混凝土的断裂能随断裂路径的变化规律

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1、混凝土的断裂能随断裂路径的变化规律作者简介：严安(1974-)，男，安徽人，主要研究方向：混凝土材料断裂面的统计特征和分形特征，混凝土材料的耐久性。自混凝土断裂能这一概念由Hillerborg的虚拟裂纹模型FCM提出以来，人们就一直寻找一个简单易得的力学参数来描述它的变化，其中用得最多的力学参数是混凝土的抗压强度，很多学者相继建立了断裂能与混凝土抗压强度之间的关系[1-3]。由于相对其它力学参数而言，抗压强度容易得到，为了便于断裂能的应用，CIBFIP(欧洲混凝土委员会国际预应力混凝土委员会)Mod

2、eCode1990(MC90)中也采用抗压强度与断裂能之间建立关系[4]。但是，混凝土的断裂能与其它力学性能一样受多种因素影响，最近一些研究结果表明：对于高性能混凝土，特别是掺混合料的高性能混凝土断裂能与抗压强度之间的单调增加关系可能不再存在[5—7]。这些研究一般认为产生此现象的原因是由于强度的增加而使断裂路径发生转变。由于混凝土材料是一非均质的准脆性材料，其断裂后的断裂面的不规则性可以用分形几何进行描述[8-9]，为了研究混凝土的断裂能随断裂路径变化的规律，本文利用自行设计的测试装置对试件断裂能

3、测试后的断裂面进行分析，将断裂能与断裂面的分数维联系起来，以期利用分数维研究断裂能变化的机理。除此之外，利用分数维研究了高性能混凝土的脆性，为了能反映混凝土的脆性程度，采用断裂能与名义应力之比这一参数作为混凝土脆性的度量，建立该参数与断裂面分数维之间的关系。1试验过程原材料及配合比水泥采用525#普通硅酸盐水泥，28d抗压强度超细矿渣的比表面积为600m2/kg.细集料为河砂，细度模数粗集料的压碎指标为%，最大粒径分别为：5mm、10mm、16mm、20mm.采用高效减水剂改善混凝土的和易性。表1中

4、的配合比选用两种水胶比，每种水胶比对应4种粗集料的最大粒径。每种配合比用6个100mm×100mm×100mm和3个缝高比为的100mm×100mm×500mm的试件分别测试28d的抗压强度、劈拉强度和断裂能，所有试件均在成型一天后放入标准养护室内养护28d后等待测试。表1混凝土配合比　　系列水泥/(kg/m3)矿渣/(kg/m3)石子/(kg/m3)砂/(kg/m3)水胶比　　HPC-442671151110740HPC-26472202948632　　　　注：水胶比即水与胶凝材料(包括水泥和矿渣

5、)的质量比　　力学性能测试抗压强度和劈拉强度采用普通的万能试验机进行测试，断裂能采用闭环反馈控制的Instron8501进行测试。断裂能测试的加载速率为/min，加载到试件完全断为止。试验过程按照RILEM中关于断裂能的测试步骤进行。断面测试和断面参数计算对断裂能测试后的试件断裂面(韧带部分)用自行研制的混凝土断裂面三维轮廓测试系统进行测试，详细过程见文献[11]。研究表明：混凝土的断裂面是极端不规则的，表面存在一定的分形特征[12—13]。这里采用Mandelbrot盒子法基础上的投影面积法，这种

6、方法是采用对断裂面用不同大小的面积投影单元覆盖，计算覆盖表面积的变化来确定分数维的。对于不同的面积投影单元可得到不同的测量表面积，具体分数维的计算公式如下：Δpatch=2-logA(r)/logr(1)　　式中:Δpatch——投影面积法得到的分数维;r——网格单元的尺寸;A(r)——对应于网格尺寸r时的断裂面面积。　　典型的面积-尺度关系如图1所示，图1的logA与logr线性关系很好(图中的单位无量纲，分别为覆盖面积除以投影面积和尺码除以原始尺码)，说明断裂面具有分形特征，将logA对logr

7、回归直线的斜率的绝对值加2即为断裂面的分数维。2试验结果　　各组试件试验结果的平均值见表2.表中抗压强度(fc)、劈拉强度(fst)均为实测值。图1面积的对数与测量尺码对数的关系　　　　从表2可以看出，当最大集料粒径为16mm时，HPC-44-16的抗压强度低于HPC-26-16的抗压强度，而HPC-14-16的断裂能则高于HPC-26-16的断裂能。如采用MC90的公式：GF=αd·fc(2)　　式中：αd与集料粒径有关，在相同集料粒径下，强度高的混凝土断裂能大，这与试验结果相矛盾。文献[5]也表

8、明，对于最大粒径为16mm的不同品种粗集料，抗压强度变化不能反映断裂能的变化规律。文献[6-7]中的数据表明，在相同粒径下，对于粗集料最大粒径分别为10mm和20mm的含与不含硅粉混凝土，具有较高强度掺硅粉混凝土断裂能比强度较低不掺硅粉和混凝土断裂能低。表2力学性能和断裂面的分数维　　编号抗压强度/MPa劈拉强度/MPa断裂能/(N/m)延性指数/m-3分数维　　HPC-44-5HPC-44-10160HPC-44-16HPC-44-20212HPC-26-5HPC-