混凝土断裂尺寸效应的研究进展

第27卷　第1期

力　学　进　展V o l .27　N o .11997年2月25日ADVAN CES I N M ECHAN I CS Feb .25,　1997

混凝土断裂尺寸效应的研究进展3

3国家自然科学基金资助项目,国家教委博士后科学基金及电力部博士后科学基金联合资助项目.

倪玉山　张 琦

河海大学工程力学系,南京　210024提要　混凝土结构断裂破坏的尺寸效应问题是近几十年来一个十分重要的研究领域.本文分析了混凝土断裂参数产生尺寸效应的原因,讨论了断裂过程区的测试方法,对国内外提出的一些尺寸效应的分析方法进行了评述.在此基础上对混凝土断裂尺寸效应的研究提出了自己的看法.

关键词　尺寸效应;断裂;混凝土结构

1　引　言

结构断裂破坏时产生尺寸效应是各种材料均存在的一种现象.但机械、航空等部门,在实验室等体积(尺寸)结构实验较易进行,且研究更注重于预测机械结构的寿命(时间),相对把试件尺寸对结构强度的影响忽略了,故讨论金属材料断裂尺寸效应方面的文献不多[1].在土木、水利等领域则不同,由于研究的实际结构均比较大(如桥梁、大坝、岩体等结构),难以进行真实结构的系统实验,仅能在实验室进行小尺寸试件模拟,得到的试件断裂破坏结果,对真实大结构的指导意义及实用性如何,则成为广大土木、水利工作者所面临的问题之一,也即尺寸效应问题就摆在了我们面前.在结构断裂尺寸效应研究方面,混凝土材料的尺寸效应研究走在了前面,成果也较多.本文将重点讨论混凝土材料断裂的尺寸效应现象.

混凝土是一种由粗、细骨料及硬化水泥基体组成的多相材料.从微观上看,混凝土结构的显著特点是非均质,多相多孔.除骨料中含有大量微裂隙和微孔洞外,由于胶结体在水化硬化过程中受泌水作用等影响,在骨料与胶结体之间的界面区,也会形成更大尺寸的微裂隙和微孔洞,并有夹杂物,与其它材料相比,混凝土在更大尺度上表现出非均质性.界面区是混凝土强度的最弱区.混凝土材料的这一微观特征,使其结构断裂尤为复杂,传统的强度理论已难于满足其强度设计要求.60年代以后,人们相继将断裂力学和损伤力学等理论应用于混凝土的断裂分析中,并取得了有益的成果[2-6].在混凝土断裂实验中,开始人们并没有注意・

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尺寸效应问题或仅在很有限的尺寸域内探讨,因此所得的大量实验资料没有能充分反映尺寸效应这一现象[7,8].然而,随着实验研究的逐步深入,越来越多的实验指出[9,10],尺寸效应是准脆性材料(包括岩石、冰、各种复合材料、增韧陶瓷、混凝土)的固有特征.由混凝土实验得到的断裂参数不但依赖于材料性质,而且与试件尺寸有关,使得混凝土断裂参数呈现尺寸效应[11-18],这一状况已严重桎梏了混凝土断裂力学的运用和发展.所以寻找混凝土断裂参数产生尺寸效应的根源,建立不依赖于试件尺寸的混凝土断裂力学参数和相关的断裂力学模型势在必行.本文将分析讨论各种混凝土断裂参数受试件尺寸影响的原因,对混凝土断裂尺寸效应的研究方法和实验手段进行评述.

2　混凝土断裂力学参数

2.1　断裂韧度K I c

I型裂纹的断裂韧度通常由其峰值载荷,初始切口长度和相应的试件形状确定.计算断裂韧度K Ic时,一般采用紧凑拉伸试件,三点弯曲,四点弯曲试件等.大量实验结果发现[19-22],通常的断裂韧度K Ic随试件尺寸的增加而增加,它不是反映材料性质的常数.

混凝土材料断裂与金属材料的弹塑性断裂特性不同,由于微裂隙的扩展在混凝土材料宏观裂隙尖端存在一较大范围的微裂隙网络区,使得线弹性断裂力学在混凝土断裂分析中不再适用.此区域一般称为断裂亚临界扩展微裂隙过程区,简称断裂过程区.许多研究表明,其长度较大,因而在混凝土断裂力学的分析中必须考虑断裂过程区的影响.此外,徐世火良、赵国藩[23]采用体积、跨度、厚度、高度四系列的三点弯曲梁试件研究了混凝土断裂韧度的尺寸效应规律,发现试件高度是影响混凝土K Ic的主要因素,并认为引起断裂韧度尺寸效应的主要因素,恰恰就是这一断裂过程区.

2.2　临界应变能释放率G Ic

应变能释放率是产生单位裂纹表面所需要的能量,断裂韧度和临界应变能释放率的关系为

G I c=K2Ic E(1) 可以看出G I c和K I c密切相关,实验发现,G Ic和K Ic一样,也具有尺寸效应.

2.3　断裂能G f

断裂能与临界应变能释放率物理意义相同,不同处在于G I c直接由峰值载荷确定,而断裂能G f是由试件受载荷开始到破坏的全过程确定,可根据实验中记录的载荷-加载点位移全过程曲线所围面积来计算断裂能的值.

国内外的很多实验都发现,G f依赖于试件尺寸[24-26].若相对缝深相同,试件尺寸越大,G f 值越大,试件尺寸相同时,相对缝深越浅,G f值越大.

其尺寸效应的产生仍由断裂扩展产生损伤局部不稳定时的应变能释放来解释.破坏前,在断裂过程区内主要有微裂纹组成的损伤分布,该过程区最终成为主裂缝.破坏过程是由结构贮存的应变能释放率所控制,若破坏时名义应力相等,则对较大的结构,有较大的区域释放・

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应变能,即单位裂纹扩展所需的应变能较大;若真实单位裂纹扩展所需的能量近似不依赖于结构尺寸,则对较大结构,考虑应变能释放和裂纹扩展所需的能量匹配,名义应力则低.

2.4　临界裂纹尺寸

在Griffith准则中,即使假设试件无裂纹并忽略试件缺口,临界裂纹尺寸也总是隐含的.精确了解临界裂纹尺寸对确定临界应变能释放率或断裂韧度都是大有裨益的.然而,由于混凝土断裂机理的复杂性和常规断裂韧度具有尺寸效应,极限裂纹扩展方面的研究成果较少.如上讨论,断裂参数的精确确定应考虑在峰值载荷前的断裂过程区.因而,对临界裂纹尺寸的了解将有助于提高断裂韧度的精度.

2.5　极限裂纹张开位移CT OD c

金属材料中采用缺口尖端张开位移CTOD c作为韧性材料的断裂参数已有大量报道[27].对韧性材料,其塑性变形较大,CTOD主要是裂纹纯化的结果.混凝土这样的准脆性材料,由于没有大的塑性变形,CTOD的形成与韧性材料完全不同,在金属材料中采用的测CTOD值的方法,在混凝土中已不适用,混凝土的CTOD c值主要是由于较长的稳态裂纹扩展形成的,因而混凝土CTOD c值应该同极限裂纹扩展建立联系.

3　断裂过程区的测量

从上分析可知,产生断裂参数尺寸效应的原因是裂尖存在微裂缝区和主裂缝的亚临界扩展区.因此,探讨混凝土断裂机理,研究观察混凝土失稳断裂前的扩展过程就显得至关重要.为此,国内外许多学者采用不同方法,对断裂过程区进行了研究.相继采用染色法、漫射照明,电子显微镜等技术[2].最近声发射技术[28,29]和激光全息干涉法[30]等较先进技术也开始应用于混凝土断裂力学的研究中.

图1　4个传感器不同到达时间显示图

3.1　声发射方法

受载荷后,试件内部微裂纹生长,位错运动,颗粒间摩擦等局部扰动引起微震.声发射就是利用几个压电传感器采集试件受外载荷作用时发生的这一微震活动.通过传感器将声信号(机械波形式)变为电信号,电信号连接一数字震荡器,声发射点到传感器的距离决定了

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