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1、第2卷第3期建筑材料学报Vol.2,No.31999年9月JOURNALOFBUILDINGMATERIALSSep.,1999文章编号:1007-9629(1999)03-0206-06关于三点弯曲法确定混凝土断裂能的分析张东,刘娟氵育,陈兵,吴科如(同济大学混凝土材料研究国家重点实验室,上海200092)摘要:在分析三点弯曲法测量混凝土断裂能误差来源的基础上,对试验机系统进行特殊设计,可以排除绝大多数误差来源.荷载-挠度曲线下降段被截断的尾部曲线对断裂能测量结果的影响较大,采用荷载-挠度曲线下降段尾部曲线的形式估算被截
2、断的尾部曲线对断裂能测量结果的影响,基本上解释了断裂能测量结果的尺寸效应现象.关键词:混凝土;断裂能;三点弯曲法;误差中图分类号:TU528.01文献标识码:A断裂能是指形成单位断裂面所需消耗的能量,以GF表示.这一概念在用于混凝土研究之前,[1,2]已在其它材料的研究中应用.从60年代初开始随着断裂力学被用于研究混凝土力学行为,尤其是在70年代以来逐渐形成的混凝土非线性断裂理论中,断裂能GF成为描述混凝土断裂性能的主要概念,具有重要的学术意义和应用价值.一方面,随着混凝土非线性断裂理论的不断发展和成[3]熟,该理论已被越
3、来越多地引入到混凝土结构的计算、分析和设计中,使混凝土结构分析和设计更加合理、经济和安全.但是混凝土非线性断裂理论的应用必须以混凝土断裂能参数已知作为前提条件.因此,混凝土断裂能的准确测试就具有非常突出的价值.另一方面,随着混凝土材料科学研究的不断深入,混凝土材料的力学性能不断改善,混凝土抗压强度已经有可能达到100MPa以上.随着混凝土强度的提高,混凝土的脆性越来越引起研究者们的注意.2断裂能以及由之导出的特征长度lch(lch=E·GF/ft)可以作为表征混凝土断裂性能和脆性的[4]参数.通过进行系统、深入的研究,建立
4、该参数与材料内部组分和结构的关系,可以探索降低混凝土材料的脆性、改善其断裂性能的途径,最终达到研制开发出高强、低脆的高性能混凝土材料的目的.[4]从理论上讲,测量混凝土断裂能的最好方法是单轴直接拉伸法,但是,该法对试验机和试件的制作要求非常苛刻,要求试验机具有非常高的刚度,上下夹具高度对中,混凝土试件的尺寸也要非常准确.刚度稍差的机器往往不能测出荷载-位移曲线的下降段,从而无法计算断裂能,而上下夹具的对中度不好或试件制作的尺寸不准确会导致直接拉伸混凝土试件受拉截面上应力分布不均匀,严重影响测试结果的准确性和可信度.因此,单
5、轴直接拉伸法测量混凝土的断裂能难于实现.此[5][6]外,还可以采用紧凑拉伸法和三点弯曲法测量混凝土的断裂能.这两种方法都简便易行,其中[7]三点弯曲法被RILEM采纳为混凝土的断裂能测试的推荐方法.由于三点弯曲法对试验机要求不高,已经成为测量混凝土断裂能使用最多的方法.但是,许多研究发现,采用三点弯曲法确定的混[8]凝土断裂能具有明显的尺寸效应.如Hillerborg报道,试件尺寸增大一倍,断裂能测试值增加20%.试件尺寸增大两倍,断裂能测试值增加30%.关于三点弯曲法测定混凝土断裂能的尺寸效应[9～15]产生的原因,虽
6、进行了大量研究,但至今尚无定论,归纳起来有两方面看法,一是尺寸效应确[5,9,10][11～15]是混凝土断裂能的属性,二是断裂能的尺寸效应来自测量过程中的误差.收稿日期:1999-04-14作者简介:张东(1968～),男,吉林长春人,同济大学讲师,博士.第3期张东等:关于三点弯曲法确定混凝土断裂能的分析2071混凝土断裂能三点弯曲测量方法误差来源分析根据断裂能的定义,测量混凝土断裂能的实质就是测量在混凝土断裂(裂缝面形成、发展)过程中进入到断裂过程区的能量流.限于观测手段,往往不能直接准确测量该能量流。三点弯曲试验中是
7、通过测量外力在混凝土破坏过程中作的功作为该能量流的近似,而由于外力所作的功不仅仅用来提供混凝土断裂面形成所需的断裂能,根据试验系统的设计,还或多或少消耗于其他一些地方,这些均为混凝土断裂能测量的误差源.在未经特殊设计的试验机中,支座、压头等处存在不可避免的缝隙,这些缝隙在受压时被压紧,卸压时缓缓恢复,具有滞回特征.同理,试验机的其他一些部位如传感器系统,记录系统均有可能表[11]现出滞回特征.这些部位的滞回现象导致额外的能量消耗,如果在混凝土断裂能的测量结果中包含这部分能量,必然导致测量结果偏大.通过选用先进的、精度高的传
8、感器和记录系统,并且直接测量三点弯曲试件的挠度以避开试验机上支座、压头等部位变形的影响,上述误差是可以消除的.此外,流入三点弯曲试件中的能量也并非全部进入裂缝前端断裂过程区,还有部分能量消耗于[11,12]支座和压头附近混凝土压塑形变区域.通过采用试件上的不动点作为试件变形测试的参照点,可以消除上述因压
