初始縫高比對鋼纖維混凝土斷裂性能的影響

楊曉華，羅 滔，劉曉劍，葉爾木拉提

(1.中國鐵建投資集團有限公司，北京 100085；2.西京學院陜西省混凝土結構安全與耐久性重點實驗室，西安 710123；3.中鐵建新疆京新高速公路有限公司，烏魯木齊 830022)

0 引 言

鋼纖維可以顯著提高混凝土的基本性能，鋼纖維混凝土被廣泛應用于大壩等水工建筑物中[1-3]。因高壩中普遍存在混凝土裂縫問題，人們對混凝土斷裂性能的研究給予了高度重視[4]。國內外學者通過對帶預制裂縫的混凝土試件進行斷裂力學試驗研究了不同初始縫高比對素混凝土試件雙K參數的影響等[5-7]。

為了深入研究初始縫高比對鋼纖維混凝土斷裂性能的影響，本文制備了三種不同縫高比(0.1、0.2和0.3)的鋼纖維混凝土和素混凝土，開展斷裂韌性試驗并聯合DIC和AE技術對試驗過程進行監測。以AE能量演化特征及DIC應變演化特性為基礎，揭示鋼纖維混凝土斷裂過程的宏細觀損傷演化機理。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥選用陜西省咸陽市禮泉海螺水泥廠生產的海螺牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，物理性能和主要化學成分分別如表1和表2所示。

表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement

表2 水泥的主要化學成分Table 2 Main chemical composition of cement

細骨料選用級配良好的中砂，細度模數為2.66，表觀密度為2 630 kg/m3，堆積密度為1 480 kg/m3；粗骨料采用碎石，表觀密度為2 835 kg/m3，堆積密度為1 720 kg/m3。

粉煤灰為陜西渭河電廠生產的一級粉煤灰，平均粒徑為12.71 μm，主要化學成分如表3所示。

表3 粉煤灰的主要化學成分Table 3 Main chemical composition of fly ash

減水劑由陜西沁芬建筑材料有限公司(中國渭南)生產，物理性能如表4所示。

表4 減水劑的物理性能Table 4 Physical properties of water reducer

引氣劑由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產，摻量為0.01%(質量分數)。

鋼纖維為衡水駿曄路橋養護工程有限公司生產的銑削型鋼纖維，寬度為2.0～2.6 mm，厚度為0.4～0.8 mm，長度為38 mm，如圖1所示。

圖1 鋼纖維Fig.1 Steel fiber

1.2 配合比

根據不同的鋼纖維體積摻量(0%和2.0%)和初始縫高比(0.1、0.2和0.3)將試件分為6組，每組3個試件，共18個試件，試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，混凝土配合比如表5所示。

表5 混凝土配合比Table 5 Mix proportion of concrete

1.3 試驗方法

斷裂韌性試驗參照《水工混凝土斷裂試驗規程》(DL/T 5332—2005)[5]，在試件底面布置裂縫傳感器測試裂縫口張開位移(crack mouth opening displacement, CMOD)。斷裂韌性試驗在美國GCTS巖石三軸儀上進行。AE測試儀器為DS2型聲發射監測系統(北京軟島時代科技)，AE傳感器的布置如圖2所示。采用Match ID公司研發的MatchID-2D非接觸式全場應變測量與仿真優化分析系統對斷裂韌性試驗全過程進行監測，啟動GCTS巖石三軸儀的同時觸發DIC系統和AE系統，動態跟蹤監測試驗過程中裂縫的開裂和擴展全過程，當試件宏觀破壞后停止加載和監測。圖3為斷裂韌性試驗示意圖。

圖2 AE傳感器的布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of arrangement of AE sensors

圖3 斷裂韌性試驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of fracture toughness test

2 結果與討論

2.1 初始縫高比對荷載-裂縫口張開位移(F-CMOD)曲線的影響

圖4(a)和(b)分別為鋼纖維體積摻量為0%和2.0%的混凝土在不同初始縫高比下的F-CMOD曲線。由圖4(a)可以看出，素混凝土試件的F-CMOD曲線上升段與下降段都較為順直，當加載到峰值荷載時，試件迅速被破壞，荷載出現陡降，初始縫高比為0.1、0.2和0.3的混凝土的臨界裂縫口張開位移分別為87.5 μm、157.5 μm和121.0 μm。試件完全喪失承載能力時裂縫擴展不明顯，表現出明顯的脆性。如圖4(b)所示，與未摻鋼纖維的混凝土相比，鋼纖維混凝土的F-CMOD曲線的上升段和下降段都更為平緩，峰值荷載后，荷載緩慢下降，CMOD的值迅速增大，裂縫擴展顯著，鋼纖維混凝土表現出一定的塑性。隨著初始縫高比的增大，臨界裂縫口張開位移顯著減小，分別為573.1 μm、370.9 和292.4 μm，說明隨初始縫高比的增大混凝土的塑性減小。

圖4 不同初始縫高比的混凝土的F-CMOD曲線Fig.4 F-CMOD curves of concrete with different initial notch-to-depth ratios

2.2 初始縫高比對鋼纖維混凝土斷裂性能的影響

參照《水工混凝土斷裂試驗規程》(DL/T 5332—2005)[5]，斷裂韌度(KIC)的計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

式中：計算起裂韌度(KICQ)時，α=α1=a0/h,a=a0，F=FQ；計算失穩韌度(KICS)時，α=α2=ac/h，a=ac,F=Fpeak；a0為預制裂紋長度，m；ac為有效裂紋長度，m；m為試件支座間的質量，kg；g為重力加速度，9.81 m/s2；S為試件兩支座間的跨度，m；t為試件厚度，m；h為試件高度，m；FQ為起裂荷載，kN;Fpeak為峰值荷載，kN。

有效裂紋長度ac和彈性模量E為

(3)

(4)

式中：h0為裝置夾式引伸計刀口薄鋼板的厚度，本文取0.002 m；Vc為臨界裂縫口張開位移，μm；ci為試件的初始CMOD/F值，μm/kN。

圖5為初始縫高比(Cr)對混凝土起裂韌度(KICQ)和失穩韌度(KICS)的影響。結果表明，不同初始縫高比下素混凝土的起裂韌度和失穩韌度均小于鋼纖維混凝土，隨初始縫高比的增大，素混凝土和鋼纖維混凝土的起裂韌度和失穩韌度均有不同程度的減小。隨初始縫高比的增大，素混凝土的KICQ減小幅度較小。當初始縫高比由0.1增加至0.2時，素混凝土的KICQ僅降低了2.9%，而鋼纖維混凝土的KICQ降低了8.9%；當初始縫高比達到0.3時，素混凝土的KICQ降低了16.7%，而鋼纖維混凝土的KICQ降低了32.5%。當初始縫高比由0.1增加至0.2時，素混凝土的KICS顯著減小，減小幅度為32.5%，而鋼纖維混凝土的KICS僅減小了13.4%；當初始縫高比增加至0.3時，素混凝土的KICS值相對于縫高比為0.2時減小幅度不明顯，而鋼纖維混凝土的減小幅度則由13.4%進一步增加到33.7%。這說明隨著初始縫高比的增加，鋼纖維對于混凝土的失穩韌度起到了較好的保持作用。

圖5 初始縫高比對混凝土斷裂韌度的影響Fig.5 Effect of initial notch-to-depth ratio on fracture toughness of concrete

圖6為混凝土的峰值荷載(Fpeak)和裂紋亞臨界擴展量(Δac)隨初始縫高比(Cr)的變化。如圖6(a)所示，當初始縫高比由0.1增加至0.2和0.3時，素混凝土的峰值荷載分別下降了17.5%和27.1%，鋼纖維混凝土的峰值荷載分別下降了6.8%和42.8%。裂紋亞臨界擴展量為試件從起裂到失穩后的裂紋擴展，即Δac=ac-a0。裂縫亞臨界擴展量和有效裂縫長度兩者能有效表征試件的韌性水平，其值越大，表明試件裂縫擴展越充分，韌性越好。由圖6(b)可以看出，素混凝土與鋼纖維混凝土的裂紋亞臨界擴展量均隨初始縫高比的增大而減小，說明初始縫高比越小，裂縫擴展越充分，相對韌性越好。而且相同條件下，鋼纖維混凝土的Δac值大于素混凝土，這是因為鋼纖維的變形能力較好，能抑制裂縫的發展并延長裂縫的穩定擴展時間，使鋼纖維混凝土的斷裂性能優于素混凝土。

圖6 初始縫高比對混凝土峰值荷載和裂紋亞臨界擴展量的影響Fig.6 Effect of initial notch-to-depth ratio on peak load and subcritical crack growth of concrete

2.3 初始縫高比對混凝土AE能量演化規律的影響

圖7為不同初始縫高比的素混凝土與鋼纖維混凝土在斷裂韌性試驗中的AE能量演化規律。本試驗選取荷載水平(Ll)，根據AE能量和累積AE能量，將混凝土的整個斷裂韌性試驗過程分為三個階段：(Ⅰ)彈塑性階段(0≤Ll≤0.8)，加載初期，會產生低幅度的AE信號，隨荷載的增加，試件內部的新裂紋持續產生，舊裂紋繼續擴展，累積AE能量曲線持續緩慢上升，釋能率低；(Ⅱ)起裂點出現，裂縫穩定擴展階段(0.8峰后0.8)，試件的損傷仍在不斷累積，CMOD迅速增大，試件的承載力隨著裂縫的擴展不斷降低，直至破壞。此時，素混凝土的AE能量累積曲線變緩，而鋼纖維混凝土的AE能量累積曲線繼續快速上升，而且持續產生數值較大的AE能量。這是由于鋼纖維混凝土斷裂時，鋼纖維持續脫黏斷裂，微裂紋在擴展過程中受到抑制，不斷積聚的能量以彈性波的形式向外釋放。初始縫高比為0.1的鋼纖維混凝土的AE能量累積曲線持續穩步上升，斜率基本保持不變，說明在整個斷裂過程中裂紋穩定擴展，這是由于鋼纖維對裂縫的抑制作用，而且試件的初始縫高比較小時對鋼纖維混凝土斷裂性能的影響并不顯著。初始縫高比為0.2和0.3的鋼纖維混凝土在階段(Ⅰ)的持續時間明顯縮短，AE能量累積曲線在峰值荷載處斜率突增，隨后進入穩定上升階段，這是由于鋼纖維混凝土的初始縫高比超過0.2時，削弱了鋼纖維對裂縫的抑制作用，在階段(Ⅰ)裂縫發展的速度較快。AE能量累積曲線既能表征混凝土試件裂紋擴展的三個階段，同時也能反映其斷裂的邊界效應。

圖7 加載過程中AE能量的演化規律Fig.7 Evolution law of AE energy during loading process

2.4 混凝土斷裂韌性試驗中不同階段的全場應變分布規律

圖8展示了不同初始縫高比的素混凝土與鋼纖維混凝土在斷裂韌性試驗不同階段的全場應變分布規律。如圖7所示，分別選取試件斷裂過程中每個階段的點并命名為A、B、C，如A-0.1-A表示初始縫高比為0.1的素混凝土在A點時的全場應變。A點(0.5Fpeak)時，混凝土試樣產生彈性變形，斷裂過程區沒有明顯的生長發育現象，無斷裂行為的產生。隨著荷載的繼續增加，B點(Fpeak)時，裂紋擴展區域在長度和寬度方向都產生明顯的增長現象，表明此階段斷裂過程區快速發育。峰值荷載后，C點時，混凝土試樣表面水平應變場非連續區迅速向前擴展，應力集中化現象加劇，表明此時裂縫迅速向前擴展，混凝土試件發生失穩斷裂，失去承載能力。在整個加載過程中，裂縫尖端處產生較大的應力集中，裂縫開展方向會沿著預制裂縫的位置開裂，裂縫尖端及擴展路徑的橫向應變較大。

圖8 試驗過程中的全場應變變化規律Fig.8 Variation law of full-field strain during test

為研究初始縫高比對鋼纖維混凝土不同階段全場應變的影響，繪制素混凝土和鋼纖維混凝土在斷裂韌性試驗不同階段的等效應變(equivalent Von Mises strain， Evm)最大值，如圖9所示。由圖9可以看出，峰值荷載前，不同初始縫高比的混凝土的Evm值變化較小。峰值荷載后，不同混凝土的Evm值均有不同程度的增大，但素混凝土的增大幅度較小，遠小于鋼纖維混凝土。三種不同初始縫高比的鋼纖維混凝土的Evm值的增大幅度呈現出較大的差異性，當初始縫高比為0.1和0.2時，峰值荷載后，Evm值大幅度增大，呈現出明顯的塑性特性，而當初始縫高比為0.3時，增加幅度明顯減小，說明脆性特性顯著增大。結果表明，當初始縫高比過大時，鋼纖維已不能充分發揮其對裂縫的抑制作用，而且邊界效應對鋼纖維混凝土的影響突然增大，使得裂縫擴展并不充分，塑性特性顯著降低，斷裂韌性減弱。

圖9 加載過程中的Evm值Fig.9 Evm value during loading process

3 討 論

3.1 斷裂能隨初始縫高比的變化規律

斷裂能(Gf)主要指試樣承受拉伸荷載，裂縫擴展單位面積所需要的能量[14]，由式(5)計算得出。

(5)

采用斷裂能比(Gf/Gf0)分析初始縫高比對混凝土斷裂能的影響，Gf為任意初始縫高比時混凝土的斷裂能，Gf0為初始縫高比為0.1時混凝土的斷裂能。圖10為初始縫高比對混凝土斷裂能的影響。由圖10可以看出，當素混凝土試件的初始縫高比從0.1增大到0.2時，其斷裂能下降幅度較大，當初始縫高比從0.2增大到0.3時，斷裂能的下降幅度較小。鋼纖維混凝土的斷裂能隨初始縫高比的變化規律與素混凝土略有不同，當初始縫高比由0.1增大到0.2時，斷裂能下降幅度較小，當初始縫高比從0.2增大到0.3時，斷裂能的下降幅度較大，與試驗結果相符。這是由于初始縫高比的增大使試件裂縫尖端的斷裂過程區減小，從而導致區域內局部損傷所釋放的能量值受到影響。Hu等[15]提出混凝土斷裂過程區的發展存在邊界效應，當斷裂過程區接近邊界時將受到邊界約束。

圖10 初始縫高比對混凝土斷裂能的影響Fig.10 Effect of initial notch-to-depth ratio on fracture energy of concrete

3.2 累積AE能量隨初始縫高比的變化規律

圖11為鋼纖維混凝土的累積AE能量隨初始縫高比的變化規律。由圖11可以看出，隨初始縫高比的增大，累積AE能量呈指數函數減小，這也驗證了裂縫擴展過程中尺寸效應的影響。主要是因為初始縫高比較大的試件有效高度較小，斷裂韌性試驗過程中，產生的Ⅰ型(張開型)裂縫的比例較多，小初始縫高比試件中，不僅存在Ⅰ型裂縫，還存在Ⅱ型(滑移型)和Ⅲ型(撕裂型)裂縫，小初始縫高比試件斷裂時所需的能量越多，裂縫擴展的速率越小，裂紋擴展越充分，斷裂所需的時間越長，產生的AE能量越多[16]。

圖11 累積AE能量隨初始縫高比的變化規律Fig.11 Variation law of cumulative AE energy with initial notch-to-depth ratio

4 結 論

(1)鋼纖維混凝土試件隨初始縫高比的增大，邊界的約束作用導致斷裂過程區長度減小，裂縫擴展不充分，所以其峰值荷載、斷裂韌度以及裂紋亞臨界擴展量隨初始縫高比的增大均呈減小的趨勢。當初始縫高比小于0.2時，鋼纖維對裂縫的抑制作用使得初始縫高比對混凝土斷裂性能的影響并不顯著；當初始縫高比大于0.2時，鋼纖維的抑制效果不能充分發揮，混凝土的斷裂韌性顯著降低。

(2)鋼纖維混凝土的斷裂過程可分為三個階段：(Ⅰ)彈塑性階段，AE能量緩慢產生；(Ⅱ)裂紋穩定擴展階段，AE能量高峰密集出現；(Ⅲ)斷裂階段，AE能量持續產生。隨初始縫高比的增大，階段(Ⅰ)的持續時間減少，裂縫發展的速率增大，峰值荷載后累積AE能量曲線的斜率增大。

(3)在整個試驗加載過程中，預制裂縫尖端會產生較大的應力集中，裂縫的橫向應變較大，而且裂縫擴展過程中受邊界效應的影響。當鋼纖維混凝土的初始縫高比為0.3時，鋼纖維對裂縫的抑制效果明顯減弱，混凝土塑性特性顯著降低。