刘 晨 朱俊杰

(1.达州市达川区房屋征收局，四川 达州 635000； 2.西南科技大学,四川 绵阳 621000)

混凝土劈拉破坏机理研究

刘 晨1朱俊杰2

(1.达州市达川区房屋征收局，四川 达州 635000； 2.西南科技大学,四川 绵阳 621000)

通过对混凝土进行巴西圆盘劈裂试验，测试了混凝土的抗拉强度，获取了试验试件的破坏形态、加载力—位移曲线，并对试验后混凝土试件破坏界面进行了分析，结果表明：巴西圆盘劈拉试验中，其破坏面上主要是砂浆和骨料界面的粘结破坏和骨料的断裂，水泥砂浆和骨料的力学性质，以及它们的几何分布都对劈拉试验中试件裂缝的形成和发展有重大影响。

混凝土，巴西圆盘，劈拉强度，破坏机理，裂纹

0 引言

混凝土是由胶凝材料(水泥等)、骨料(砂、石等)、水以及其他组分(外加剂、掺合料等)按适当的比例配合，拌制成混合物，经过一定时间硬化而成的[1]。因此，混凝土的力学和物理性质既取决于其各组分的性质、配合比以及各相之间力学、物理或化学的相互制约机理等要素，又与制作工艺(搅拌、成型、养护等)和周围环境等有关系[2]。

抗拉强度作为混凝土材料的基本力学性质参数之一，在混凝土力学本构关系和强度理论研究、工程实际应用中都有着不可替代的作用。混凝土类材料的拉伸强度测试最常用的方法是间接法[3-5]，其中巴西圆盘劈裂试验法是较为常见的一种，这种方法也被列入了我国的国家标准和行业标准等权威性文件中，用于规范相关行业的试验。虽然对于混凝土力学特性已经开展了大量研究，但对于混凝土受拉破坏的机理分析却相对较少。传统的研究方法通常是基于混凝土材料为均质的各向同性的假设，其力学行为的描述与材料自身的结构无关。然而，实际上混凝土是由粗细骨料和水泥砂浆构成的多相材料，其宏观力学性能受其微观结构的控制。

本文对设计强度为C30的混凝土巴西圆盘试件进行了准静态劈裂试验研究，测试混凝土的抗拉强度，并获取了试验试件的破坏形态、加载力—位移曲线，通过对试验后混凝土试件破坏界面进行分析，来研究混凝土的受拉破坏机理。

1 试验原理和方案

1.1 巴西圆盘劈裂试验原理

1)Griffith强度准则。Griffith强度准则是以最大主应力和最小主应力的组合情况计算等效Griffith应力：

(1)

其中，规定主应力符号以拉为正，压为负，且σ1≥σ2≥σ3。混凝土抗拉强度为σT，当σG≥σT时，材料破坏。

2)对径受压圆盘试样。

巴西圆盘劈裂试件受力时(如图1所示)，通过弹性力学对其求解得：

(2)

文献[5]从理论上证明了在巴西圆盘劈裂中，试件最先由圆心处开始破裂，在圆r1=r2=d/2,θ1=θ2=0时，由于试样属于脆性材料，其破坏遵从Griffith强度推测式(1)，可以求得σx，σy，σz，再由:

(3)

则可得到巴西圆盘劈拉试验的计算公式：

(4)

式(4)说明在圆心处该点的压应力只有拉应力的3倍，对于混凝土的材料性质，抗压强度远远大于抗拉强度。因此认为试件是受拉破坏而非受压破坏，即可得到混凝土巴西圆盘劈裂强度计算公式：

(5)

其中，σT为试件抗拉强度；Pt为试件破坏时的压力荷载；d为试件直径；h为试件厚度。

1.2 试件的制作

实验配制混凝土采用水泥为四川省安县中联水泥有限公司中联水泥厂生产的“中联”牌P·C32.5R普通硅酸盐水泥；细集料采用天然河砂，细度模数为2.6，级配范围为Ⅱ区；所用粗集料为碎石，最大粒径为16 mm，级配连续；采用自来水进行拌合。试件设计尺寸为φ117 mm×80 mm的圆柱形试件，4个试件为一组，使用钢模进行浇筑，1 d后脱模，并立即按照标准养护方法养护28 d。混凝土设计强度为30 MPa，混凝土配合比见表1。养护结束后，测得混凝土抗压强度为28.65 MPa。

表1 混凝土的配合比

1.3 试验方案

1)试验采用WAW-E600型微机控制电液伺服万能试验机(最大测试荷载为600 kN)及一对刚度较试件大10倍的上下夹具构成该试验装置，从而确保当试件受拉超过最大承载能力后，不会出现因试验机弹性势能的迅速释放而导致试件突然拉断。

2)巴西圆盘劈裂试验存在多种加载方式，本文中采用试件与试验机加载平台直接接触的加载方式。

3)试验时，先将试件表面和上下承压板面清理干净，并在试件加载接触面和试验机加载平台上涂抹锂基脂油以减小端部的摩擦，将试件放在试验机下压板的中心位置，开动试验机，以0.05 mm/min的速度将试验机加载平台与试件夹紧，当试件与压板接触均衡时，对试验机采集的位移、加载力和时间项归零，完成后即可以0.2 mm/min的速度加载进行劈裂试验。试验中测试到的加载力、加载位移及时间由控制试验机的计算机直接以表格的形式输出。

2 试验结果

2.1 劈拉强度

图2为巴西圆盘试件进行劈裂试验得到的加载力与加载位移曲线，从图2中可见，加载初期时，曲线的斜率较小，而后逐渐增大，然后加载曲线的斜率基本达到稳定，这也反映了加载的连续均匀性。当加载力达到一定值时，加载力突然明显下降，试件发生破坏，继续加载，试件仍然具有一定的承载力，这是由于试件发生劈拉破坏时，试件并没有崩开成几块，裂开的试件块，由于相互之间的摩擦使得试件仍具有一定的承载能力。计算劈拉强度时，取加载力第一次达到峰点时的数值。

根据1.1节的理论，将试件的直径d、厚度h和试验获得的峰值压力Pt带入式(5)计算即可得到混凝土劈拉强度值。表2为试验试件的劈拉强度计算结果。

表2 混凝土抗拉强度计算结果

试件编号劈裂压力Pt/kN劈拉强度σT/MPaN140.892.78N254.123.68N349.573.37N438.472.62

根据国家规范[6]处理劈裂试验数据的标准：三个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值；每组三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍除，取中间值作为该组试件的抗拉强度值；如最大值与最小值与中间值的差均超过中间值的15%，则该组试件的试验结果无效。取N1,N2,N3的试验数据进行劈拉强度计算，则N组试件的有效劈拉强度为3.28 MPa。

2.2 破坏现象

通过对劈裂试验过程中混凝土表面的破坏现象和破坏面的详细观察和记录，对于试验中混凝土的破坏现象，归纳如下：

1)在加载过程中，随着加载力的逐渐增大，当加载力达到某一值时，试件中心处会出现一条微裂纹，而后，随着加载力的继续增大，裂纹逐渐扩展，最终形成一条与试件中心线几乎重合的宏观裂缝，图3是试验试件的破坏现象。

2)在劈拉试验中，试件劈裂形成一个基本平直的劈裂面，该劈裂面与加载平台几乎垂直。轻微用力即可把试件沿劈裂面分开成两块，仔细观察内部破坏情况，可发现：破坏面较为平直，主要是砂浆和骨料界面的粘结破坏和骨料的断裂。混凝土的破坏过程是其内部裂缝萌生、扩展、贯通而失稳的过程。一般认为，混凝土试件在受力之前就存在着孔隙、粘结裂缝等初始缺陷。在外拉力作用下，这些初始缺陷处将产生应力集中。首先主要是在薄粘结界面处发生逐步破坏，然后主要是水泥胶合物发生逐步破坏[7]。而在本试验中，不仅是粘结界面破坏较多，骨料断裂的情况也较多。

3)通过网格覆盖法统计分析骨料的断裂破坏情况，如图4所示。劈裂面面积约为1 350个网格，而断裂的骨料约占147个网格，骨料断裂的情况约占破坏面总面积的11%。

在普通混凝土中，骨料刚度和强度大都大于硬化水泥砂浆的刚度和强度。在给定荷载下，裂缝从处于薄弱界面向砂浆中发育，当裂缝在水泥砂浆中扩展遇到骨料时，会受到阻碍。此时，可将劈裂面的裂纹简化为Griffith裂纹，如图5所示。

设2C为水泥砂浆中原始裂缝长度，当应力达到σc时，裂缝按式(6)要求扩展：

(6)

其中，γsj为水泥砂浆的内聚能;E为水泥砂浆的弹性模量。

现假定裂缝生长C1或C2时，遇到骨料，则裂缝进一步扩散需满足能量平衡准则，即:

G=Gc

(7)

其中，Gc=2γg，γg为骨料的内聚能。

对于纯Ⅰ型问题：

(8)

对于K1，有：

(9)

联立式(7)～式(9)可以得到裂缝穿过骨料的时候，所需达到的应力：

(10)

通过式(10)可见，裂缝的扩展发育不仅取决于混凝土中水泥砂浆和骨料的力学性质，而且也取决于它们的几何分布。

对于试验中出现比较多的骨料断裂现象，分析认为可能是由于碎石骨料在制备的过程中，原石被破碎成较小粒径，制备时碎石骨料已经受到损伤，其表面自由能值大幅度地降低。当试件内部应力超过σ时，裂缝穿过骨料，导致在劈裂试验中出现较多的骨料断裂。

3 结语

通过对巴西圆盘试件进行准静态劈拉试验，可以得到以下几点结论：

1)抗压强度为28.65 MPa的混凝土，通过巴西圆盘劈拉试验测得其静态劈拉强度为3.28 MPa，混凝土试件劈裂形成的裂缝沿着试件的中心线进行扩展，最终形成的宏观裂缝与加载方向几乎完全重合。

2)巴西圆盘劈拉试验中，其破坏面上主要是砂浆和骨料界面的粘结破坏和骨料的断裂。水泥砂浆和骨料的力学性质，以及它们的几何分布都对劈拉试验中试件裂缝的形成和发展有重大影响。

3)碎石骨料在制备过程中已经受到损伤，其表面自由能值大幅降低，导致在劈裂试验中出现较多的骨料断裂。

[1] 朱伯龙.混凝土结构设计原理[M].上海：同济大学出版社,1992.

[2] 闰晓鹏.混凝土静态和动态力学性能的试验研究[D].太原:太原理工大学，2013..

[3] ISRM. Suggested Methods for Determining Tensile Strength of Rock Materials [J].Ini.J.MeehMin.Sei.& Geomeeh.Abstr，1978(15):99-103.

[4] ASTMC496-85.Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens[J].Annual Book of ASTM Standards 4,1986(04.02):337-342.

[5] 屈 嘉.钢纤维混凝土劈拉强度的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[6] GB/T 50081—2002,普通混凝土力学性能试验方法标准[S].

[7] 丁晓唐,王 磊,刘海霞,等.确定混凝土受拉应力—应变全曲线的一种新型试验方法[J].水电能源科学,2013(12):33.

[8] 张晓敏.断裂力学[M].北京：清华大学出版社,2008.

Research of concrete split and tensile failure mechanism

Liu Chen1Zhu Junjie2

(1.InstitutionofDachuanAreaHouseAcquisitioninDazhou,Dazhou635000,China;2.SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang621000,China)

By means of Brazilian disk splitting test, the tensile strength of concrete were tested failure mode of test piece and loading force-displacement curve is presented. Analyzing interfacial failure of concrete test piece, it turns out that bonding failure and aggregate breakage of mortar and aggregate interface is primary on the failure surface. In addition, mechanical properties of cement mortar and aggregate, as well as geometric distribution, has a great influence on test piece tears’ formation and development.

concrete, Brazilian disk splitting, split and tensile strength, failure mechanism, tear

1009-6825(2015)32-0109-03

2015-09-01

刘 晨(1989- )，男，硕士，助理工程师

TU528.2

A