骨料粒径对混凝土Ⅰ型断裂裂缝扩展影响研究.pdf

第 卷 第 期 年 月应用力学学报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划资助项目(.)国家自然科学基金资助项目(.)国家重点实验室开放基金资助项目(.)通信作者:陈徐东教授.:.引用格式:陈徐东吴朝国黄业博等.骨料粒径对混凝土型断裂裂缝扩展影响研究.应用力学学报():.():.文章编号:()骨料粒径对混凝土型断裂裂缝扩展影响研究陈徐东吴朝国黄业博张伟李升涛(.河海大学土木与交通学院 南京.扬州水利局 扬州)摘 要:为研究不同骨料粒径混凝土型断裂裂缝扩展特性开展了骨料粒径为、的混凝土三点弯曲梁断裂试验结合数字图像相关技术()测得试件表面计算区域全场位移变化数据对不同骨料粒径混凝土断裂能、断裂韧度、断裂过程区()变化和发展进行研究探讨了 扩展过程与峰后荷载之间的关系 结果表明:随着骨料粒径增大试件峰值荷载和断裂参数均呈现先增大后减小的趋势 试件 长度的变化与峰后荷载的变化有很强的关联性其骨料对微裂缝扩展的约束效果最好此外通过分析不同骨料粒径混凝土试件 的发展规律可知骨料粒径为 的混凝土试件其峰后局部变形能力得到了改善断裂能及断裂韧度得到了提高在断裂过程中具有比其他骨料粒径混凝土更高的承载力和更小的 因此合适的骨料粒径为 关键词:断裂骨料粒径数字图像相关断裂过程区中图分类号:文献标志码:./.(.):.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .:混凝土是一种典型的非均质材料由骨料、砂浆、界面过渡区和孔洞组成具有非常独特的物理和力学特性在工程上应用非常广泛混凝土中骨料的体积往往能达到总体积的 因此骨料的粒径、体积分数、类型等性质对混凝土性能有着重要影响对于普通混凝土唐海玥等发现骨料粒径较大会导致混凝土抗压、抗折强度不足等认为随着粗骨料粒径增加混凝土抗拉强度逐渐减小王江波等认为不同骨料粒径混凝土抗压强度总是小于其对应砂浆试件且随着粗骨料粒径增大呈现出先增大后减小的趋势李树山等通过采用 组不同比表面积粗骨料进行试验发现粗骨料粒径越大混凝土抗压强度越小粗骨料粒径对混凝土抗压强度的影响程度还与水灰比有关水灰比越小粗骨料粒径效应越显著杜敏等发现随着粗骨料粒径增大混凝土试件弯拉强度逐渐减小骨料粒径除了影响混凝土力学性能对断裂性能的影响也不容忽略 张廷毅等利用骨料粒径分别为、的混凝土试件和基体砂浆试件进行三点弯曲断裂试验发现混凝土断裂韧度随骨料粒径增大而增大陈京钰利用骨料粒径为、的混凝土试件进行三点弯曲断裂试验结果表明断裂韧度和断裂能随着骨料粒径增大先增大后减小 综上可知目前的研究大都围绕力学性能、断裂参数等因素展开对不同骨料粒径对普通混凝土型断裂裂缝扩展影响研究较少数字图像相关技术()是一种从材料表面散斑图像中获取应变信息的光学测量技术 作为研究混凝土断裂过程的一种有效技术手段该方法已在混凝土断裂试验中得到广泛应用 技术具有较高的准确性通过 技术能有效确定断裂过程区()发展 现有研究结果表明骨料粒径决定断裂过程区的扩展宽度断裂过程区的性质会受到断裂能和断裂韧度这两个断裂参数的影响 目前关于不同骨料粒径对普通混凝土型断裂裂缝扩展长度的影响研究相对较少 因此通过开展三点弯曲断裂试验结合 技术实时观测混凝土试件在加载过程中的位移变化对不同骨料粒径混凝土 扩展规律进行研究对不同骨料粒径混凝土的型断裂裂缝扩展研究具有参考价值 试验方案.原材料及配合比试验所用胶凝材料为 .级普通硅酸盐水泥和级粉煤灰粗骨料为连续级配石灰石质碎石颗粒级配粒径分别为 、细骨料为天然河砂细度模数为 外加剂为聚羧酸高效减水剂 混凝土配合比为:水泥 粉煤灰 碎石 砂 水 减水剂 .试验采用骨料粒径为、的 种混凝土试件分别编号为、断裂试验试件尺寸为 如图 所示试件跨中有一宽度为 的初始裂缝初始裂缝长度 另外采用标准立方体试件测定抗压强度标养 之后测得 种骨料粒径混凝土平均抗压强度分别为、图 断裂试验试件尺寸.试验方法 是一种无损光学监测技术通过对试件表面灰度数字图像进行采集 对比其在不同时间的图像变化进行分析计算达到监测试件表面变形与位第 期陈徐东等:骨料粒径对混凝土型断裂裂缝扩展影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报移的目的可将被摄面的变形可视化进而得到试件表面整个计算区域的应变、位移数据 根据混凝土物理力学性能试验方法标准(/)的要求使用 试验机测试抗压强度和劈裂抗拉强度 通过开展不同骨料粒径三点弯曲梁的单调加载断裂试验获得断裂参数试验由初始裂缝口张开位移()控制加载以固定的 增长速率(./)单调加载至破坏试验装置如图 所示 每组试验采用 个试件并对所得试验数据取算数平均值作为最终的试验结果图 三点弯曲断裂试验装置.试验结果与分析.荷载位移曲线分析不同骨料粒径混凝土试件载荷裂缝口张开位移()曲线如图 所示可以看出随着骨料粒径增大峰值荷载 先增大后减小 试件抗弯承载力最小 试件抗弯承载力最大 试件接近 试件其次是 试件图 不同骨料粒径试件 曲线图.当荷载达到峰值之后 试件峰后荷载下降较其他试件更快这可以从图中放大区域看出但后期下降幅度减弱和 试件一样平缓而 试件的曲线尾部相对更陡一些这种现象和其它混凝土试件相比更为明显 试件峰后荷载下降较缓慢.断裂参数计算断裂韧度 是描述混凝土抵抗宏观裂缝扩展能力的一个断裂参数 采用水工混凝土断裂试验规程(/)中的计算方法即()()().()()().()().()(.)()()/().()式中:是峰值荷载 是试件支座间的质量用试件总质量按/比折算 是重力加速度 是试件两支座间跨度 是混凝土试件梁长度是临界有效裂缝长度是夹式引伸计刀口薄钢板厚度是试件厚度 是试件高度 是计算弹性模量是裂缝口张开位移临界值是初始裂缝长度是由试件 曲线段上 为 的直线段上任一点的、计算的斜率断裂能 是用来衡量混凝土抵抗裂缝扩展能力的一个断裂参数 采用 的计算方法对 .时平均断裂能 进行求解即.()式中:是 曲线 值在 .之间曲线所包围面积是混凝土试件梁质量是混凝土试件梁上方加载支座质量是混凝土试件梁断裂带面积即初始裂缝上部有效截面面积 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 与断裂韧度()和断裂能()密切相关断裂参数计算结果如表 所示 可以看出随着骨料粒径增大断裂韧度和断裂能先增大后减小 当骨料粒径为 时断裂韧度、断裂能最大断裂韧度为./断裂能为./相较于 试件分别增加了和 试件断裂韧度为./断裂能为./相较于 试件分别减小了 和 随着骨料粒径增大断裂韧度和断裂能先增大后减小表 不同骨料粒径混凝土试件断裂参数.试件编号/()/(/)平均值/(/)/()平均值/().骨料在混凝土中承担着传递应力的角色对于普通混凝土同时存在骨料增强作用与骨料表面微裂缝对于强度的不利作用且均随骨料粒径的增大而增大 当两者作用效果相等时此时的骨料粒径为一个临界值当骨料粒径在临界值以下时断裂参数与骨料粒径之间表现为正相关当骨料粒径超过临界值之后为负相关 当骨料粒径为 时骨料比表面积最大骨料单位面积获得的水泥浆较少没有足够的能力抵抗微裂缝的扩展 相比于骨料粒径为 时 时骨料比表面积减少骨料对微裂缝扩展的约束增强当骨料粒径为、时分布在骨料表面的大量微裂缝在荷载的作用下更容易沿着骨料砂浆界面扩展最终发展成宏观裂缝 因此骨料粒径为 时断裂韧度、断裂能最大抵抗断裂的能力最强.长度的确定 是有初始裂缝的混凝土试件在承受外荷载时存在于初始裂缝尖端的一个应力集中区 虽然在这个应力集中区出现了大量微裂缝但骨料和砂浆之间还存在相互作用使得 仍然能够传递部分应力 通过 软件可以得到计算区域内每个计算点在不同荷载时刻的位移值根据位移场数据并从中提取对应边界点的位移主要包括试件刚体位移和生成裂缝形成的位移若某个位置的两个边界点水平位移值相减结果趋近于零将该位置作为 终点 最初的 起点为初始裂缝尖端随着荷载不断增加混凝土试件 长度逐渐增大初始 裂 缝 尖 端 张 开 位 移()也随之增加 当 超过临界值 时混凝土初始裂缝尖端处的微裂缝会发展形成宏观裂缝并逐渐扩展 起点将会向上移动确定好终点和起点便可确定 长度对 进行求解求解公式为.()式中:为断裂能(/)为抗拉强度(/)如图 所示图中为 拍摄区域虚线框以内为计算区域 在计算区域内沿 和 方向每隔 个像素点选取一个计算点如计算区域内、等均平行于 线通过 软件可以得到计算区域内各个计算点在不同荷载时刻的位移值 图第 期陈徐东等:骨料粒径对混凝土型断裂裂缝扩展影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 为 线上所有计算点位移值分布图 当荷载达到 时 线上计算点位移值分布基本上是一条水平直线各个计算点位移值波动较小试件变形较小还处于弹性阶段当荷载达到 时 线上计算点位移值波动明显增大主要分布在 到 之间同时可以观察到 点附近两个计算点 和 之间的位移值出现了跳跃现象此时初始裂缝尖端已经有微裂缝产生 已经形成计算点 和 之间的位移差值即 线上 内微裂缝张开位移当荷载下降至 时位移差值进一步增大当荷载下降至 时微裂缝张开位移已经增大至 ()、()、()、()在相同荷载作用下 试件微裂缝张开位移值相对较小这是由于 试件通过本身变形吸收了一部分能量能很好地约束微裂缝发展断裂能较大而 试件骨料粒径较小对微裂缝约束效果有限断裂能也较小 试件骨料虽然能约束裂缝发展但是骨料砂浆界面上较多的微裂缝会加快裂缝的发展因此其断裂能较 试件有所下降 试件骨料粒径太大骨料砂浆界面上微裂缝较多导致其微裂缝张开位移值最大这与前一节断裂能、断裂韧度的计算结果相对应表 不同骨料粒径混凝土试件的.试件编号/()/()/.图 试件计算区域 线.图 线上计算点在不同荷载时刻的位移值分布图.应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.扩展规律通过 软件分析计算得出裂缝张开宽度沿试件高度的分布规律如图 所示 发展到一定程度之后曲线斜率显著减小如图 中、荷载时刻 这和 曲线峰后软化两阶段相对应即微裂缝发展阶段(急速下降阶段)和骨料与砂浆材料之间相互作用阶段(平缓下降阶段)以 试件为例分析如图()当 时宏观裂缝长度从 .宏观裂缝长度在 阶段增长较缓慢阶段是主要增长阶段如图()在 时扩展最充分并达到最大扩展长度.当荷载下降至 时为.大于(.)起点向上移动 和 时相比 终点在 时只向上扩展了.起点却向上缩短了.总长度减小到.当荷载下降至 时此时为.和 时相比 终点向上扩展了.起点向上缩短了.总长度减小到.当荷载下降至 时此时为.和 时相比 终点向上扩展了.起点向上缩短了.总长度减小到.由此可见当 扩展到最大长度时由于试件剩余有效区域对裂缝的约束作用使得 终点向上扩展的长度远小于其起点向上缩短的长度 故 长度会先上升后下降其它试件具有相似规律图 不同骨料粒径混凝土典型荷载时刻 长度测定.为研究 长度在整个扩展过程中的变化规律绘制出 长度随有效裂缝长度变化趋势图如图 所示 当荷载为 时 试件 长度最小荷载增加至 时 试件骨料对微裂缝的约束减弱 长度增大荷载增加至 时 试件增幅最小荷载从 下降至、()时 长度快速增长直到 达到临界值、试件 长度分别在.、.、.时达到最大值 随着荷载继续下降当 超过临界值 时初始裂缝尖端形成宏观裂缝 向上移动长度随荷载的降低而减小 其中、试件减小幅度最大其宏观裂缝第 期陈徐东等:骨料粒径对混凝土型断裂裂缝扩展影响研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报长度增长幅度也最大试件承载力急剧下降这与 曲线峰后荷载急速下降相对应而 试件 减小幅度较稳定这与 曲线峰后荷载平缓下降相对应 试件 减小过程可以分为 个阶段:阶段 长度减小幅度很小起点向上缩短较少宏观裂缝长度变化较小这说明 骨料粒径对裂缝扩展有很好的约束作用阶段 长度减小幅度增大此时 起点向上缩短较多相比于阶段宏观裂缝的长度增长了 倍阶段 长度减小幅度得到了控制 起点向上缩短较少宏观裂缝的长度变化较小 由此可以看出试件 裂缝扩展最慢抵抗裂缝的能力最强对于裂缝扩展的约束最好图 长度随有效裂缝长度变化趋势图.结 论)普通混凝土试件梁峰值荷载和断裂参数与骨料粒径有关 随着骨料粒径增大峰值荷载、断裂能和断裂韧度先增大后减小 时最优结合试验结果普通混凝土合适的骨料粒径为 此时普通混凝土拥有优良的力学性能)在同样荷载作用下随着骨料粒径增大线上裂缝张开位移值先减小后增大 时最小不同骨料粒径对微裂缝形成扩展具有很大影响与 骨料相比 和 骨料的不良影响更大微裂缝扩展速度更大微裂缝张开位移更大)在整个加载过程中 长度先增大后减小不同骨料粒径对 扩展有很大影响随着骨料粒径增大 长度先减小后增大 扩展完整的荷载时刻越晚其承载力、变形能力越强同时 试件前期 扩展较缓慢 长度最小断裂能、断裂韧度最大 因此其抵抗裂缝的能力最强拥有更高的承载力)试件 曲线峰后荷载下降趋势和 长度减小有很强的关联性 扩展完整之后 减小过程可分为 个阶段:阶段 缓慢减小阶段 突然快速减小对应 曲线上一处荷载突降阶段 减小趋势得到了有效控制骨料起到了很好的约束作用 骨料约束 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报效果在骨料粒径为 时最佳参考文献:陈燕伟冯吉利朱天宇等.不同骨料体积分数下混凝土增韧机制及细观断裂模拟.复合材料学报():.():().陆瀛鹏高洪波徐世烺等.长期恒荷载作用下混凝土断裂过程的时变特性.水力发电学报():.():().():.米正祥胡昱李庆斌.大坝混凝土断裂强度及其确定方法.水力发电学报():.():().():.金浏杨旺贤余文轩等.骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析.振动与冲击():.():().杜晓奇司政黄灵芝等.粗骨料颗粒形态和体积分数对混凝土单轴压缩性能的影响研究.应用力学学报():.():().():.陈燕伟冯吉利李凤晨等.粗骨料体积分数对混凝土型断裂参数的影响.复合材料学报():.():().:.:.潘慧敏左建航宋嵘杰.粗骨料最大粒径对混凝土受早期扰动后力 学 性 能 的 影 响 .硅 酸 盐 通 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