水泥净浆和水泥砂浆材料的_型断裂韧度测定

DOI :10. 13243/j . cn ki . slxb . 2008. 01. 015

水　　利　　学　　报

　2008年1月

文章编号:0559-9350(2008) 01-0041-06

SHUILI 　　XUE BAO

第39卷　第1期

水泥净浆和水泥砂浆材料的Ⅰ型断裂韧度测定

徐世

, 朱　榆, 张秀芳

(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁大连　116024)

摘要:本文针对水泥净浆和水泥砂浆两种灌浆材料, 采用三点弯曲梁进行了不同强度、不同尺寸以及不同初始缝高比的断裂试验。根据水工混凝土断裂试验规程, 利用试验中测得的最大荷载及对应的裂缝口张开位移计算了水泥净浆和水泥砂浆的失稳断裂韧度, 并通过电阻应变片法确定的起裂荷载得到了二者起裂韧度的实测值。试验中发现, 水泥净浆并不是一经起裂就失稳破坏, 而是在失稳破坏前存在着一个比较明显的裂缝稳定扩展过程。结果表明, 随试件强度的提高, 两种材料的起裂韧度和失稳韧度均增大, 而随试件尺寸和初始缝高比的变化, 水泥净浆的起裂韧度和失稳断裂韧度都大致为常数, 表现为尺寸无关性, 但对水泥砂浆, 起裂韧度随试件尺寸的增大而减小而失稳断裂韧度基本保持不变。

关键词:接缝灌浆材料; 裂缝扩展; 失稳断裂韧度; 起裂断裂韧度; 三点弯曲梁中图分类号:TU37

文献标识码:A

近几年来, 我国的水利建设处于快速发展的时期, 取得了瞩目的成就, 建成了一大批大型水利工程, 尤其是大型高混凝土坝。继三峡工程之后, 随着南水北调和西部大开发各项大型水利交通工程的逐步进行以及施工技术的不断进步, 大型混凝土坝的高度和长度都将越来越大, 地震应力或温度应力等的影响也更加显著。根据大坝大体积混凝土的稳定条件、温控要求、施工浇筑能力以及水工结构布置等条件, 需要分缝分块浇筑, 在混凝土温度冷却到稳定温度、混凝土变形基本稳定后对分块之间的施工缝进行接缝灌浆。通过接缝灌浆, 使坝体结构具有一定的整体性和连续性, 可以改善坝体的受力条件, 提高坝基浅层抗滑稳定安全储备。目前关于接缝灌浆坝体的开裂和破坏机理及人工缝对坝体的影响的研究较多, 然而对接缝灌浆材料自身断裂特性的研究却非常有限。由于接缝灌浆部位是结构相对薄弱的部位, 在地震、温度等复杂应力作用下, 常常发生断裂破坏。为了构建断裂准则, 对接缝灌浆部位裂缝发展进行稳定性分析, 预测预报结构的安全隐患, 对灌浆材料进行断裂试验观察它们的断裂行为并测定其断裂控制参数是很有意义的。考虑到这些, 本文重点研究水泥净浆和水泥砂浆两种灌浆材料的Ⅰ型断裂特性。采用目前广泛使用的三点弯曲梁试验, 进行不同尺寸、不同强度及不同初始缝高比断裂试验, 并使用双K 断裂理论计算它们的断裂控制参数, 分析以上各参数对水泥净浆和水泥砂浆双K 断裂参数的影响。

[1, 2]

1　试验概况

1. 1　试件制作　本文分别对3种强度等级、3种尺寸及4种初始缝高比的水泥净浆和水泥砂浆试件进行了试验研究, 试件采用如图1所示的三点弯曲梁形式。各组试件尺寸及材料基本力学参数见表1, 每组试件数为6个。对于尺寸为100mm ×100mm ×400mm 的试件还制作了相应尺寸的混凝土三点弯曲梁试件, 以便与其进行对比。本试验采用的水泥为大连小野田公司生产的P . O . 32. 5R 和P . O . 52. 5R 普通

收稿日期:2007-01-15

基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50438010) ; 国家973项目(2002CB412709)

作者简介:徐世(1953-) , 陕西人, 教授, 博士, 主要从事混凝土断裂力学理论及新型材料与结构的研究。E -mail :slxu

@dlut . edu . cn

硅酸盐水泥。砂为优质硅砂, 最大粒径为1. 2m m 。石子为普通碎石, 最大粒径为20mm 。增稠剂采用山东赫达股份有限公司生产的甲基纤维素(MC ) , 黏度为4000。试件采用钢模浇注, 同时成型70. 7mm ×70. 7m m ×70. 7mm 的立方体试件6个及150mm ×150mm ×150mm 的立方体试件3个用以测定其标准抗压强度。所有试件在室温下养护48h 后拆模, 放入标准养护室(温度20℃,湿度大于90%) 养护28d , 测定其抗压强度, 同时对试件梁进行预切口, 切口深度见表1。

1. 2　试验装置及过程　试验在W KW -300液压伺服万能试验机上进行。试验采用位移加载控制, 尺寸为100m m ×100mm ×400mm 的试件加载速率为0. 05mm min , 其余尺寸试件的加载速率为0. 02mm min 。在试验中, 采用0. 7t 荷载传感器测定其荷载值, 并安装了两个夹式引伸仪分别测定试件的挠度δ和裂缝口张开位移CM O D , 其测定标距为4mm 。

为了得到起裂韧度的实测值, 本文采用了电阻应变片法。对40mm ×40mm ×160mm 的试件, 在试件两面以预制缝的延长线为对称轴, 成对等间距布置了电阻应变片, 如图2所示。除此尺寸外, 其余尺寸试件还在预制缝的延长线上布置了电阻应变片, 如图2(b ) 所示

。

图1　三点弯曲切口梁试件形式

图2　三点弯曲梁应变片布置

2. 双K 断裂参数的确定

试验测得的相同强度、相同尺寸的水泥净浆、水泥砂浆和混凝土的P -C MO D 曲线如图3所示。从中可以看出三者具有相似的P -CM O D 曲线形状, 且都可以分为3个部分:(1) 试件开裂前的线弹性阶段; (2) 试件开裂后到失稳破坏前裂缝稳定扩展的非线性阶段; (3) 试件失稳破坏后的裂缝失稳扩展阶段。由此可见, 三者具有相同的破坏形式, 都是裂缝先起裂, 经过裂缝稳定扩展阶段, 而后进入失稳破坏。文中采用双K 断裂理论计算它们的断裂控制参数, 该理论是由徐世程》

[7]

和Reinhardt

[3～6]

在试验研究的基础

上提出的用于裂缝发展全过程稳定分析的断裂判据。在2005年制定的《水工混凝土断裂韧度试验规

中, 双K 断裂理论是主要的理论基础。该理论不仅形式简单理论完备, 而且具有较高的可操作

[6]

性, 只需对单个试件进行单调加载。对于标准三点弯曲梁试件, 从试验中测定了P -C MO D 曲线后, 可由以下步骤计算双K 断裂参数下式计算

E =

2π1

3. 70+32. 60tan V

2h Bc i

。

(1) 弹性模量E 的确定。从实测的P -CM O D 曲线的初始线性段得到初始柔度c i 后, 弹性模量可用

(1)

式中:c i =CMO D i P i ; V h =(a 0+H 0) (D +H 0) ; a 0为预制缝长或者初始缝长; D 为梁的深度; B 为梁的厚度; H 0为刀口的厚度。

(2) 临界等效裂缝长度a c 的确定。根据线性渐近叠加假定, 将最大荷载P max 和其对应的临界裂缝张开口位移CM OD c 代入如下公式计算

a c =

(D +H 0) arctan π

B E CM OD c

-0. 1135-H 0

32. 6P max

(2)

　　(3) 失稳断裂韧度K Ic 的确定。失稳断裂韧度采用下式计算3P max S

c F 1(V c ) 2D B

1. 99-V c (1-V c ) (2. 15-3. 93V c +2. 7V c )

式中:F 1(V c )=。(1+2V c ) (1-V c )

K Ic =

u n

ini

(3)

(4) 起裂断裂韧度K Ic 的确定。当通过试验测得了起裂荷载P ini 后, 只需将其和初始裂缝长度a 0代替P max 和临界裂缝长度a c 代入到式(3) 就可得起裂韧度K Ic 。

显然, 当获得了实测的P -CM O D 后, 联立式(1) ～式(3) , 失稳断裂韧度就能确定。对于起裂韧度,

起裂荷载的确定是关键。本文根据裂缝尖端两侧荷载应变关系来确定, 以图4来说明。图4给出了某一试件裂缝尖端某一侧荷载与应变关系曲线, 当试验的试件处于弹性阶段, 随着荷载的增加, 应变也增加, 荷载与应变呈线性比例, 此时裂缝没有发展。一旦裂缝发展, 初始裂缝尖端两侧附近点的应变由于应力释放开始回缩, 曲线上反映拉应变开始减小, 而荷载继续增加, 此时所对应的荷载就认为是起裂荷载, 如图4所示。由于试件两面可能不同时开裂, 本文取试件两面根据应变荷载曲线确定的起裂荷载的平均值作为该试件的起裂荷载, 结果汇总在表1。

表1　试件的基本参数及试验结果

试件类型

试件编号P2016A P4016A

P6016A M2016A M4016A M6016A

P4028B M4028B P2040C P4030C P4040C P4050C P4055C P6040C M2040C M4030C

M4040C M4050C M4055C M6040C C2040C C4030C C4040C C4050C C4055C C6040C

试件尺寸 mm B ×D ×S 40×40×16040×40×16040×40×16040×40×16040×40×16040×40×16070×70×28070×70×280100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400100×100×400

试件数量(个) 6566

[***********]4544

抗压强度 MPa 23. 5742. 7770. 1733. 7647. 7570. 0742. 7747. 7523. 5742. 7742. 7742. 7742. 7770. 1733. 7647. 7547. 7547. 7547. 7570. 0733. 3644. 6544. 6544. 6544. 6557. 90

a 0 D 0. 400. 400. 400. 40

0. 400. 400. 400. 400. 400. 300. 400. 500. 550. 400. 400. 300. 400. 500. 550. 400. 400. 300. 400. 500. 550. 40

P ini kN 0. 1150. 1500. 2140. 665

0. 7420. 8410. 5281. 2210. 5910. 6920. 5360. 5920. 2871. 0841. 7402. 0752. 0301. 4031. 3752. 5992. 9774. 2093. 8682. 6002. 4953. 654

K ini Ic

(MPa ·m 1)

in i

a c D 0. 5400. 5690. 5560. 481

0. 4890. 4880. 4870. 4900. 5660. 5190. 5610. 6770. 7100. 5380. 5460. 4840. 5730. 6120. 6910. 5730. 5160. 4560. 5240. 6090. 6680. 537

P max kN 0. 1810. 2160. 2700. 698

0. 8781. 0050. 5571. 5710. 8451. 0650. 8930. 8020. 4321. 3812. 7223. 4112. 8521. 6701. 8493. 6663. 9675. 6974. 4433. 3272. 7524. 574

K un Ic

(MPa ·m 1 )

0. 1130. 1490. 2120. 659

0. 7350. 8330. 2260. 5230. 1480. 1330. 1340. 1990. 1140. 2720. 4360. 3990. 5090. 4730. 5470. 6520. 7460. 8100. 9700. 8760. 9920. 916

0. 2760. 3610. 4370. 878

1. 1331. 3000. 3190. 8750. 3540. 3860. 3690. 5340. 3530. 5161. 0691. 0981. 2410. 8331. 3071. 6001. 4111. 7021. 6251. 6571. 7581. 747

3　试验结果分析

表1列出了试验试件的尺寸、强度、初始缝高比、试验测得的最大荷载、起裂荷载以及由此计算获得

图3　不同材料试件的P -CM OD 曲线

图4　起裂荷载的确定

的双K 断裂参数。为了更直观的了解尺寸、强度和初始缝高比对水泥净浆和水泥砂浆双K 断裂参数的影响。由表1的结果绘制成图5～图9

。

图5　不同尺寸类型下抗压强度对水泥净浆和水泥砂浆断裂韧度的影响

3. 1　抗压强度的影响　图5为抗压强度对两种不同试件尺寸的水泥净浆和水泥砂浆双K 断裂参数的影响。从图5可以看出, 对于尺寸类型为A (40mm ×40mm ×160m m ) 和尺寸类型为C (100mm ×100mm ×400mm ) 的水泥净浆和水泥砂浆试件, 虽然同组试件之间具有离散性, 但就其平均值来看, 起裂韧度和失稳韧度都随着抗压强度的提高而增大, 且抗压强度提高的越多, 起裂韧度和断裂韧度值增加的就越大。这表明随着强度的提高, 水泥净浆和水泥砂浆起裂和失稳所需要的能量都会提高, 试件抵抗裂纹的扩展能力也会提高, 这与混凝土所表现出的规律是一致的(见图6)

。

图6　抗压强度对混凝土断裂韧度的影响　

3. 2　试件尺寸的影响　图7为相同强度(水泥净浆为42. 77MPa , 水泥砂浆为47. 75MPa ) 的水泥净浆和水泥砂浆的起裂韧度和失稳断裂韧度随试件高度的变化关系。从图中可以看出, 水泥净浆起裂韧度和失稳韧度基本不随试件高度的变化而变化, 水泥砂浆的失稳韧度也基本与试件的高度无关, 但水泥砂浆的起裂韧度却随着试件高度的增大而表现出下降的趋势。由于本文试件尺寸的种类有限, 这个问题还

有待于进一步的研究分析

。

图7　试件高度对水泥净浆和水泥砂浆断裂韧度的影响

3. 3　初始缝高比的影响　对于相同尺寸(40mm ×40mm ×100mm ) 、相同强度(水泥净浆为42. 77MPa , 水泥砂浆为47. 75MPa ) 的水泥净浆和水泥砂浆梁, 试件初始缝高比对它们断裂韧度的影响见图8。从图8可以看出, 试件初始缝高比对二者的起裂韧度和失稳韧度几乎没有影响, 这与混凝土材料的特性是一致的

[8, 9]

, 本文也给出了试验中所得到的试件初始缝长对混凝土起裂韧度和失稳韧度的影响, 见图9。从

图9可以发现, 混凝土的起裂韧度和失稳韧度具有一定的离散性, 但他们所表现出的离散性要小于水泥净浆和水泥砂浆的离散性, 尤其是失稳韧度, 这表明混凝土中的粗骨料可以很好地抑止材料的收缩, 减小收缩裂缝对材料断裂韧度的影响。当试件的初始缝长变化时, 混凝土的起裂韧度和失稳韧度表现为不变的趋势

。

图8　

初始缝高比对水泥净浆和水泥砂浆断裂韧度的影响

图9　初始缝高比对混凝土断裂韧度的影响

由图5、图7和图8可以看出无论是水泥净浆还是水泥砂浆, 它们的失稳韧度和起裂韧度之间都存在一定的差值, 因此严格意义上讲二者并不是理想的脆性材料(一经起裂便失稳破坏) , 而是像混凝土一

[10, 11]

样也要经过一个裂纹的稳定扩展阶段才会到达失稳破坏。

4　结论

对于本文研究的两种材料, 试验结果表明:随着抗压强度的增加, 起裂韧度和失稳韧度都增加, 且抗压强度增加的幅度越多, 起裂韧度和失稳韧度的增加值也越大; 随着试件尺寸的变化, 水泥净浆的起裂韧度和失稳韧度以及水泥砂浆的失稳韧度都变化不大, 可认为与试件尺寸无关, 但水泥砂浆的起裂韧度呈现下降趋势; 初始缝高比的变化对水泥净浆和水泥砂浆几乎没有影响。

试验的结果也发现, 与混凝土材料相比, 水泥净浆和水泥砂浆失稳韧度的离散性要大于起裂韧度的

离散性, 这可能由于它们不含骨料或是骨料的粒径很小, 收缩对它们的影响较大。由于收缩裂缝的存在, 导致它们的裂纹扩展路径发生不同的变化, 进而影响其失稳韧度实测值的稳定性。参　考　文　献:

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Determination of mode I fracture toughness of cement paste and mortar

XU Shi -lang , ZHU Yu , ZH ANG Xiu -fang

(Dal ian Univ ers ity of Technology , Dalian 　116024, C hina )

A bstract :The three -point bending bea m fracture test for cement paste and mortar specimens with differ ent strengths , dimensions and initial crack -depth ratios was carried out . According to the measured maximum load P max and the corresponding crack mouth opening displacement CM OD c the unstable fracture toughness K Ic of cement paste and mortar were evaluated . The initial fractur e toughness K Ic was measured by electric resistance strain gauge tec hnique . The obser vation shows that apparent stable crack

in i un

pr opagation occurred prior to the unstable failure . The test r esults show that the K Ic and K Ic of cement paste and mortar increase with the increase of compression strength . The K Ic of cement paste keeps constant with the change of bea m depth and initial crack -depth ratio and is independent of size . While for mortar , with the increase in bea m depth the K Ic does not change , but the K Ic decreases .

Key words :joint -gr outing material ; crack propagation ; unstable fracture toughness ; initial fracture toughness ; three -point bending beam

(责任编辑:王冰伟)

ini in i

u n

ini