國內外大量的研究表明:混凝土的斷裂過程分為起裂、穩定擴展和失穩擴展.使用傳統的單參數判據,如臨界應力強度因子K、臨界能量釋放率G來分析混凝土結構,特別是嚴格控制裂縫產生的結構如高壩、輸水結構等的裂縫發展顯然是不夠的.
在以應力強度因子為參量提出的雙K斷裂模型中,除了失穩韌度這一參數來控制裂縫的臨界失穩外,還引入了一個新的概念即起裂韌度來作為裂縫起裂的控制參數,而起裂韌度的確定需要知道起裂荷載Pini的大小以及初始裂縫長度a0,對于某一個給定的帶裂縫的結構來說,初始裂縫長度a0為一個已知量,因此如何確定起裂荷載Pini的大小尤為重要.
1、起裂荷載的確定方法
混凝土的裂縫擴展規律對確定裂縫擴展阻力至關重要.一些研究者曾采用X射線技術,漫射照明技術,掃描電子顯微鏡法,電阻應變片法,光彈貼片法,激光散斑干涉法等方法來測試混凝土的裂縫擴展.
目前觀點基本一致,荷載—位移曲線上升段的非線性是由裂縫尖端斷裂過程區所導致,很多學者也認為荷載—位移曲線線性到非線性的轉折點便是起裂荷載Pini的大小,但這種方法確定起裂荷載的誤差較大.
同時也受環境溫度方面的影響,其中有學者采用了一種光彈貼片法實驗技術來測定起裂荷載的過程,假設混凝土的應變這達到極限值時,將光彈貼片材料和試件的一些參數代入到應力學第一定律,由此可以得到當試件出現開裂時候所對應貼片條紋基數值n,公式為
式中:Ec,Es分別為光彈貼片材料和試件的彈性模量;μc,μs分別為光彈貼片材料和試件的泊松比;fe為光彈貼片材料的條紋值;tc,ts分別為貼片和試件的厚度;εls為混凝土的極限拉伸應變.當獲得了應變條紋數值后,就可以判斷試件開裂時對應的彩色條紋顏色,將與不同荷載等級下的光彈照片進行對比,就可以確定哪一級荷載裂縫開始起裂,也就可以確定起裂荷載的大小.
在借鑒這些不同方法的過程當中,本研究采用一種新的電阻應變片法來測試和探索大壩及其濕篩混凝土的裂縫擴展規律,并確定起裂荷載Pini.
2 、大壩和濕篩混凝土的三點彎曲切口梁斷裂試驗
2.1原材料及配合比
2002年底,在長江三峽泄洪壩段附近的中國葛洲壩集團公司第七工程公司劉家河預制構件廠制作大壩混凝土和濕篩混凝土的三點彎曲切口梁試件,制作試件所用的材料、養護環境以及施工條件都與三峽大壩泄洪段相同.用這些三點彎曲梁試件來模擬三峽泄洪壩段混凝土特性及其周邊環境.
試驗過程中所使用水泥的型號為中熱525#\\(由葛洲壩荊門生產\\),粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰\\(由山東鄒縣熱電廠生產\\),粗骨料是通過加人工碎石而成,細骨料來自三峽下岸溪的人工砂,水采用三峽飲用水,減水劑采用北京冶建JG3,DH9引氣劑\\(河北石家莊外加劑廠\\).
原級配試件采用三峽大壩的水位變幅區混凝土R90250#D250S10的施工配合比制作,詳見表1。
濕篩混凝土試件采用表1的原級配混凝土篩除粗骨料最大粒徑dmax大于40mm的粗骨料而得到.
2.2試件設計
試驗過程中所使用的三點彎曲切口梁形狀如圖1所示,預制縫的長度為a0,試件的厚度為B,試件的高度為D,試件尺寸列于表2.
2.3試驗過程
2.3.1 測試內容在實驗的過程中,需要測試三點彎曲梁的荷載-裂縫口張開位移\\(P—CMOD\\)曲線,荷載-預制縫尖端張開位移\\(P—CTOD\\)曲線,荷載-加載點位移\\(P—δ\\)曲線,起裂點荷載Pini,試件的裂縫擴展過程并測出P-Δa曲線.
2.3.2 試驗裝置及測試儀器試驗裝置見圖2.
通過改造5 000kN壓力試驗機,消除上壓板和立柱間的間隙,提高試驗機整體剛度,滿足試驗要求.
經采取措施,附加部件的重量不施加在試件上.
通過改進后的一套加載控制裝置,可以通過位移控制加載速率,從而使得位移控制的加載速率變為期望值,在實驗的過程中,變形的速率接近常數,讓加載在三點彎曲梁試件上的荷載和變形緩慢變化,使得所進行的三點彎曲切口梁的斷裂試驗能穩定的進行,試驗數據的獲得由計算機采集系統記錄.
所使用的荷載傳感器型號為BLR-1/50,傳感器量程范圍為0~50kN,其測量精度不大于最大荷載的2%.基本力學性能試件用2 000kN壓力試驗機測試.
3、電阻應變片法測試大壩和濕篩混凝土起裂荷載的試驗研究
3.1測定大壩和濕篩混凝土裂縫擴展情況的測點布置情況
電阻應變片法是測定結構應變場的一種基礎方法,通過在試件裂縫尖端布置應變片,可估測整個加載過程中裂縫的擴展情況.
在預制縫尖端布置應變片,可測定起裂荷載P[7]ini.對于測試大壩和濕篩混凝土的起裂荷載,電阻應變片法具有方法簡單、測試靈活和適用性強等優點.
混凝土三點彎曲梁的電阻應變片測點布置見圖3.
圖3中1-2—1-8和2-1—2-7表示動態應變儀的通道,沿預制縫尖端水平線方向開始布置應變測點,前5個應變片上下間距20~30mm,后5個應變片上下間距20~40mm,隨試件尺寸的不同而不同,本次試驗試件的高度在200~550mm之間,高度越大,后5個應變片上下間距越大.
其中第一組應變片的水平間距為b1=20mm,最后一組應變片的水平距離b2=40mm.
3.2起裂荷載Pini的確定
從圖4,5中的大壩和濕篩混凝土的荷載—應變關系曲線可知:當作用在試件上的荷載增加時,三點彎曲梁試件中的預制縫尖處的應變也隨之增加,屬于拉應變,且荷載與應變之間的關系是直線形式;從試件施加荷載時,試件的預制縫尖端處的能量不斷聚集,應變片的應變值大小成線性增長,當應變片的應變值達到拉應變的極值時,應變開始出現回縮現象,這表明測點間有裂縫產生,預制裂縫尖端處的兩側混凝土能量得到釋放,在測點處得到卸載,此刻應變開始回縮時的所對應的荷載值即是起裂荷載Pini的大小.
當拉應變達到峰值的時候,預制縫尖端處也會產生一種應力集中現象,三點彎曲梁的預制縫尖端處將開始開裂,一旦出現開裂,拉應變將不會在增加,而作用在試件上的荷載繼續增加.由于混凝土開始出現開裂,在預制縫尖端處出現卸載,拉應力減小,應變開始回縮,甚至出現了壓應變現象,起裂荷載即為應變峰值對應的荷載.起裂荷載Pini的大小即可獲得,由此可以得出大壩混凝土試件所對應的起裂荷載為18.568kN,濕篩混凝土試件所對應的起裂荷載為7.762kN.
4、結論
電阻應變片法來測定大壩和濕篩混凝土試件的起裂荷載是一種的新方法.通過測試三點彎曲梁試件預制縫尖端處的荷載—應變曲線,曲線拉應變峰值處對應的荷載即為起裂荷載.
特別對于雙K斷裂模型參數而言,起裂韌度的確定需要知道起裂荷載Pini的大小,而電阻應變片法對于測定起裂荷載Pini的大小具有測試簡單、適用性強的優點,對確定雙K斷裂參數的實測值具有重要意義,值得指出的是,雖然應變片法具有這些優點,可是應變片的粘貼位置、方向等因素都影響著測量的精度,因此這些影響因素有待進一步的研究.
參考文獻:
[1] 徐世烺,趙國藩.光彈性貼片法研究混凝土裂縫擴展過程[J].水力發電學報,1991\\(3\\):8-18.
[2] 于驍中.巖石和混凝土斷裂力學[M].長沙:中南工業大學出版社,1991.
[3] 尹雙增.斷裂·損傷理論及應用[M].北京:清華大學出版社,1992.
[4] 吳智敏,徐世烺,劉佳毅.光彈貼片法研究混凝土裂縫擴展過程及雙K斷裂參數的尺寸效應[J].水利學報,2001\\(4\\):34-39.
[5] 唐春安,朱萬成.混凝土損傷與斷裂—數值試驗[M].北京:科學出版社,2003.
[6] 徐世烺.混凝土斷裂力學[M].北京:科學出版社,2012.
[7] 趙志方.基于裂縫粘聚力的大壩混凝土斷裂特性研究[R].清華大學和中國葛洲壩集團公司博士后出站報告,2004.
