羌宇杰 徐龔歡 王 霄 盧建琴 卜靜武

(1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009; 2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223000; 3.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225007)

0 引言

裂縫是水工建筑物的常見(jiàn)病害之一，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)混凝土材料的損傷，一定程度上影響建筑物的安全，研究混凝土裂縫擴(kuò)展機(jī)理對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)具有重要的理論及工程意義。斷裂能是描述裂縫擴(kuò)展中能量消耗的一個(gè)重要性能參數(shù)，表征裂縫擴(kuò)展單位面積所需要的能量。國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)(RILEM)的混凝土斷裂力學(xué)委員會(huì)(TC-50FMC)推薦斷裂能作為一個(gè)最為重要的混凝土非線性斷裂力學(xué)參數(shù)。

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)混凝土斷裂能的影響因素做了較多的研究，形成了一系列研究成果，但是對(duì)于各影響因素對(duì)斷裂能的影響效果并沒(méi)有得出一致的結(jié)論。基于此，本文總結(jié)并分析了材料屬性對(duì)混凝土斷裂能的影響。

1 斷裂能試驗(yàn)方法

混凝土斷裂能試驗(yàn)研究方法主要有以下4種：直接拉伸法、緊湊拉伸法、三點(diǎn)彎曲梁法和楔入劈拉法。直接拉伸法可以最直接地獲取斷裂參數(shù)，是測(cè)定混凝土斷裂能的理想方法，但是此種方法對(duì)設(shè)備要求較高且試驗(yàn)成功率低，因此很少被采納。緊湊拉伸法作為常見(jiàn)的斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法，還可用于混凝土以外材料的力學(xué)參數(shù)，但是大多數(shù)情況下，試驗(yàn)機(jī)難以滿足水平加載要求，試驗(yàn)難度也較大。目前，較常采用的試驗(yàn)方法為三點(diǎn)彎曲梁法與楔入劈拉法，此兩種方法均作為DL/T 5332—2005水工混凝土斷裂試驗(yàn)規(guī)程的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，易于開(kāi)展，有明確的斷裂能計(jì)算公式，廣泛運(yùn)用于混凝土斷裂性能分析。

1.1 三點(diǎn)彎曲梁法

三點(diǎn)彎曲梁法所需實(shí)驗(yàn)裝置有加載裝置，加載墊板、支座。三點(diǎn)彎曲梁試件為帶預(yù)制切口的簡(jiǎn)支梁，于跨中部位在梁頂表面中間施加一個(gè)線性荷載。其優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)結(jié)果較為精確。缺點(diǎn)是三點(diǎn)彎曲梁試件尺寸較大，但斷裂區(qū)面積占試件總面積比例卻較小，且大尺寸試件不易于搬運(yùn)也難以排除自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響(見(jiàn)圖1)。

1.2 楔入劈拉法

楔入劈拉試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置包含加載裝置、楔形加載架、傳力板、支座。楔入劈拉試件制備時(shí)預(yù)制凹槽和裂縫，在試驗(yàn)開(kāi)始前需測(cè)量試件尺寸及預(yù)制縫長(zhǎng)。為了便于加載，對(duì)試件直接施加壓力，再依靠傳力裝置將壓力轉(zhuǎn)化為垂直于裂縫面的拉力，試驗(yàn)時(shí)選取合適的楔形角可有效抵消自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。其優(yōu)點(diǎn)是試件較小且易于現(xiàn)場(chǎng)制作，通過(guò)使用兩個(gè)底部支座來(lái)補(bǔ)償自重，減小自重的影響。其缺點(diǎn)是該法產(chǎn)生的附加彎矩會(huì)降低實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度(見(jiàn)圖2)。

2 斷裂能的影響因素

2.1 強(qiáng)度

針對(duì)混凝土強(qiáng)度對(duì)混凝土斷裂能的影響對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如圖3所示。從圖3中可以看出，斷裂能的整體變化趨勢(shì)是，隨著混凝土強(qiáng)度增加逐漸增大。丁力棟等[1]、Einsfeld和Velasco[2]，Rao和Prasad[3]的研究結(jié)果與這一結(jié)論一致。分析原因主要是：裂縫開(kāi)展路徑取決于骨料自身強(qiáng)度、骨料與水泥漿體之間的粘結(jié)力。混凝土強(qiáng)度越高，骨料與水泥漿體的連接越為緊密，裂縫開(kāi)展難度增大，即斷裂能隨著強(qiáng)度增大而增大。而骨料自身強(qiáng)度較小時(shí)，裂縫開(kāi)展過(guò)程中粗骨料多數(shù)開(kāi)裂，使斷裂面平直，此時(shí)斷裂能反而減小。

同時(shí)，也有一些試驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)論不完全一致。李銘[4]、劉進(jìn)寶等[5]、楊利劍[6]、王秋雨[7]均比較了最大骨料粒徑20 mm的混凝土試件強(qiáng)度對(duì)其斷裂能的影響規(guī)律。李銘[4]、劉進(jìn)寶等[5]認(rèn)為強(qiáng)度為43.3 MPa的混凝土斷裂能最大，而楊利劍[6]測(cè)得強(qiáng)度為48.1 MPa時(shí)斷裂能最大。王秋雨[7]發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度從32.1 MPa增大到38.6 MPa，斷裂能隨強(qiáng)度的增加而降低，而強(qiáng)度從38.6 MPa增大到55.4 MPa時(shí)，斷裂能隨強(qiáng)度的增加趨于平穩(wěn)。馮孝杰[8]通過(guò)開(kāi)展楔入劈拉試驗(yàn)，得出隨混凝土抗壓強(qiáng)度的增加，斷裂能先增加而后趨于穩(wěn)定的結(jié)論。賈艷東[9]針對(duì)卵石和碎石混凝土展開(kāi)斷裂能試驗(yàn)，結(jié)果表明卵石混凝土的斷裂能隨強(qiáng)度增加而增加；碎石混凝土的斷裂能隨強(qiáng)度的增加變化趨勢(shì)平緩，甚至稍有下降。張震[10]指出：斷裂能隨試件強(qiáng)度的增加先增大后減小。徐君[11]認(rèn)為隨著混凝土強(qiáng)度的提高，斷裂能不但不提高，反而有下降的個(gè)例。上述研究結(jié)果表明，混凝土斷裂能受其強(qiáng)度影響程度隨著其他因素的變化而變化。

2.2 最大骨料粒徑

三點(diǎn)彎曲梁法和楔入劈拉法得到的混凝土斷裂能與最大骨料粒徑之間的關(guān)系如圖4所示，圖4表明，斷裂能隨最大骨料粒徑的增加有逐漸增大的趨勢(shì)。丁力棟等[1]、Rao和Prasad[3]、馮孝杰[8]、黃書(shū)嶺[12]、王林[13]、朱敏敏[14]、劉騫[15]、Zhao等[16]、Beygi等[17]、Zhang等[18]的試驗(yàn)結(jié)果與上述結(jié)論一致。分析其原因：裂縫的擴(kuò)展是沿著基體中較弱的界面區(qū)或較大的孔隙傳播，考慮到骨料有一定阻裂作用，增大骨料粒徑時(shí)裂縫開(kāi)展需繞過(guò)骨料，裂縫擴(kuò)展所需能量提高。

在研究骨料最大粒徑為10 mm，20 mm，40 mm的混凝土斷裂能時(shí)，李銘[4]、劉進(jìn)寶等[5]、楊利劍[6]、徐君[11]、王剛[19]發(fā)現(xiàn)斷裂能隨著骨料粒徑的增加而增加。王秋雨[7]、趙志方等[20]、饒俊波[21]提出混凝土斷裂能在骨料最大粒徑從10 mm增加到20 mm時(shí)增大，在20 mm增大到40 mm時(shí)減小。王剛[19]還發(fā)現(xiàn)在骨料最大粒徑超過(guò)40 mm之后，斷裂能的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。Han等[22]提出斷裂能隨著骨料粒徑的增加先增加后減小，這可能是因?yàn)楣橇狭皆龃螅瑪嗔涯茉龃蟮耐瑫r(shí)，會(huì)伴隨著骨料與水泥膠體之間初始裂縫的增長(zhǎng)，使得兩者之間粘結(jié)力降低，斷裂能減小。

2.3 齡期

混凝土力學(xué)性能不斷增長(zhǎng)源于膠凝材料水泥的水化硬化，隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥水化越充分，其力學(xué)性能發(fā)展越充分。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中齡期對(duì)混凝土斷裂能的影響試驗(yàn)結(jié)果匯總于圖5中，圖5表明，成熟齡期的混凝土斷裂能隨齡期的延長(zhǎng)有緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，而早齡期混凝土斷裂能與齡期之間的關(guān)系不明顯。黃書(shū)嶺[12]、楊楓林[23]認(rèn)為再生混凝土斷裂能隨齡期增加而提高。Kim等[24]認(rèn)為混凝土斷裂能隨齡期增長(zhǎng)而增加，28 d時(shí)趨于一個(gè)極限。Jo和Tae[25]測(cè)定低溫混凝土與普通混凝土的斷裂特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著齡期的增長(zhǎng)，兩者的斷裂能呈現(xiàn)出相似的增長(zhǎng)趨勢(shì)。Beygi等[26]發(fā)現(xiàn)自密實(shí)混凝土的斷裂能隨著齡期從3 d～90 d不斷增長(zhǎng)。莫卓凱[27]分析比較了全級(jí)配、二級(jí)配與濕篩混凝土試件的斷裂能，發(fā)現(xiàn)全級(jí)配混凝土試件的斷裂能隨著齡期增加持續(xù)增長(zhǎng)，而二級(jí)配與濕篩混凝土試件的斷裂能隨齡期增加而增長(zhǎng)后出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谒嗨缙陔S著養(yǎng)護(hù)齡期增加，水化產(chǎn)物能夠填充內(nèi)部孔隙和微裂紋，延緩裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，斷裂性能快速提升。后期，水化反應(yīng)速度降低，基底密實(shí)度有所提高，但是對(duì)裂縫的抵抗力沒(méi)有明顯差別，斷裂能增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)趨于平緩甚至略有下降。可以發(fā)現(xiàn)，斷裂能與混凝土養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系還受混凝土的種類影響。也有少數(shù)研究發(fā)現(xiàn)斷裂能隨齡期的增加反而降低，郭向勇[28]通過(guò)試驗(yàn)研究了齡期為28 d和56 d的兩種混凝土的斷裂能，結(jié)果表明：隨齡期增長(zhǎng)，斷裂能降低，黃煜鑌[29]得出了相同的結(jié)論。斷裂能隨齡期的增長(zhǎng)而降低的主要原因可能是：隨著齡期的增加，硬化過(guò)程中水泥石和團(tuán)聚體基體界面強(qiáng)化，水泥石的脆性增加，骨料易于斷裂[23-25]。

2.4 水膠比

趙志方等[20]、郭向勇[28]、黃煜鑌[29]、張?jiān)拼篬30]、Salehi和Mazloom[31]、程從密等[32]在研究水膠比對(duì)混凝土斷裂能的影響時(shí)提出：隨著水膠比的增大，試件的斷裂能較小。黃書(shū)嶺[12]的試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著水膠比減小，再生混凝土的斷裂能和天然骨料混凝土的斷裂能均有所增加，但增加的幅度較小。王剛[19]的試驗(yàn)研究表明隨著水膠比的降低，混凝土的斷裂能上下波動(dòng)，但變化幅度相對(duì)較小。饒俊波[21]提出當(dāng)水膠比為0.35時(shí)，斷裂能最大，低于或高于該值混凝土斷裂能均減小。張九峰[33]對(duì)再生骨料混凝土的研究表明，低水膠比的再生骨料混凝土斷裂能低于高水膠比再生骨料混凝土。得出上述不同結(jié)論的原因是改變水膠比對(duì)混凝土斷裂能的影響較為復(fù)雜，增大水膠比能夠明顯增大混凝土延性，斷裂能增大，但是由于骨料與水泥漿體間連接不緊密，會(huì)降低基體密實(shí)性，降低抗裂能力，斷裂能可能減小。反之，降低水膠比能夠使水泥漿體和界面過(guò)渡區(qū)的孔隙率減小從而提高基體強(qiáng)度和彈性模量，進(jìn)而提高斷裂所需能量。而水膠比太小，水泥水化不充分，混凝土的和易性也會(huì)變差，硬化的混凝土結(jié)構(gòu)不密實(shí)，斷裂能會(huì)降低(如圖6所示)。

2.5 砂率

王林[13]、劉騫[15]、郭向勇[28]、黃煜鑌[29]研究了砂率對(duì)混凝土斷裂能的影響，得出一致結(jié)論：隨著砂率的增加，斷裂能會(huì)降低。砂率較小時(shí)，骨料的比表面積較小，骨料表面附著的砂漿量相對(duì)較多，導(dǎo)致混凝土的流動(dòng)性、粘聚性較好，硬化混凝土斷裂性能有所提高；且此時(shí)粗骨料相對(duì)較多，混凝土孔隙率減小，粗骨料與水泥基體粘結(jié)力增大，裂縫開(kāi)展要繞過(guò)粗骨料，增加斷裂能量(見(jiàn)圖7)。

2.6 骨料體積含量

王林[13]、劉騫[15]、Beygi等[17]、王思瑩等[34]、Nikbin等[35]、Cifuentes和Karihaloo[36]、Alyhya等[37]認(rèn)為斷裂能隨骨料體積的增加有增大的趨勢(shì)，另外王林[13]、劉騫[15]發(fā)現(xiàn)隨著水泥石強(qiáng)度的提高，骨料體積含量對(duì)斷裂能的影響變小。韓宇棟等[38]的試驗(yàn)設(shè)計(jì)了水膠比為0.62/0.43/0.3(依次標(biāo)記為C3/C5/C8)三個(gè)系列混凝土，研究發(fā)現(xiàn)C3系列的低強(qiáng)混凝土，粗骨料體積含量增大，斷裂能顯著增大。C8系列混凝土斷裂能普遍較高，且隨粗骨料含量增加而基本保持不變。C5系列混凝土斷裂性能介于C3和C8兩系列之間。Amparano等[39]研究發(fā)現(xiàn)斷裂能隨著骨料體積含量從45%～65%略微下降之后上升。Chen和Liu[40]的試驗(yàn)表明：對(duì)于低強(qiáng)度混凝土，隨著骨料體積含量從40%～80%不斷增大，而對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，在骨料體積含量為60%時(shí)出現(xiàn)極值。Akcay等[41]認(rèn)為斷裂能隨著骨料體積分?jǐn)?shù)增加而增加，在體積分?jǐn)?shù)為0.66時(shí)有所下降。學(xué)者們就骨料體積含量對(duì)斷裂能的影響所產(chǎn)生的結(jié)論較為一致，分析其原因：骨料體積含量增加，即粗骨料在混凝土中數(shù)量變多，在斷裂過(guò)程中會(huì)有更多的骨料從基體中拉出，由于橋聯(lián)和骨料聯(lián)鎖，斷裂路徑更加曲折，對(duì)于強(qiáng)度較低的混凝土，試件斷裂時(shí)拔出粗骨料需要消耗大量能量，因而斷裂能有所提高；對(duì)于強(qiáng)度高的混凝土，粗骨料的止裂作用相對(duì)減小，增加骨料含量使裂縫擴(kuò)展面積增大，斷裂能減小。而出現(xiàn)極值點(diǎn)可能是由于骨料數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致的骨料橋接機(jī)制功能異常(見(jiàn)圖8)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)于材料屬性對(duì)斷裂能的研究成果，深入分析了三點(diǎn)彎曲梁法和楔入劈拉法得到的混凝土強(qiáng)度、水膠比、砂率等材料參數(shù)對(duì)斷裂能的影響，結(jié)果表明：

1)在研究斷裂能的四種試驗(yàn)中，三點(diǎn)彎曲梁法和楔入劈拉法運(yùn)用最廣，但是這兩種試驗(yàn)方法仍存在需要改進(jìn)的缺陷。

2)在影響斷裂能的諸多材料屬性中，砂率越小，斷裂能越大；隨著骨料體積含量增大，混凝土斷裂能增大；斷裂能隨水膠比的增大而減??；強(qiáng)度越大的混凝土其斷裂能越大，齡期越長(zhǎng)的混凝土斷裂能越大。

3)由于不同的試驗(yàn)所采用的原材料有差異，試驗(yàn)條件、加載方式等不完全一致，因此，不同的學(xué)者就相同的材料屬性因素對(duì)混凝土斷裂能的影響得出的結(jié)論存在偏差，在今后的研究中應(yīng)當(dāng)注意在相同的實(shí)驗(yàn)條件下開(kāi)展試驗(yàn)，排除其他因素的影響，分清各個(gè)因素對(duì)斷裂能的影響程度。

4)斷裂能的影響因素有很多，本文只對(duì)部分影響因素作出了總結(jié)，且并未得出各因素對(duì)斷裂能影響的權(quán)重。現(xiàn)有研究中主要考慮單因素對(duì)混凝土斷裂能的影響，各種影響因素綜合作用下的混凝土斷裂能的規(guī)律有待進(jìn)一步研究。