內(nèi)置橢球形缺陷混凝土靜態(tài)劈拉試驗(yàn)

王 杰，陶俊林

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900；2.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

在核工程等基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，混凝土是當(dāng)今世界使用最為廣泛的建筑材料之一，其在施工過程中，不可避免地存在一些孔洞和不密實(shí)區(qū)等初始缺陷.為研究初始缺陷對(duì)混凝土等脆性材料的影響，相關(guān)學(xué)者們進(jìn)行了一系列的研究工作.

在試驗(yàn)方面，通過預(yù)制人工初始缺陷來表征混凝土等脆性材料中的初始缺陷，人工初始缺陷大致可分為貫穿孔洞缺陷、貫穿裂隙缺陷、內(nèi)置裂隙缺陷和內(nèi)置球形缺陷等.李意[1]在混凝土中預(yù)制貫穿孔洞缺陷，研究缺陷大小及位置對(duì)混凝土壓縮強(qiáng)度的影響；梁培[2]對(duì)貫穿孔洞缺陷混凝土試件進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)劈拉試驗(yàn)，認(rèn)為混凝土的劈拉強(qiáng)度隨著孔洞直徑的增加而降低；張華等[3]在混凝土中預(yù)制一條貫穿裂隙，發(fā)現(xiàn)斷裂韌性隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而增加；李斌等[4]在砂漿中預(yù)制兩條貫穿裂隙，利用數(shù)字散斑技術(shù)分析劈拉試驗(yàn)中試件的破壞過程，發(fā)現(xiàn)貫穿裂隙的傾角對(duì)破壞模式具有顯著影響；由于聚酯材料的楊氏模量遠(yuǎn)小于砂漿，李術(shù)才等[5]認(rèn)為聚酯薄片可充當(dāng)砂漿中的初始缺陷，將聚酯薄片預(yù)埋在砂漿中，從而形成內(nèi)置裂隙缺陷，對(duì)內(nèi)置裂隙缺陷砂漿試件進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)直接拉伸強(qiáng)度隨著內(nèi)置裂隙的傾角的增加而降低；付金偉等[6]利用云母片在樹脂材料中形成內(nèi)置裂隙缺陷，發(fā)現(xiàn)與單裂隙試件相比，雙裂隙對(duì)裂紋擴(kuò)展存在明顯差異；王海軍等[7]通過電磁場(chǎng)在玻璃試件中制作宏觀內(nèi)裂紋，形成內(nèi)置裂隙缺陷，之后進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置裂隙的存在會(huì)顯著影響裂紋的起裂和擴(kuò)展過程；郭奇[8]在混凝土中內(nèi)置單個(gè)球形缺陷，利用引伸計(jì)發(fā)現(xiàn)球形缺陷的存在顯著地提高了裂紋的擴(kuò)展速度.在針對(duì)劈拉試驗(yàn)的理論方面，Chianese等[9]利用傅里葉級(jí)數(shù)推導(dǎo)出帶圓孔洞的劈拉試驗(yàn)應(yīng)力解析解，王杰等[10]針對(duì)圓孔洞試件的劈拉試驗(yàn)，推導(dǎo)出了相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度建議公式.在數(shù)值模擬方面，崔圣華等[11]在試件中部添加團(tuán)塊缺陷，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺陷會(huì)降低巖石強(qiáng)度；張華等[3]利用擴(kuò)展有限元模擬劈拉試驗(yàn)，結(jié)果顯示裂紋從混凝土試件的內(nèi)置裂隙尖端起裂，擴(kuò)展至加載端，模擬效果良好.

上述研究表明，初始缺陷會(huì)弱化脆性材料的力學(xué)性能.混凝土是一種典型的脆性材料，試驗(yàn)中普遍使用貫穿孔洞缺陷、球形缺陷來表征混凝土中的初始缺陷.實(shí)際上橢球形更能代表混凝土中的初始缺陷，這是因?yàn)楫?dāng)橢球形的長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)度相差較大時(shí)，可以表征混凝土中的幣形或狹長(zhǎng)缺陷，當(dāng)橢球形的長(zhǎng)、短軸長(zhǎng)度接近時(shí)，可表征混凝土中的球形缺陷.此外，混凝土具有拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于壓縮強(qiáng)度的特性，在拉伸載荷條件下，初始缺陷的存在更易使混凝土發(fā)生破壞.因此，在拉伸載荷條件下，進(jìn)一步研究橢球形缺陷大小對(duì)混凝土拉伸強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展演化的影響，能夠?yàn)榛炷令惤ㄖ锏哪途眯约皬?qiáng)度設(shè)計(jì)提供有意義的參考.

1 內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件制備

1.1 混凝土配合比

本研究的混凝土基體強(qiáng)度為C30，配合比如表1所示.原材料為雙馬牌P.C 42.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，細(xì)度模數(shù)為2.8的中砂，5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石和自來水.試件尺寸均為Φ120 mm×100 mm的圓柱體.

表1 每立方米C30混凝土配合比

1.2 橢球形缺陷的制備

橢球形的形態(tài)可用方程表示為，

(1)

本研究以“a>b=c”的形式設(shè)計(jì)橢球形缺陷大小，共3種，即a=30 mm、b=c=5 mm，a=30 mm、b=c=10 mm和a=30 mm、b=c=15 mm.設(shè)計(jì)的最大橢球形缺陷占混凝土試件的體積率遠(yuǎn)低于混凝土中的孔隙率5.297%[12]，從孔隙率的角度考慮，本設(shè)計(jì)的橢球形缺陷大小是合理的.

因云母、聚酯材料的彈性模量遠(yuǎn)小于脆性材料[5-6]，將其用于模擬脆性材料中的初始缺陷.熱塑性彈性體(TPE)材料的彈性模量遠(yuǎn)低于混凝土材料的彈性模量，因此本研究以TPE為原材料，利用3D打印技術(shù)制備出橢球形空心殼體，如圖1所示，其厚度為0.4 mm，以此來模擬混凝土中的初始缺陷.

圖1 尺寸為a=30 mm,b=c=15mm橢球形殼體實(shí)物圖

1.3 澆筑流程

郭奇等[13]提出的分步驟澆筑法，能較為精確地將缺陷替代物預(yù)置于試件的中心，且不影響混凝土基體強(qiáng)度.本研究采用分步驟澆筑法，將橢球形殼體預(yù)置于圓柱混凝土試件的幾何中心，定位效果圖如圖2所示，從而獲得內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件，對(duì)其養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行劈拉試驗(yàn).

圖2 橢球形缺陷的定位效果圖(單位：mm)

2 內(nèi)置橢球形缺陷混凝土靜態(tài)劈拉試驗(yàn)

2.1 劈拉強(qiáng)度公式簡(jiǎn)介

目前，劈拉試驗(yàn)(也稱巴西圓盤試驗(yàn))廣泛應(yīng)用于間接測(cè)量混凝土、巖石等脆性材料的拉伸強(qiáng)度，得到國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的推薦[14-15].本研究以劈拉試驗(yàn)來獲得混凝土的拉伸強(qiáng)度，其計(jì)算公式[14]為，

(2)

式中，P為施加在試件上的峰值載荷，/N;D為試件直徑，/m;t為試件厚度,/m;σ為拉伸強(qiáng)度，/Pa.

每組工況重復(fù)3次試驗(yàn)，拉伸強(qiáng)度值的確定參照文獻(xiàn)[14].

2.2 工況設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)3組橢球形缺陷(見1.2節(jié))試件，1組完整混凝土試件(無橢球形缺陷)，本研究共設(shè)計(jì)4組工況，每組工況準(zhǔn)備3個(gè)試件.加載方式如圖3所示，橢球形缺陷的長(zhǎng)軸與加載軸方向一致，力加載率設(shè)置為0.5 kN/s.

圖3 加載方式示意圖

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在四川振通公路工程檢測(cè)咨詢有限公司20T萬能材料機(jī)上進(jìn)行，利用配套的引伸計(jì)獲得裂紋寬度變化，采用HX-4E高速攝像機(jī)拍攝裂紋擴(kuò)展及破壞過程，采樣頻率設(shè)置為500 Hz；試驗(yàn)的整體布置如圖4所示.

圖4 試驗(yàn)裝置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件的拉伸強(qiáng)度

從萬能材料試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可獲得載荷—時(shí)間曲線，如圖5所示，取峰值載荷代入公式(2)中，便可得到相應(yīng)的拉伸強(qiáng)度，如表2所示.

圖5 典型的載荷—時(shí)間原始曲線圖

表2 內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件的靜態(tài)拉伸強(qiáng)度表

從表2可得出，完整混凝土試件的拉伸強(qiáng)度為3.24 MPa，內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件的拉伸強(qiáng)度均比完整試件的拉伸強(qiáng)度低，且最大降幅率達(dá)到了13.9%，表明橢球形缺陷試件對(duì)混凝土拉伸力學(xué)性能的影響較大；此外，隨著橢球形缺陷試件短半軸的增加，試件的拉伸強(qiáng)度也會(huì)隨之降低.

3.2 內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件的裂紋擴(kuò)展

利用引伸計(jì)可獲得裂紋寬度的擴(kuò)展變化，取典型試件的裂紋寬度變化進(jìn)行闡述，如圖6所示.

(a)內(nèi)置橢球形缺陷試件C-1

由圖6(a)可知，隨著內(nèi)置橢球形混凝土試件載荷的增加，裂紋寬度緩慢增加；當(dāng)載荷達(dá)到最大峰值附近時(shí)，裂紋寬度突然增加，該現(xiàn)象與高速攝像機(jī)采集到的裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象一致，如圖7(a)所示.從圖中可以看出，在53 130幀之前的圖片，均無肉眼可見的裂紋；在53 130幀時(shí)，試件的中心附近突然出現(xiàn)裂紋(如圖圈中出現(xiàn)裂紋)，隨后裂紋迅速朝加載端方向擴(kuò)展.說明在試驗(yàn)過程中，在達(dá)到峰值載荷前裂紋擴(kuò)展緩慢，無肉眼可見裂紋；當(dāng)達(dá)到峰值載荷附近時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展，出現(xiàn)肉眼可見裂紋.

53 129幀 53 130幀 53 131幀

可將試件表面裂紋的擴(kuò)展模式分為兩個(gè)階段：第一階段為裂紋緩慢擴(kuò)展階段，該階段的特點(diǎn)是，無肉眼可見裂紋，裂紋擴(kuò)展緩慢；第二階段為裂紋快速擴(kuò)展階段，該階段的特點(diǎn)是，出現(xiàn)載荷峰值使裂紋快速擴(kuò)展.

從圖6(b)和圖7(b)中的裂紋寬度變化和裂紋的擴(kuò)展變化趨勢(shì)來看，內(nèi)置橢球形缺陷混凝土試件與完整混凝土試件的變化趨勢(shì)是十分類似的.因此，可認(rèn)為內(nèi)置的橢球形缺陷對(duì)本研究的試件表面裂紋擴(kuò)展模式的影響不大.

4 結(jié) 論

本研究通過對(duì)內(nèi)置橢球形缺陷圓柱形混凝土試件進(jìn)行靜態(tài)劈拉試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：對(duì)于“a>b=c”型的橢球形缺陷混凝土試件，當(dāng)長(zhǎng)軸a=30 mm且長(zhǎng)軸與加載軸方向一致時(shí)，隨著橢球形缺陷短半軸(5 mm≤b≤10 mm)的增加，試件的拉伸強(qiáng)度會(huì)逐漸降低；橢球形缺陷的存在會(huì)降低混凝土試件的拉伸強(qiáng)度；混凝土試件表面的裂紋擴(kuò)展可分為前期緩慢生長(zhǎng)，后期迅速擴(kuò)展兩階段，且內(nèi)置的橢球形缺陷對(duì)本研究裂紋兩階段擴(kuò)展模式的影響不大.

致謝

感謝四川振通公路工程檢測(cè)咨詢有限公司提供的20T萬能材料機(jī).