張新慧 王學(xué)志 張曉飛 沈元禎 方 俊

1遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院 遼寧 錦州 121000

2西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院 陜西 西安 710048

正文：

0 前言

碾壓混凝土（RCC）是一種復(fù)雜的干硬性貧水泥混凝土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，由于各種缺陷和裂紋（包括宏觀裂縫）的存在，該種多相復(fù)合材料的破壞機(jī)理比較復(fù)雜[1]。本文基于徐世烺提出的雙K斷裂理論，參考《水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程》[2]，通過對不同強(qiáng)度的RCC試件進(jìn)行楔入劈拉試驗(yàn)，分析了強(qiáng)度對RCC的、、、、以及等斷裂參數(shù)的影響。

1 雙K斷裂理論

混凝土雙K斷裂理論結(jié)合了等效彈性法和虛擬裂縫法，是一種研究帶裂縫結(jié)構(gòu)的裂縫發(fā)展?fàn)顟B(tài)的理論模型[3]，該理論中裂縫的發(fā)展包括三個(gè)階段：當(dāng)時(shí)，裂縫穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)，裂縫開始穩(wěn)定擴(kuò)展：當(dāng)時(shí)，為裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段；當(dāng)時(shí)，裂縫開始失穩(wěn)擴(kuò)展；當(dāng)時(shí)，裂縫處于失穩(wěn)擴(kuò)展階段。

1.1 失穩(wěn)斷裂韌度的計(jì)算

其中，

1.2 起裂斷裂韌度

其中，

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試件制作及試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了抗壓強(qiáng)度分別約為20MPa、30MPa、40MPa的共計(jì)12個(gè)試件，編號為RCC20、RCC30、RCC40，具體尺寸及參數(shù)見表1。碾壓混凝土各試件的配合比見表2。

表1 試件尺寸和參數(shù)

表2 碾壓混凝土材料及配合比

通過試驗(yàn)測得RCC20、RCC30、RCC40對應(yīng)的立方體抗壓強(qiáng)度平均值分別為21.82MPa、31.91MPa、42.11MPa。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用50噸的MTS壓力試驗(yàn)機(jī)加載，荷載測量采用量程為0～50KN的YP-L2傳感器，尖端張開位移CTOD和裂縫口張開位移CMOD通過夾式引伸儀測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為C7702靜態(tài)應(yīng)變測試采集系統(tǒng)采集應(yīng)變、位移及相應(yīng)的力。整體試驗(yàn)裝置如圖1所示。夾式引伸儀分別分布在裂縫的頂部和尖端，驗(yàn)裝置如圖2（a）所示，應(yīng)變片分別布置在預(yù)制縫的延長線上和預(yù)制縫兩側(cè)，分別如圖2（a）、（b）所示。

圖1 試驗(yàn)裝置

圖2 應(yīng)變片布置情況

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)曲線分析

為了更清晰的分析試件的斷裂過程和確定試件的起裂荷載，這里采用了測試P-CMOD曲線和P-ε曲線兩種方法來對比確定。圖3為不同強(qiáng)度的碾壓混凝土楔入劈拉試件的P-CMOD曲線，圖4為RCC4004試件的P-ε曲線曲線，其已被多位學(xué)者用于測定起裂荷載。

圖3 不同強(qiáng)度的試件的P-CMOD圖

圖4 試驗(yàn)實(shí)測的P-ε曲線

由圖3可見，曲線在加載初始階段具有較大斜率，基本呈現(xiàn)線性特征；隨著載荷繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到混凝土的起裂荷載時(shí)，P-CMOD曲線由線性轉(zhuǎn)向非線性特征，而通過圖4的P-ε曲線可以發(fā)現(xiàn)其應(yīng)變回縮點(diǎn)對應(yīng)的荷載值與P-CMOD曲線中的拐點(diǎn)也基本對應(yīng)。由P-CMOD曲線可以看出，隨著荷載的繼續(xù)增加，斜率急劇減小，試塊的裂縫開口速度逐漸加快。試件的荷載承受能力當(dāng)荷載值達(dá)到失穩(wěn)荷載時(shí)急劇降低，相應(yīng)的荷載值隨之變??；同時(shí)，試件的裂縫開口迅速變大，直至試件斷裂。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

通過前面雙K斷裂參數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出各強(qiáng)度試件相應(yīng)雙K 斷裂參數(shù)值，具體參數(shù)見表3。

表3 碾壓混凝土雙K斷裂參數(shù)

?

由表3可看出，不同強(qiáng)度的RCC試塊的開裂荷載在2.5—3.9kN之間，而失穩(wěn)荷載在5.0-6.8kN，開裂荷載與失穩(wěn)荷載的比率基本穩(wěn)定在0.74-0.79之間，但隨著試件強(qiáng)度的提高，其開裂荷載和失穩(wěn)荷載也增加，表明碾壓混凝土的強(qiáng)度對試件的承載力有顯著影響。由此可得出，強(qiáng)度是影響裂縫在混凝土材料內(nèi)擴(kuò)展的因素之一。

圖5 臨界縫高比隨強(qiáng)度等級的曲線圖

圖6 臨界有效裂縫長度隨強(qiáng)度的變化曲線

根據(jù)雙K斷裂理論計(jì)算出的臨界有效裂縫的長度與試件高度之比為臨界縫高比。這里根據(jù)表3得到的數(shù)據(jù)繪制了臨界縫高比隨強(qiáng)度變化的曲線，如圖5。從圖5可以看出，RCC的強(qiáng)度依次為21.82MPa、31.91MPa、42.11MPa對應(yīng)的縫高比分別為0.6202、0.6005、0.5867，說明隨著強(qiáng)度的增大，碾壓混凝土試件臨界縫高比值逐漸減小，但變化緩慢。從圖6可以看出，當(dāng)強(qiáng)度的增加時(shí)，RCC試件的臨界有效裂縫長度值緩慢減小，但變化較小?？梢姀?qiáng)度對裂縫的擴(kuò)展長度影響相對較小。

圖7 不同強(qiáng)度等級下的斷裂韌度

圖8 不同強(qiáng)度等級下的起裂韌度與失穩(wěn)韌度的比值

RCC試件的斷裂參數(shù)與強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖7和圖8。從圖7可看出，隨著強(qiáng)度增加，其斷裂韌度值均呈現(xiàn)增加趨勢。當(dāng)強(qiáng)度從20MPa增加到40MPa時(shí)，起裂斷裂韌度值從0.4384MPa·m1/2增加0.7808MPa·m1/2，失穩(wěn)斷裂韌度值從0.9029MPa·m1/2增加到1.4958MPa·m1/2，分別提高了0.3424MPa·m1/2，0.5929MPa·m1/2。從圖8中可以看出，RCC試塊的起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度之比基本保持0.47左右?？梢钥闯?，隨著強(qiáng)度的增加，RCC的斷裂韌度增大，但起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度之比沒有明顯的變化。

4 結(jié)論

本文采用楔入劈拉試驗(yàn)對強(qiáng)度分別為20MPa、30MPa、40MPa的試件進(jìn)行試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析，得到了試件斷裂特性與RCC強(qiáng)度等級之間的關(guān)系：

（1）隨著RCC強(qiáng)度增加，試件的失穩(wěn)荷載和起裂荷載均相應(yīng)增加。

（2）隨著RCC強(qiáng)度的增加，其雙K斷裂參數(shù)值隨之增加，強(qiáng)度對裂縫的擴(kuò)展長度影響相對較小。

（3）隨RCC強(qiáng)度的增加，RCC的斷裂韌度增大，但起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度之比沒有明顯的變化。