光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程及双K断裂参数的尺寸效应

　2001年4月

水 利 学 报

SH UI LI X UE BAO

第4期

收稿日期:2000203216

基金项目:国家杰出青年科学基金(59625814);辽宁省科学技术基金(98108001)资助项目.作者简介:吴智敏(1963-),男,浙江仙居人,工学博士,副教授,主要从事混凝土断裂力学研究.

文章编号

:055929350(2001)0420034206

光弹贴片法研究混凝土裂缝扩展过程及双K 断裂参数的尺寸效应

吴智敏1

,徐世　1

,刘佳毅

1

(11大连理工大学海岸及近海工程国家重点实验室,辽宁大连　116024)

摘　要:本文采用最大尺寸为1200mm ×1200mm ×200mm 的楔入劈拉试件,利用光弹贴片法对混凝土预制缝的起裂、稳定扩展直至失稳破坏全过程进行了系统的研究.采用照相机及数码摄像机拍摄了光弹贴片所显示的裂缝扩展全过程,获得了各级荷载下各试件裂缝的亚临界扩展量.在此基础上,根据试验测得的起裂荷载P ini 及最大

荷载P max 计算了混凝土起裂断裂韧度K ini IC 及失稳断裂韧度K un IC .结果表明,混凝土K ini

IC 与试件高度无关,而当试件高度大于600mm 时,所测得的K un IC 也与试件高度无关,这说明混凝土双K 断裂参数(K ini IC 及K un IC )可以作为混

凝土的材料参数.

关键词:混凝土;裂缝;断裂参数;光弹贴片中图分类号:T V431 文献标识码:A

混凝土作为重要的工程材料,其受力特性与裂缝扩展有密切的关系.因此混凝土裂缝扩展机理及其定量描述是混凝土结构设计理论的一个重要的基础性课题,受到国际学术界的广泛注意和日益重视,是近十几年来的研究热点.对混凝土裂缝失稳破坏前的稳定扩展阶段即亚临界扩展,许多学者认为,混凝土是一种脆性材料,一经起裂便失稳扩展,不存在所谓的“亚临界扩展”,或因所观测到裂缝扩展量仅几毫米量级,因而认为不存在或不明显存在亚临界扩展阶段.究其原因,主要有两方面,一是所采用的试件尺寸太小(一般采用高度为100mm ),另一方面是实验技术不完善,不能精确地测量裂缝扩展量.而光弹性贴片法具有实时、直观、精确和便于保存等优点,可直观地观测裂缝稳定扩

展长度及扩展方向,但由于其技术要求及成本较高而在国内外很少采用[1,2]

.针对这一情况,本文采用最大尺寸为1200mm ×1200mm ×200mm ,厚度为200mm ,初始缝高比为014的楔入劈拉试件,利用光弹性贴片法系统地研究了预制缝的起裂、稳定扩展直至失稳破坏的全过程,获得了不同加载阶段下裂缝的亚临界扩展量,在此基础上,根据实验测得的起裂荷载、最大荷载计算了混凝土起裂断裂韧度K ini IC 、失稳断裂韧度K un IC 及临界裂缝尖端张开位移CTOD C .结果发现,K ini

IC 与试件高度无关,而当试件高度大于600mm 时,所测得的混凝土K un

IC 也与试件高度无关,可以作为混凝土材料的断裂参数.

1　试验概况

111　贴片的制作与粘贴　本试验采用的光弹性贴片以上海树脂厂生产的6101环氧树脂为基体,其配

比为:6101环氧树脂∶苯二甲酸二丁脂∶二乙烯三胺=100∶5∶8.贴片的弹性模量E C 为4163G Pa ,泊松比νc 为0139,应变光学灵敏度K =λΠf e =01104,应变条纹值f ε为755×10-6

cm Π条.制作贴片时,先按配合比将环氧树脂与苯二甲酸二丁脂加热至80℃～100℃以除去气泡,然后冷却到40℃～45℃,加

入二乙烯三胺搅拌均匀,随后倒入敞模,待固化24h 取下进行光弹性试验

.

表1　试件参数试件编号l ×h ×t Πmm

a 0Πh 试件数n

WS20200×200×2000144WS40400×400×4000144

WS60600×600×2000144

WS80800×800×2000144

WS1001000×1000×2000144WS1201200×1200×2000144

112　试件制作及试验过程　试件采用如图1所示的楔入劈

拉型式.各组试件尺寸等参数见表1.由于试件厚度对混凝土断裂性能基本上无影响,因此在本次试验中试件采用同一

厚度.所有试件均采用同一配合比,水泥∶砂子∶石子∶水=1

∶1194∶3117∶0156.水泥采用大连水泥厂生产的425#

普通硅酸盐水泥;砂为大连产河砂,最大粒径为5mm ;粗骨料为石

灰岩碎石,一级配,最大粒径为20mm.试件浇筑后48h 拆

模,而后用草袋覆盖,洒水养护28d.试验龄期为70d ,试验时测得其立方体抗压强度f cu 为2915MPa ,

劈裂抗拉强度f ts 为2133MPa ,弹性模量E 为3015G Pa ,泊松比ν为0121.所有试验均在5000kN 压力试验机上进行,荷载传感器采用型号为BLR -1Π5000的拉压式,测量范围为0～50kN.裂缝口张开位移CMOD 采用美国MTS 公司生产的夹式引伸仪测量,其量程为4mm.荷载、位移等均采用自行研制的计算机数据采集系统自动采集.光弹仪采用北京科学仪器厂生产的441型反射式光弹仪,录像机采用日本生产的NV -DX100E N 型数码摄像机.光路采用反射式V 型光路,如图2所示,加载连续进行,在不同的荷载下连续用光弹仪观察贴片V 型彩色条纹及其长度并连同荷载随时记录,同时用照相机及数码摄像机拍摄相应的条纹图案以供试验后分析.根据本次试验的目的只进行了正射,得到了

反应主应变差ε1-ε

2的等色线条纹,未再进行斜射.

图1　试件型式图2　反射式光弹仪V 型光路

2　混凝土楔入劈拉试件裂缝扩展过程

采用光弹贴片法直接观察混凝土试件失稳破坏前裂缝稳定扩展过程,对进一步研究混凝土断裂机理及澄清混凝土裂缝是否存在“亚临界扩展阶段”这一长期争论的问题有着重要的意义.因此在本文的研究中,把观测混凝土裂缝的起裂、稳定扩展阶段作为研究重点,在采用光弹仪直接测读各试件在各级荷载下裂缝局部区域等色线条纹级数和V 型条纹扩展长度的同时,采用照相机和数码摄像机分别拍摄了各级荷载下的等色线条纹图案.图3和图4分别为试件WS80-2和WS100-1在各级荷载作用下裂缝的稳定扩展过程,这些图案中的V 型条纹清楚地表明了裂缝的扩展.

根据文献[3]的研究结果,取250με作为混凝土的极限拉伸应变值,将相应的参数代入应力—光学定律可得到当试件开裂时贴片上所对应的条纹级数N :

N =2(1+νs )t c ε1S 1+t c t s ・E c E s ・1+νs

1+νc

・f s

=2(1+0121)×0126×250×10

-6

1+012620×41633015×1+01211+0139×755×10-6=0121

(1)

式中:下标c 、s 分别代表贴片和试件;t 为厚度,t C 取所有贴片厚度的平均值,即t C =0126cm ;E 、ν分别为弹性模量与泊松比;ε1s 为混凝土极限拉伸应变即250με;f ε为贴片材料的应变条纹值,f ε=755×10-6

cm Π条.根据彩色条纹序列,由文献[4]可知,当彩色条纹级数N =0121时,其所对应的

颜色介于黑色(N =0)和灰色(N =0128)之间.因此,当贴片上的颜色由黑色变为灰色时,试件已经开裂,这样,灰色V 型条纹的尖端即为试件裂缝的延伸端点.于是根据反射式光弹仪的观测记录