同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度及拉伸强度_管俊峰.pdf

文章编号：1000-4750(2023)03-0065-13同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度及拉伸强度管俊峰，鲁猛，王昊，姚贤华，李列列，张敏(华北水利水电大学土木与交通学院，河南，郑州450045)摘要：考虑钢纤维高强混凝土试件细观非均质性对宏观断裂的影响机制，将钢纤维掺量、长度、直径及钢纤维抗拉强度等细观层面的钢纤维特征参数，引入钢纤维高强混凝土宏观断裂模型的虚拟裂缝扩展量的具体计算公式，从而发展了考虑钢纤维特性的可同时确定钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度的模型及方法。采用变化参数为钢纤维掺量和混凝土水灰比的三点弯曲试件，基于所提模型，同时确定了钢纤维高强混凝土的断裂韧度与拉伸强度，确定值与试验拉伸强度值以及尺寸效应模型计算的断裂韧度吻合良好。基于测试数据离散性为钢纤维高强混凝土固有属性的事实，采用确定的断裂韧度及拉伸强度，建立起钢纤维高强混凝土塑性准脆性线弹性不同结构断裂模式的20%全曲线，其可涵盖实验室条件下的所有试验数据。该文所提模型及方法适用于钢纤维高强混凝土及高强混凝土，可为钢纤维高强混凝土等复合材料真实断裂韧度与拉伸强度的确定，及个性化结构断裂破坏的预测等关键科技问题提供依据。关键词：钢纤维混凝土；虚拟裂缝扩展；钢纤维掺量；水灰比；断裂韧度；拉伸强度中图分类号：TU528；TU501文献标志码：Adoi:10.6052/j.issn.1000-4750.2021.09.0718SIMULTANEOUSLYDETERMININGFRACTURETOUGHNESSANDTENSILESTRENGTHOFSTEELFIBERHIGH-STRENGTHCONCRETEGUANJun-feng,LUMeng,WANGHao,YAOXian-hua,LILie-lie,ZHANGMin(SchoolofCivilEngineeringandCommunication,NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450045,China)Abstract:Considering the influence mechanism of steel fiber high-strength concrete specimens mesoheterogeneityonmacroscopicfracture,thecalculationformulaforfictitiouscrackgrowthofteelfiberhigh-strengthconcretemacroscopicfracturemodelisimprovedbyaccountingforsteelfibercharacteristicparametersatmesolevelofsteelfibercontent,length,diameterandsteelfibertensilestrength,whichprovidesthemodelandthemethodtoconsidersteelfibercharacteristicsforsimultaneouslydeterminingthefracturetoughnessandtensilestrengthofsteelfiberhigh-strengthconcrete.Basedontheproposedmodel,thefracturetoughnessandtensilestrength of steel fiber high-strength concrete are simultaneously determined by using three point bendingspecimenswithdifferentsteelfibercontentandwatercementratioofconcrete,whichareingoodagreementwiththetensilestrengthobtainedbyexperimentandthefracturetoughnessfromtheSEM.Basedonthefactthatthediscretenessofthetestdataistheinherentpropertyofsteelfiberhigh-strengthconcrete,the20%completecurvesofsteelfiberhigh-strengthconcretedescribingdifferentstructuralfracturemodesofplastic,quasi-brittle收稿日期：2021-09-15；修改日期：2021-12-15基金项目：国家自然科学基金面上项目(52179132，51779095)；河南省高校科技创新人才支持计划项目(20HASTIT013)；华北水利水电大学研究生教育创新计划基金项目(YK2020-11)通讯作者：管俊峰(1980)，男，河南许昌人，教授，博士，博导，主要从事混凝土断裂力学研究(E-mail:).作者简介：鲁猛(1995)，男，河南周口人，硕士生，主要从事混凝土断裂力学研究(E-mail:);王昊(1995)，男，河南郑州人，硕士生，主要从事混凝土断裂力学研究(E-mail:);姚贤华(1976)，男，河南襄城人，实验师，博士，主要从事混凝土材料性能方面研究(E-mail:);李列列(1983)，男，山西临汾人，讲师，博士，主要从事混凝土损伤与断裂力学研究(E-mail:);张敏(1981)，女，河南驻马店人，讲师，博士，主要从事混凝土材料与结构方面研究(E-mail:).第40卷第3期Vol.40No.3工程力学2023 年3月Mar.2023ENGINEERINGMECHANICS65andlinearelasticareestablishedbyusingthedeterminedmaterialparameters(fracturetoughnessandtensilestrength),whichcancoveralltestdataunderlaboratoryconditions.Themodelandthemethodproposedinthispaperareapplicabletosteelfiberhigh-strengthconcreteandhigh-strengthconcrete,andcanprovideabasisforthedeterminationofrealfracturetoughnessandtensilestrengthofcompositematerialssuchassteelfiberhigh-strength concrete,the prediction of fracture failure of individualized structures and other key scientific andtechnologicalissues.Keywords:steelfiberhigh-strengthconcrete;fictitiouscrackgrowth;steelfibercontent;watercementratio;fracturetoughness;tensilestrength钢纤维在混凝土构件和结构中起抑制微裂缝扩展和阻滞宏观裂缝发展的关键作用12。钢纤维混凝土自身的宏观断裂参数，为衡量其抵抗裂缝起裂失稳的关键性能指标，与强度一样，为其重要的材料参数。而目前，对于断裂参数的确定，水工混凝土断裂试验规程(DL/T53322005)3和美国材料与试验协会 ASTM 规范(E399-09)4，推荐测定钢纤维混凝土断裂韧度采用楔入劈拉法和三点弯曲法；而对于强度参数的测定，水工混凝土试验规程(SL3522006)5和澳大利亚国家标准(AS1012.102000)6，推荐测定钢纤维混凝土拉伸强度分别采用棱柱状试件和圆柱状试件。可见，现有测试方法，对于钢纤维混凝土断裂韧度与拉伸强度的确定，须采用不同试件型式及试验方法。大量试验研究表明711：实验室条件下小尺寸试件测试得到的钢纤维高强混凝土材料特性存在明显的尺寸效应。1)断裂韧度的尺寸效应。胡若邻等7对试件高度 W=200mm、初始裂缝长度 a0=60mm100mm、韧带高度 Wa0=100mm140mm、最大骨料粒径 dmax=25mm、钢纤维长度lf=30mm 的钢纤维高强混凝土试件进行断裂试验表明：直接由 P-CMOD 曲线确定的断裂韧性均随Wa0的变化而变化，具有明显的尺寸效应。徐平等89对 W=100mm300mm、a0=5mm150mm、Wa0=30mm200mm、dmax=20mm、lf=20mm 的钢纤维高强混凝土试件进行断裂试验表明：钢纤维混凝土的断裂参数随韧带高度 Wa0的增加呈线性递减，随试件高度 W 的增加呈线性递增，表现出明显的尺寸效应。2)强度的尺寸效应。苏捷等10对 W=70mm150mm、dmax=20mm、lf=25mm 的钢纤维高强混凝土试件，进行抗折强度试验，结果表明：抗折强度存在尺寸效应。江晨晖等11对试件高度 W=50mm100mm、直径=50mm100mm、lf=12mm 的钢纤维高强混凝土试件进行抗压强度试验表明：随着试块尺寸增大，立方体抗压强度逐渐减小；随着试块直径增大，圆柱体抗压强度亦逐渐减小。实验室条件下的钢纤维高强混凝土试件的韧带高度 Wa0与钢纤维长度 lf的比值约为(Wa0)/lf=110，试件高度 W 与骨料最大粒径 dmax的比值约为 W/dmax=520,从细观角度考虑，试件的相对尺寸(Wa0)/lf、W/dmax较小，试件的细观非均质性明显，钢纤维自身特性对钢纤维混凝土复合材料的宏观断裂的影响不能忽略。目前，对于确定钢纤维混凝土的断裂模型1215，仍停留在宏观层面而未能从细观角度阐释钢纤维和骨料及其耦合对钢纤维混凝土断裂特性的定量影响机制，钢纤维特征参数也未体现在模型设计表达式中。更为重要的是，现有断裂韧度和拉伸强度仍需基于不同试验系统而需分别确定，而采用一种试件型式即可同时确定钢纤维混凝土断裂韧度和拉伸强度的应用模型还未见详细报道。由此，本文考虑钢纤维高强混凝土类的复合材料的自身特性，将钢纤维掺量 Vf、钢纤维长度lf、钢纤维直径 df、钢纤维抗拉强度 ff等纤维特征参数，引入到宏观断裂模型中，具体地将峰值荷载对应的虚拟裂缝扩展量 afic与钢纤维的 Vf、lf、df、ff、混凝土特征骨料 di相联系，发展了由实验室条件下三点弯曲试件同时确定钢纤维高强混凝土无尺寸效应的断裂韧度 KIC与拉伸强度 ft、基于确定材料参数(KIC与 ft)预测其结构个性化破坏的模型及其应用方法。1钢纤维高强混凝土的细观断裂模型1.1钢纤维高强混凝土断裂的细观影响机制实验室条件下钢纤维高强混凝土相对尺寸(Wa0)/lf=110、W/dmax=520 较小而非均质性明66工程力学显。如图 1 所示，即使对相同尺寸试件(W 和 a0不变)，其细观层面上的钢纤维特性(Vf、lf、df、ff)、骨料颗粒(dmax、di)、试件边界(a0、Wa0)等互相影响，使得有限尺寸试件在宏观层面上表现出不同的结构特性。(a)dmax,1(b)dmax,2(c)Vf,1(d)Vf,2(e)lf,1(f)lf,2图1钢纤维特性、骨料颗粒、试件边界的相互影响Fig.1Interactionamongsteelfibercharacteristics,aggregateparticlesandspecimenboundary对于普通混凝土，考虑骨料级配、试件前后边界等对断裂破坏的重要影响，课题组提出了考虑骨料级配的离散颗粒断裂模型1617，基于小尺寸试件，即可同时确定普通混凝土的 KIC和 ft。而对于钢纤维高强混凝土复合材料，细观层面上，裂缝的扩展