自然科学基金( 5 0 8 7
13、9 0 4 8 ) ; 十一五国家科技支撑计划课题( 2 0 0 9 B A K 5 6 B 0 4 ) ; 水利部前期项目 46 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 料的刚度降低 , 使裂缝前端部分传递应力的能力降低, 但由于 骨料和基体的桥联作用, 在虚拟裂缝面上作用着能使裂缝有闭 合趋势的黏聚力, 使裂缝前仍有传递应力的能力。 黏聚力与虚拟 裂缝宽度存在一定的反比关系, 即黏聚力随虚拟裂缝宽度的增 加而降低。 当虚拟裂缝的宽度达到某一极限值时, 黏聚力变为零, 此时宏观裂缝出现。 虚拟裂缝上传递应力和虚拟裂缝宽度( 张开 位移) 之间的关系为材料的软化本构关系
14、, 它反映材料上一点的 应力状态, 不论采用何种测试方法, 其值均应相同。 然而 F c M模 型不能直接求出裂缝扩展的亚临界扩展长度的解析解, 需要与 有限元相结合; 尽管该模型广泛用于非线性断裂力学有限元分 析中, 但因其计算复杂, 难以应用到实际的工程问题分析中去。 1 2 钝裂缝带模型 在 Hi l l e r b o r g 研究的基础上 , B a z n a t 于 1 9 8 3年提出了钝裂 缝带模型( C B M) 【8 。 钝裂缝带模型将裂缝的断裂过程看作一密 集平行的微裂缝组成的裂缝带, 这些裂缝带具有一定的宽度。 对 混凝土材料, 裂缝带的宽度取为最大骨料粒径的3倍。
15、由于裂缝 带有一定的宽度 , 因此缝端也有一定的宽度 , 即缝端并非尖状 的而是钝状的。 由于该模型将裂缝带看作是正交各向异性介 质, 因此可以很方便地确定裂缝带及结构的应力和变形; 该模 型能 自动形成新的裂缝, 而不必改变网格图 , 还能表示任何方 向的裂缝, 在使用方面比虚拟裂缝模型要方便。 2 O世纪 8 0年代以来, 以F C M和 C B M为基础的混凝土非 线性断裂力学取得了迅速的发展, 许多反映裂缝扩展以及断裂 过程区( F r a c t u r e P r o c e s s Z o n e ; F P Z) 的模型也相继建立起来, 主 要有双参数模型( T P F M)
16、、 等效裂缝模型( E C M) 、 尺寸效应模型 ( S E M) 。 1 3 双参数断裂模型 J e n q 和 S h a l l 的进行线弹性断裂模型的修正 , 提出了双参数 断裂模型9 - , 该模型以线弹性断裂力学为基础, 并引入一些符 合混凝土非线性特性的假设。 J e n q和 s h a h提出了两个断裂控 制参数即临界失稳韧度 和临界裂缝尖端张开 口位移 C T O D , 并使用它们建立了断裂准则。 双参数模型采用 O 9 5 处的卸 载韧度计算临界等效裂缝长度 吼, 弥补了不可恢复变形对计算 裂缝长度 。的影响; 在断裂参数测试方法上 , 双参数断裂模型 需要复杂的加卸
17、载过程 , 并需要统计回归, 且其经验公式在应 用上多受限制; 闭合力的大小与应变软化曲线无关, 不能探讨 应变软化曲线与材料性能的影响关系; 该模型以线弹性断裂力 学中的应力强度因子的解析表达为目的, 没有考虑分布在断裂 过程区内的黏聚力作用。 1 9 9 0年 R I L E M建议了双参数断裂模型中采用的两个断裂 控制参数的测定方法 1 】 1 。 在此之后, R I L E M委员会组织进行了 大量系统的试验, 结果发现控制参数 可视为材料的参数, 与几 何尺寸无关 , 但另一控制参数 C T O D 。 计算的结果偏差甚大 , 关于 它是否可认为使材料参数没有给以结论。 1 4 等效
18、裂缝模 型 最经典的两个等效裂缝模型是 K a r i l i a l o o和 N a l l l a t h a mb i 的等效裂缝模型 12 - 1 3 】与 S w a r t z和 R e Ni 的等效裂缝模型 1 4 - 1 S 。 K a r i l i a l o o和 N a l l l a t h a mb i 的等效裂缝模型研究的对象是 三点弯曲梁, 使用的是荷载一 加载点位移, 而不是荷载一 裂缝 口 张开位移 , 并采用在最大荷载时对应的割线柔度, 这就意味着 等效裂缝模型考虑了塑性变形对临界等效裂缝长度的贡献 , 所 得到的临界等效裂缝长度大于双参数模型中弹性等效
19、的临界 等效裂缝长度。 使用由此确定的临界弹性等效裂缝长度可以得 到模型中提出的等效断裂失稳韧度。 而 S w a r tz和 R e f a i 的等效裂缝模型主要依赖于试验的观 察。 该模型指出, 就三点弯曲梁而言, 当梁高大于 2 0 3 ton i 且缝 高比小于 0 6 5断裂过程区就能充分发展且形状保持不变。 当试 件破坏时, 断裂过程区的长度实质上就是一条应力 自由的宏观 弹性裂缝。 因此 , 当试件破坏时, 断裂过程区的长度实质上就是一应 力自由的宏观弹性裂缝。 根据这一假设他们通过染色法试验测 定了缝高比从 0 2到 0 8不同试件破坏时的平均裂缝长度 , 得 到了破坏时裂缝
20、长度与最大荷载的变化曲线, 称其为标定曲线。 1 5 尺 寸效 应模 型 B a z a n t 根据弹性等效方法提出了尺寸效应模型【 l 嗣 。 该模型 通过测试一系列几何形状相似但尺寸不同的混凝土切 口试件 的最大荷载 , 由线性回归计算平均断裂能 。 该模型所测得 的平均断裂能 与一般试验方法测得的断裂能不同, 它不随试 件的尺寸变化, R I L E M也就此方法做了推荐, 详细介绍了试验要 求和计算步骤; 由于该模型测试断裂参数时需要复杂的试验 设备和技术 , 并需要统计回归, 且其经验公式在应用上多受限, 因此也表现出了其不足之处。 1 6 双 K断裂模型 多数断裂模型都以应力强度
21、因子的临界值即断裂韧度 K 对混凝土的临界失稳状态进行判定。 混凝土断裂韧度 K tc 是混 凝土断裂力学中一个重要的断裂参数指标, 表征材料抵抗裂缝 扩展的能力。 单一的断裂韧度 K l c 可以满足一般结构的设计和 使用要求。 但对于一些特殊的结构而言, 如混凝土压力管道和混 凝土大坝, 预测裂缝起裂和失稳状态同样重要 。 为此, 徐世娘教 授提出了双 K断裂模型口 7 1 。 该模型中, 对 I 型裂缝用起裂韧度 和失稳韧度砼分别表示裂缝起裂和失稳的临界状态 , 并创立 了双 K断裂判据。 该模型可描述为: K K 裂缝稳定; = 裂缝 开始起裂 ; K 裂缝处于稳定扩展阶段; K -
22、K Sc 裂缝开始临 界失稳状态; 裂缝处于失稳扩展阶段。 双 K断裂理论综合了虚拟裂缝方法和等效弹性方法, 避免 了虚拟裂缝模型和裂缝带模型的数值运算, 也避免了尺寸效应 模型和等效裂缝模型的回归分析, 同时也考虑了双参数模型忽 略的塑性变形的影响; 该模型物理意义明确, 理论基础较为完 备, 使用的试验技术方法简易可行; 但是双 K断裂韧度值不能 通过计算直接得出。 1 7新 阻力 曲线 在双K断裂准则的基础之上, 徐世娘和R e i n h a r d t 以应力强 度因子为工具提出了基于虚拟裂缝扩展黏聚力( 简称为黏聚力) 的新 阻力曲线能够合理描述准脆性材料断裂全过程的裂缝 扩展规律
23、 。 K 阻力曲线即裂缝扩展阻力曲线, 认为在裂缝扩 展过程中, 裂缝扩展阻力是表示材料本身对外界荷载的抵抗力。 这部分抵抗力很大程度上是由黏聚力产生的。 裂缝扩展阻力由 两部分组成: 一是材料本身抵抗开裂的韧度, 即起裂韧度; 另一 部分就是在主裂缝扩展过程中, 分布在断裂过程区上的黏聚力 所产生的扩展阻力。 该方法有较完备的理论基础, 其包括的断裂 参数可以用简单的断裂试验加以确定, 与其他阻力曲线相比更 具有实用性。 另外该方法不仅考虑了外荷载影响, 而且还充分考 虑到分布在断裂过程区上黏聚力的影响, 新 阻力曲线体现了 混凝土材料的软化特性, 而且能较好地反映混凝土结构裂缝起 47 学
24、兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 裂、 稳定扩展和失稳断裂的全过程。 通过试件尺寸及所选用的混 凝土软化曲线形状对新 阻力曲线的影响研究, 表明新 阻 力曲线基本上无尺寸效应, 混凝土软化曲线形状对新 阻力曲 线有一定的影响, 但所获得的结果有一定程度的离散性。 文献 2 0 2 1 从能量的角度出发, 结合线弹性断裂力学和虚 拟裂缝上的黏聚力分布, 以能量释放率 G作为断裂性能判定参 数, 建立了混凝土结构裂缝扩展的双 G准则。 与双 K断裂参数 相对应 , 双 G准则引入了两个重要的裂缝扩展判定参量 : 起裂 断裂韧度c 芝 和失稳断裂韧度G 。 2 断裂试验方
25、法 混凝土的断裂韧度和断裂能一向是测试的重点。 测试断裂 韧度和断裂能的常用方法有: 三点弯曲梁法、 紧凑拉伸法 、 直接 拉伸法、 楔人劈拉法等。 紧凑拉伸法和直接拉伸法最初是用于测试金属等材料断裂 参数, 随着其不断发展 , 之后也被用于混凝土的断裂研究, 由于其 要进行辅助加载设置, 且试验过程中的对中问题也难以解决, 目前 较少采用该方法来研究混凝土的断裂特征。 也正因为其存在上述 的缺点, 因此不宜作为测定混凝土断裂参数的标准试验方法。 1 9 7 7 年 , Hi l l e me i e r 教授在紧凑拉伸法的基础上, 提出了一 种新的断裂力学试验方法楔入劈拉法 , 其原理只是将
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