混凝土的断裂能随断裂路径的变化规律(混凝土地面断裂的原因)

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，CIB FIP(欧洲混凝土委员会 国际预应力混凝土委员会)Mode Code 1990(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

1.1 原材料及配合比 水泥采用525^#普通硅酸盐水泥，28d抗压强度63.5MPa.超细矿渣的比表面积为600m²/kg.细集料为河砂，细度模数2.85.粗集料的压碎指标为8.3%，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0.5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

1.2 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Instron 8501进行测试。断裂能测试的加载速率为0.025mm/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。

1.3 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：

式中：P_u为峰值荷载；c_n为与试件几何尺寸有关的常数；d为试件的深度；b为试件的宽度，对于本试验尺寸相同；b和d为常数。

延性指数D_σ随断裂面的分数维变化规律如图6所示。根据本试验结果，对于不同水胶比和不同最大集料粒径的混凝土，延性指数D_σ与分数维之间均存在单调增加的关系，将D_σ对分数维回归得下式：

与式(3)不同的是，在本试验中，同时变化水胶比和最大集料粒径时，式(4)均能较好反映D_σ和D之间的关系。这样，在已知混凝土断裂面的分数维就可得混凝土的延性指数D_σ，从而可判定混凝土的脆性程度。

4 结论

(1)由于高性能混凝土采用较低的水胶比和掺合料使粗集料与界面之间粘结强度改善，强度不能完全反应其断裂能的变化，应将断裂面的分数维引入断裂能的研究中，断裂面存在分形特征；(2)在同一基体强度下，分数维随最大集料粒径的增加而增加，基体强度较低时，分数维随最大集料粒径增加较快。(3)相同基体强度时，断裂能与断裂面分数维之间有较好的线性关系。较高的基体强度使断裂能随断裂面的分数维增加较快；(4)可采用延性指数来描述混凝土的脆性，所有试件的延性指数与分数维之间有较好的线性对应关系。

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