大坝和湿筛混凝土的三点弯曲切口梁断裂和起裂载荷试验

　　国内外大量的研究表明:混凝土的断裂过程分为起裂、稳定扩展和失稳扩展.使用传统的单参数判据,如临界应力强度因子K、临界能量释放率G来分析混凝土结构,特别是严格控制裂缝产生的结构如高坝、输水结构等的裂缝发展显然是不够的.

　　在以应力强度因子为参量提出的双K断裂模型中,除了失稳韧度这一参数来控制裂缝的临界失稳外,还引入了一个新的概念即起裂韧度来作为裂缝起裂的控制参数,而起裂韧度的确定需要知道起裂荷载Pini的大小以及初始裂缝长度a0,对于某一个给定的带裂缝的结构来说,初始裂缝长度a0为一个已知量,因此如何确定起裂荷载Pini的大小尤为重要.

　　1、起裂荷载的确定方法

　　混凝土的裂缝扩展规律对确定裂缝扩展阻力至关重要.一些研究者曾采用X射线技术,漫射照明技术,扫描电子显微镜法,电阻应变片法,光弹贴片法,激光散斑干涉法等方法来测试混凝土的裂缝扩展.

　　目前观点基本一致,荷载—位移曲线上升段的非线性是由裂缝尖端断裂过程区所导致,很多学者也认为荷载—位移曲线线性到非线性的转折点便是起裂荷载Pini的大小,但这种方法确定起裂荷载的误差较大.

　　同时也受环境温度方面的影响,其中有学者采用了一种光弹贴片法实验技术来测定起裂荷载的过程,假设混凝土的应变这达到极限值时,将光弹贴片材料和试件的一些参数代入到应力学第一定律,由此可以得到当试件出现开裂时候所对应贴片条纹基数值n,公式为

　　式中:Ec,Es分别为光弹贴片材料和试件的弹性模量;μc,μs分别为光弹贴片材料和试件的泊松比;fe为光弹贴片材料的条纹值;tc,ts分别为贴片和试件的厚度;εls为混凝土的极限拉伸应变.当获得了应变条纹数值后,就可以判断试件开裂时对应的彩色条纹颜色,将与不同荷载等级下的光弹照片进行对比,就可以确定哪一级荷载裂缝开始起裂,也就可以确定起裂荷载的大小.

　　在借鉴这些不同方法的过程当中,本研究采用一种新的电阻应变片法来测试和探索大坝及其湿筛混凝土的裂缝扩展规律,并确定起裂荷载Pini.

　　2 、大坝和湿筛混凝土的三点弯曲切口梁断裂试验

　　2.1原材料及配合比

　　2002年底,在长江三峡泄洪坝段附近的中国葛洲坝集团公司第七工程公司刘家河预制构件厂制作大坝混凝土和湿筛混凝土的三点弯曲切口梁试件,制作试件所用的材料、养护环境以及施工条件都与三峡大坝泄洪段相同.用这些三点弯曲梁试件来模拟三峡泄洪坝段混凝土特性及其周边环境.

　　试验过程中所使用水泥的型号为中热525#(由葛洲坝荆门生产),粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰(由山东邹县热电厂生产),粗骨料是通过加人工碎石而成,细骨料来自三峡下岸溪的人工砂,水采用三峡饮用水,减水剂采用北京冶建JG3,DH9引气剂(河北石家庄外加剂厂).

　　原级配试件采用三峡大坝的水位变幅区混凝土R90250#D250S10的施工配合比制作,详见表1。

　　

　　湿筛混凝土试件采用表1的原级配混凝土筛除粗骨料最大粒径dmax大于40mm的粗骨料而得到.

　　2.2试件设计

　　试验过程中所使用的三点弯曲切口梁形状如图1所示,预制缝的长度为a0,试件的厚度为B,试件的高度为D,试件尺寸列于表2.

　　2.3试验过程

　　2.3.1 测试内容在实验的过程中,需要测试三点弯曲梁的荷载-裂缝口张开位移(P—CMOD)曲线,荷载-预制缝尖端张开位移(P—CTOD)曲线,荷载-加载点位移(P—δ)曲线,起裂点荷载Pini,试件的裂缝扩展过程并测出P-Δa曲线.

　

　　2.3.2 试验装置及测试仪器试验装置见图2.

　　通过改造5 000kN压力试验机,消除上压板和立柱间的间隙,提高试验机整体刚度,满足试验要求.

　　经采取措施,附加部件的重量不施加在试件上.

　　通过改进后的一套加载控制装置,可以通过位移控制加载速率,从而使得位移控制的加载速率变为期望值,在实验的过程中,变形的速率接近常数,让加载在三点弯曲梁试件上的荷载和变形缓慢变化,使得所进行的三点弯曲切口梁的断裂试验能稳定的进行,试验数据的获得由计算机采集系统记录.

　　所使用的荷载传感器型号为BLR-1/50,传感器量程范围为0~50kN,其测量精度不大于最大荷载的2%.基本力学性能试件用2 000kN压力试验机测试.

　　3、电阻应变片法测试大坝和湿筛混凝土起裂荷载的试验研究

　　3.1测定大坝和湿筛混凝土裂缝扩展情况的测点布置情况

　　电阻应变片法是测定结构应变场的一种基础方法,通过在试件裂缝尖端布置应变片,可估测整个加载过程中裂缝的扩展情况.

　　在预制缝尖端布置应变片,可测定起裂荷载P[7]ini.对于测试大坝和湿筛混凝土的起裂荷载,电阻应变片法具有方法简单、测试灵活和适用性强等优点.

　　混凝土三点弯曲梁的电阻应变片测点布置见图3.

　　图3中1-2—1-8和2-1—2-7表示动态应变仪的通道,沿预制缝尖端水平线方向开始布置应变测点,前5个应变片上下间距20~30mm,后5个应变片上下间距20~40mm,随试件尺寸的不同而不同,本次试验试件的高度在200~550mm之间,高度越大,后5个应变片上下间距越大.

　　其中第一组应变片的水平间距为b1=20mm,最后一组应变片的水平距离b2=40mm.

　

　　3.2起裂荷载Pini的确定

　　从图4,5中的大坝和湿筛混凝土的荷载—应变关系曲线可知:当作用在试件上的荷载增加时,三点弯曲梁试件中的预制缝尖处的应变也随之增加,属于拉应变,且荷载与应变之间的关系是直线形式;从试件施加荷载时,试件的预制缝尖端处的能量不断聚集,应变片的应变值大小成线性增长,当应变片的应变值达到拉应变的极值时,应变开始出现回缩现象,这表明测点间有裂缝产生,预制裂缝尖端处的两侧混凝土能量得到释放,在测点处得到卸载,此刻应变开始回缩时的所对应的荷载值即是起裂荷载Pini的大小.

　　当拉应变达到峰值的时候,预制缝尖端处也会产生一种应力集中现象,三点弯曲梁的预制缝尖端处将开始开裂,一旦出现开裂,拉应变将不会在增加,而作用在试件上的荷载继续增加.由于混凝土开始出现开裂,在预制缝尖端处出现卸载,拉应力减小,应变开始回缩,甚至出现了压应变现象,起裂荷载即为应变峰值对应的荷载.起裂荷载Pini的大小即可获得,由此可以得出大坝混凝土试件所对应的起裂荷载为18.568kN,湿筛混凝土试件所对应的起裂荷载为7.762kN.

　　4、结论

　　电阻应变片法来测定大坝和湿筛混凝土试件的起裂荷载是一种的新方法.通过测试三点弯曲梁试件预制缝尖端处的荷载—应变曲线,曲线拉应变峰值处对应的荷载即为起裂荷载.

　　特别对于双K断裂模型参数而言,起裂韧度的确定需要知道起裂荷载Pini的大小,而电阻应变片法对于测定起裂荷载Pini的大小具有测试简单、适用性强的优点,对确定双K断裂参数的实测值具有重要意义,值得指出的是,虽然应变片法具有这些优点,可是应变片的粘贴位置、方向等因素都影响着测量的精度,因此这些影响因素有待进一步的研究.

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