混凝土断裂能尺寸效应研究综述

混凝土断裂能尺寸效应研究综述

刘志强

安徽建工集团蚌埠建材有限公司 安徽 蚌埠 233000

摘要：裂缝是混凝土建筑物常见的问题之一，严重时会引发混凝土材料的损伤，在一定程度上影响了建筑物的安全性。因此，混凝土裂缝的研究对建筑物安全性评价具有重要的工程意义。本文对混凝土断裂能尺寸效应进行分析，以供参考。

关键词：混凝土；断裂能；尺寸效应

引言

混凝土是当今世界用途最广、用量最大的基础材料，随着现代土木工程向超高、超长、高抗力和高耐久发展，对韧性和防裂提出了更高的要求。混凝土是一种准脆性材料，韧性差、延性小，且随着抗压强度的提高，其脆性特征更加明显，容易导致开裂等问题。混凝土一旦开裂，不仅加速有害介质的传输速率，加剧材料自身性能劣化和钢筋锈蚀，大大缩短构筑物的服役寿命;而且降低承载能力，严重影响强地震和飓风等极端荷载作用下的结构安全性。混凝土的折压比或拉压比，以及断裂能是重要的韧性指标，其折压比或拉压比越高，抵抗初始开裂的能力越强;其断裂能越高，抑制裂缝扩展的能力越好，抵抗变形能力越强。

1混凝土增韧防裂

1.1增韧防裂原理

纤维-基体界面作用机制是传递纤维与混凝土基体间应力的关键，影响纤维混凝土增韧防裂行为，决定宏观增韧防裂效果。纤维-基体界面作用依次经历三个阶段，即弹性阶段，弹性黏结-脱黏滑移阶段和脱黏滑移阶段。在第一阶段，纤维与混凝土基体共同决定初始裂缝的形成，但纤维对于混凝土初始裂缝抑制的提升效果仅有10%～20%，后两个阶段决定了纤维对混凝土韧性的提升效果。纤维-基体的界面作用力的提升可以通过提高混凝土基体强度、强化界面过渡区以及提高纤维强度、模量和亲水性实现。

1.2装配式结构快速拼装

UHPC应用于装配式结构节点连接，可以避免核心区发生剪切破坏，同时拟静力加载过程中，塑性铰会上移，最大位移角可达5%，残余变形可降低20%，具有“等同现浇”的抗震性能。通过聚合物基体和纤维协同增韧，Vf2.5%纤维掺量下，UHPC极限拉伸应变可超0.5%，平均缝宽为15μm，拉伸强度可达15MPa以上，突出的拉伸断裂能可以显著抑制钢筋拔出时裂缝的扩展，进而降低钢筋锚固长度至3～5d。该技术己成功应用于宁波机场路南延、嘉兴市区环线等一批城市快速路工程，实现了钢筋的“免焊接、免绑扎”简易高效连接，创新了装配式结构节点连接新型式

2多壁碳纳米管增强混凝土的断裂性能

2.1方法

混凝土配合比采用控制变量法设计，变量为MWCNTs掺量(水泥的质量分数)，混凝土的制备方法如下：采用超声分散法和表面修饰法相结合的综合分散法分散MWCNTs，将MWCNTs浆料、分散剂TNWDIS及水倒入烧杯中，采用FS-750T型超声波分散仪进行超声分散10min，为了防止因分散液温度升高导致MWCNTs碰撞概率增大从而发生团聚现象，采用冰水浴对其进行控温，温度设置为20℃，即可得到分散均匀稳定且不易团聚的MWCNTs分散液；将水泥、砂、碎石倒入混凝土搅拌器中干搅拌120s；将MWCNTs分散液倒入混凝土搅拌器中搅拌120s；将混凝土装入模具中，放置在振动台上振动密实。

2.2MWCNTs增强混凝土的抗压及劈裂抗拉强度

与对照组相比，当MWCNTs的掺量为0.05%、0.10%、0.15%时，混凝土的7d和28d抗压强度分别提高了2.1%、3.9%、2.3%和0.6%、1.7%、1.9%，混凝土的7d和28d劈裂抗拉强度分别提高了5.1%、17.8%、15.7%和3.3%、11.7%、10.0%。对比分析混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的结果，MWCNTs对抗压强度的提升效果十分有限，对劈裂抗拉强度有较为明显的提升效果。对比分析不同龄期的提升效果可以发现，MWCNTs对7d混凝土强度的提升效果相对明显，对28d混凝土强度的提升效果相对较弱。

2.3MWCNTs改善混凝土的机制

MWCNTs对水泥基材料的的增强机制主要有成核作用和填充作用和桥接作用。成核作用会影响水泥的水化过程，使水化产物结晶度提高；填充作用会使材料的孔隙率降低，孔径分布更加均匀；桥接作用会抑制材料内部微裂缝的扩展。这些因素综合作用从而提升材料的宏观性能。MWCNTs对混凝土劈裂抗拉强度的增强效果比抗压强度的增强效果好，其原因是MWCNTs是一种长细比较大的纳米级纤维，拉伸性能优异。在压应力作用下，长细比较大的MWCNTs发挥的性能有限。但在拉应力作用下，MWCNTs连接裂缝两侧进而约束裂缝的扩展，能充分发挥MWCNTs的拉伸性能。

3断裂能的尺寸效应

3.1试件高度对混凝土断裂能的影响

对部分关于试件高度对混凝土断裂能影响的结果进行了统计，随着试件高度的增加，断裂能不断增加。当梁高从100mm增加到400mm时，混凝土断裂能随梁高的增大而增大，当梁高达到500mm时，断裂能不再增加。三点弯曲梁试验中，小骨料一级级配试件的断裂能随着梁高的增大呈先增大后减小的趋势，二级级配及全级配试件则无明显尺寸效应，而楔入劈拉试验所有级配试件的断裂能均随梁高增大而增大，梁高为1m时断裂能开始减小。断裂能在试件高度超过1500mm后没有尺寸效应，大坝混凝土断裂能时也得出相同结论。分析可知，此现象的原因是试件高度较高，截面上的骨料含量较多，裂缝扩展途径的曲折度及长度增加，试件在破坏过程中产生更多的微裂纹，微裂区的尺寸也相应较大，使得实际开裂面积与标称断裂面积之比较高，导致混凝土断裂能增大。而梁达到特定高度时，裂缝得到充分扩展，即使试件高度再增加，断裂能也不会继续增加。另外，也有少数研究与以上结论不同，混凝土的断裂能基本不随试件高度变化。

3.2试件缝高比对混凝土断裂能的影响

缝高比是指初始裂缝长度与试件高度的比值，是影响混凝土断裂能的主要尺寸参数之一。对现有文献的试验结果进行统计分析，断裂能随着试件缝高比的增大而减小。这主要是因为在缝高比较大的试件中，试件的有效高度过小，Ⅰ型（张开型）裂缝的比例较多。在小缝高比试件中，不仅存在Ⅰ型裂缝，还可能存在Ⅱ型（滑移型）和Ⅲ型（撕裂型）裂缝，相比较而言，小缝高比试件断裂需要更多能量。混凝土三点弯曲梁试件的断裂能与缝高比呈非线性关系，当缝高比为0.3或0.4时，断裂能最大，断裂能随缝高比的变化不明显。OHNO等[26]研究了几种大骨料（最大粒径为5mm、10mm、20mm）试件的缝高比（0.3~0.8）对混凝土断裂能的影响，发现缝高比在0.3~0.5时，无论骨料的最大粒径如何，混凝土试件的断裂能几乎是恒定的；缝高比在0.5~0.8时，混凝土试件断裂能的下降程度基本相同。

结束语

通过对混凝土微结构的观测发现，MWCNTs在混凝土内具有一定的桥接作用。MWCNTs能和水泥水化产物很好的结合在一起，桥接混凝土里的微裂缝和改善骨料界面过渡区，在微裂缝间形成一定的黏连结构，延缓微裂缝的扩展，进而改善混凝土的断裂性能。

参考文献

[1]兰晓芳.基于扩展有限元的钢纤维混凝土断裂破坏数值研究[D].郑州大学,2019.

[2]李冬,金浏,杜修力,刘晶波.考虑材料层次尺寸效应影响的混凝土力学性能理论预测方法[J].水利学报,2018,49(04):464-473.

[3]赵怡琳.混杂纤维对超高性能混凝土增强增韧影响的研究[D].北京交通大学,2017.

[4]杨娟.含粗骨料超高性能混凝土的高温力学性能、爆裂及其改善措施试验研究[D].北京交通大学,2017.

[5]郭江.基于材料细观界面特征的沥青混凝土试件开裂过程数值模拟[D].东南大学,2017.