淺析大壩混凝土斷裂能的影響因素

徐 君

中國水利水電第一工程局有限公司，吉林長春 130062

0 引言

大體積混凝土結構，如水壩常因施工期溫度控制處理失當、氣溫往復變化和蓄、泄洪期水位變化對壩體受力的改變形成裂縫和裂縫繼續擴展而引發安全問題。工程界一直尋求改善混凝土性能并降低混凝土費用的途徑。研究大體積混凝土的力學性能，對壩體的科學設計和施工，從而建造安全、可靠、經濟的大壩為當務之急[1,2]。影響大壩混凝土斷裂能的因素是多方面的，本文就試件尺寸、骨料粒徑、混凝土強度、幾何形狀這些因素對混凝土斷裂能的影響進行探討，以期對大壩混凝土斷裂特性的影響因素有全面的了解。

1 混凝土斷裂能的尺寸效應

自20世紀60年代斷裂力學被引入到混凝土的研究中，作為混凝土非線性斷裂力學中一個重要的斷裂參數，混凝土斷裂能GF直是眾多研究人員關注的焦點。斷裂能研究中的一個重要課題就是其尺寸效應，尺寸效應是指材料的力學性能不再是一個常數，而是隨著結構幾何尺寸的變化而變化。確定混凝土材料參數和斷裂能之間的關系及斷裂能有無尺寸效應、是否可當成一個材料常數而應用于實際工程當中具有重要的學術意義及工程價值。眾多學者的試驗結果表明，GF存在著明顯的尺寸效應，研究結果還表明，試件厚度對GF的影響較小，試件高度是影響GF 值的主要因素[3,4]。針對這一問題，本文根據前面所得的試驗數據，主要從不同試件高度來進行斷裂能GF尺寸效應的分析。

從三點彎曲切口梁P-δ的試驗結果所得斷裂能GF對比結果可以看出，(a)對比相同混凝土強度C20，dmax=20mm 也相同，試件寬度為120mm，高度從100mm～400mm的斷裂能GF 值。由圖可明顯看到斷裂能GF 隨著試件尺寸的增加有著明顯的增加。對比相同混凝土強度C25，dmax=80mm 也相同，試件寬度為240mm，高度從400mm 到550mm的斷裂能GF 值，可得斷裂能GF 隨著試件尺寸的增加變化不是很明顯。說明對于小體積，小骨料三點彎曲切口梁試件，隨著試件尺寸的增加，其斷裂能GF增加十分明顯。而對于大體積，大骨料三點彎曲切口梁試件，隨著試件尺寸的增加，其斷裂能GF尺寸效應不是很明顯。

本文以楔入劈拉試驗所得到斷裂能GF，對比相同混凝土強度C20，dmax=20mm 也相同，試件高度從300 到1 200的GF 值，可以得到，GF隨著試件尺寸的增加有著明顯的增加。

2 骨料粒徑對混凝土斷裂能GF的影響

混凝土是以骨料為填料，以硬化水泥漿為基體組成的復合材料，骨料和硬化水泥漿以及他們之間的結合面的力學性質決定了混凝土的斷裂性能，而骨料在混凝土中所占體積較大，對混凝土的斷裂特性影響應該也是較大的[5]。現比較相同強度C20，相同試件 尺 寸 B×D×L=200mm×300m×300mm，dmax=（10、20、40）的楔入劈拉試件WS（12、13、21）試件的斷裂能如圖1所示。

由圖1 可以看出斷裂能在dmax=（10、20、40）時隨著骨料粒徑的增加而增加的，其原因是：骨料最大粒徑對混凝土斷裂能的影響，一般認為骨料對裂縫的擴展有阻礙作用，所以隨骨料粒徑的增大，裂縫愈曲折，斷裂韌帶面積有所提高，然而隨著骨料粒徑的進一步增大，骨料與水泥基體界面的初始裂縫也隨之增加，使得骨料與基體的粘結有所減弱，骨料的機械嚙合作用也有所下降，從而又會使斷裂能降低。試驗時，帶預制裂縫的混凝土試件，在外力作用下首先在預制裂縫的尖端出現一條細小裂紋，隨著荷載的增加，裂紋向上開展，最后直至試件斷裂。在裂縫擴展到骨料時，或是繞開或是穿過骨料，對普通混凝土而言，骨粒強度較骨粒與水泥粘結強度要大，所以裂縫穿過骨料所需能量比繞過骨料所需要的能量要大；隨著dmax的進一步增大，骨料與水泥漿結合有所減弱，因此GF 也呈有下降趨勢。有學者認為dmax=40mm時斷裂能達到最大，并且還給出了以dmax=20mm 為基準的，其它骨料粒徑的一個對比修正系數表，所列出的dmax=40mm 斷裂能與dmax=20mm 斷裂能的比值為1.267844 與所給值1.22 基本相符。由于所做dmax=20mm的試件與其它試件尺寸不一致，沒有進行進一步對比分析，關于dmax>80mm時骨料粒徑對混凝土斷裂能的影響有待于進一步研究。

圖1 骨效粒徑對混凝土斷裂能的影響

3 混凝土強度對斷裂能GF的影響

斷裂能GF 是從能量的角度研究材料在荷載作用下裂縫擴展貫通機理，并考慮了混凝土的軟化特性，其量綱可以反映出它是混凝土強度與變形能力的綜合效應。在其它脆性材料中斷裂能GF 是由材料拉伸機理控制的，而混凝土材料的斷裂能GF 強烈地依靠粗骨料粒徑和其強度而變化。分別比較相同dmax=20mm，相同試件尺寸B×D×L=120mm×300mm×1300mm，混凝土強度從C20 到C50的三點彎曲切口梁SL(5、8、9、10)試件的斷裂能，可以看出，相同dmax=20mm，相同試件尺寸B×D×L=200mm×300mm×300mm，混凝土強度從C20 到C50的楔入劈拉試件WS（13、18、19、20）試件的斷裂能。dmax=20mm時斷裂能隨混凝土強度的增加變化不明顯。隨著混凝土強度的提高，斷裂能不但不提高，反而有下降的個例。

其它學者在研究中強度對混凝土斷裂能的影響規律時也發現了這種現象：隨著混凝土強度的提高，斷裂能不但不提高，反而有下降的個例。主要原因是：雖然混凝土強度在提高，水泥膠體與骨料連接強度也在提高，但由于骨料強度保持不變。裂縫開展過程中，骨料強度和水泥膠體與骨料連接強度相比顯得弱，粗骨料碎石多數開裂，使斷裂面平直，所需能量也就不會提高，可能反而有降低的現象。因此，骨料強度不同時凝土強度對混凝土的斷裂能影響應該會有所不同。

4 不同試驗方法對混凝土斷裂能的影響

對于混凝土斷裂性能的研究主要集中在試驗方法、斷裂韌度及斷裂能的測試與計算、裂縫開展過程分析等方面，比較集中的結論是混凝土的斷裂韌度、斷裂能具有明顯的尺寸效應。需要確定一個類似評價混凝土立方體抗壓強度的穩定實驗方法和計算方法來評價混凝土的斷裂性能。盡管國內外學者對許多不同尺寸的試件分別進行了三點彎曲試驗和楔入劈拉試驗，但用同一種尺寸對混凝土進行試驗方法比較研究的很少。

對混凝土材料來說，楔入劈拉試件可以看作是從三點彎曲梁截取出來的一段深梁，因此研究試件的形狀效應可以選取試件高度D 相同的兩類試件進行比較研究。本次試驗試件為相同配比、試件高度D 相同三點彎曲梁試件與楔入劈拉試件，因此我們對兩者的斷裂能進行對比分析。從實驗結果可以看出，三點彎曲梁試驗所得斷裂能與楔入劈拉試驗所得斷裂能之間沒有明顯的趨勢。上述現象的原因可能是以下兩點：1）這兩種試驗所采用的試件尺寸、幾何形狀、支撐條件及受力變形情況都不相同，這些因素可能導致其斷裂過程區的差異；2）由于混凝土斷裂能本身就有一定的離散性。有關不同試驗方法對混凝土斷裂能的影響有待于進一步的研究。

5 結論

對影響混凝土斷裂能的其它因素如試件幾何形狀、骨料粒徑、混凝土強度進行探討，發現混骨料斷裂能在dmax=（10、20、40）時隨著骨料粒徑的增加而增加的；混凝土斷裂能隨著混凝土強度的增加沒有明顯的趨勢。三點彎曲梁試驗所得斷裂能與楔入劈拉試驗所得斷裂能之間沒有明顯的趨勢。

[1]鄧宗才，李慶斌，傅華.人工骨料全級配大壩混凝土的拉壓力學性能[J].水利學報,2005，36(2).

[2]徐世烺，喻常雄，李慶華.混凝土大壩接縫灌漿的剪切斷裂過程及其斷裂韌度測定[J].水利學報，2007，38(3).

[3]趙艷華，徐世烺，聶玉強.混凝土斷裂能的邊界效應[J].水利學報，2005，36(11).

[4]郭向勇，方坤河，冷發光.混凝土斷裂能的理論分析[J].哈爾濱工業大學學報，2005，37(9).

[5]楊松森，徐菁，趙鐵軍.碳化對混凝土斷裂能的影響[J].四川建筑科學研究，2009，35(4).