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杨晓华，罗 滔，刘晓剑，叶尔木拉提
(1.中国铁建投资集团有限公司，北京 100085；
2.西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，西安 710123；
3.中铁建新疆京新高速公路有限公司，乌鲁木齐 830022)
钢纤维可以显著提高混凝土的基本性能，钢纤维混凝土被广泛应用于大坝等水工建筑物中[1-3]。因高坝中普遍存在混凝土裂缝问题，人们对混凝土断裂性能的研究给予了高度重视[4]。国内外学者通过对带预制裂缝的混凝土试件进行断裂力学试验研究了不同初始缝高比对素混凝土试件双K参数的影响等[5-7]。
为了深入研究初始缝高比对钢纤维混凝土断裂性能的影响，本文制备了三种不同缝高比(0.1、0.2和0.3)的钢纤维混凝土和素混凝土，开展断裂韧性试验并联合DIC和AE技术对试验过程进行监测。以AE能量演化特征及DIC应变演化特性为基础，揭示钢纤维混凝土断裂过程的宏细观损伤演化机理。
1.1 原材料
水泥选用陕西省咸阳市礼泉海螺水泥厂生产的海螺牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，物理性能和主要化学成分分别如表1和表2所示。
表1 水泥的物理性能Table 1 Physical properties of cement
表2 水泥的主要化学成分Table 2 Main chemical composition of cement
细骨料选用级配良好的中砂，细度模数为2.66，表观密度为2 630 kg/m3，堆积密度为1 480 kg/m3；
粗骨料采用碎石，表观密度为2 835 kg/m3，堆积密度为1 720 kg/m3。
粉煤灰为陕西渭河电厂生产的一级粉煤灰，平均粒径为12.71 μm，主要化学成分如表3所示。
表3 粉煤灰的主要化学成分Table 3 Main chemical composition of fly ash
减水剂由陕西沁芬建筑材料有限公司(中国渭南)生产，物理性能如表4所示。
表4 减水剂的物理性能Table 4 Physical properties of water reducer
引气剂由江苏苏博特新材料股份有限公司生产，掺量为0.01%(质量分数)。
钢纤维为衡水骏晔路桥养护工程有限公司生产的铣削型钢纤维，宽度为2.0～2.6 mm，厚度为0.4～0.8 mm，长度为38 mm，如图1所示。
图1 钢纤维Fig.1 Steel fiber
1.2 配合比
根据不同的钢纤维体积掺量(0%和2.0%)和初始缝高比(0.1、0.2和0.3)将试件分为6组，每组3个试件，共18个试件，试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，混凝土配合比如表5所示。
表5 混凝土配合比Table 5 Mix proportion of concrete
1.3 试验方法
断裂韧性试验参照《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332—2005)[5]，在试件底面布置裂缝传感器测试裂缝口张开位移(crack mouth opening displacement, CMOD)。断裂韧性试验在美国GCTS岩石三轴仪上进行。AE测试仪器为DS2型声发射监测系统(北京软岛时代科技)，AE传感器的布置如图2所示。采用Match ID公司研发的MatchID-2D非接触式全场应变测量与仿真优化分析系统对断裂韧性试验全过程进行监测，启动GCTS岩石三轴仪的同时触发DIC系统和AE系统，动态跟踪监测试验过程中裂缝的开裂和扩展全过程，当试件宏观破坏后停止加载和监测。图3为断裂韧性试验示意图。
图2 AE传感器的布置示意图Fig.2 Schematic diagram of arrangement of AE sensors
图3 断裂韧性试验示意图Fig.3 Schematic diagram of fracture toughness test
2.1 初始缝高比对荷载-裂缝口张开位移(F-CMOD)曲线的影响
图4(a)和(b)分别为钢纤维体积掺量为0%和2.0%的混凝土在不同初始缝高比下的F-CMOD曲线。由图4(a)可以看出，素混凝土试件的F-CMOD曲线上升段与下降段都较为顺直，当加载到峰值荷载时，试件迅速被破坏，荷载出现陡降，初始缝高比为0.1、0.2和0.3的混凝土的临界裂缝口张开位移分别为87.5 μm、157.5 μm和121.0 μm。试件完全丧失承载能力时裂缝扩展不明显，表现出明显的脆性。如图4(b)所示，与未掺钢纤维的混凝土相比，钢纤维混凝土的F-CMOD曲线的上升段和下降段都更为平缓，峰值荷载后，荷载缓慢下降，CMOD的值迅速增大，裂缝扩展显著，钢纤维混凝土表现出一定的塑性。随着初始缝高比的增大，临界裂缝口张开位移显著减小，分别为573.1 μm、370.9 和292.4 μm，说明随初始缝高比的增大混凝土的塑性减小。
图4 不同初始缝高比的混凝土的F-CMOD曲线Fig.4 F-CMOD curves of concrete with different initial notch-to-depth ratios
2.2 初始缝高比对钢纤维混凝土断裂性能的影响
参照《水工混凝土断裂试验规程》(DL/T 5332—2005)[5]，断裂韧度(KIC)的计算如式(1)、式(2)所示。
(1)
(2)
式中：计算起裂韧度(KICQ)时，α=α1=a0/h,a=a0，F=FQ；
计算失稳韧度(KICS)时，α=α2=ac/h，a=ac,F=Fpeak；
a0为预制裂纹长度，m；
ac为有效裂纹长度，m；
m为试件支座间的质量，kg；
g为重力加速度，9.81 m/s2；
S为试件两支座间的跨度，m；
t为试件厚度，m；
h为试件高度，m；
FQ为起裂荷载，kN;Fpeak为峰值荷载，kN。
有效裂纹长度ac和弹性模量E为
(3)
(4)
式中：h0为装置夹式引伸计刀口薄钢板的厚度，本文取0.002 m；
Vc为临界裂缝口张开位移，μm；
ci为试件的初始CMOD/F值，μm/kN。
图5为初始缝高比(Cr)对混凝土起裂韧度(KICQ)和失稳韧度(KICS)的影响。结果表明，不同初始缝高比下素混凝土的起裂韧度和失稳韧度均小于钢纤维混凝土，随初始缝高比的增大，素混凝土和钢纤维混凝土的起裂韧度和失稳韧度均有不同程度的减小。随初始缝高比的增大，素混凝土的KICQ减小幅度较小。当初始缝高比由0.1增加至0.2时，素混凝土的KICQ仅降低了2.9%，而钢纤维混凝土的KICQ降低了8.9%；
当初始缝高比达到0.3时，素混凝土的KICQ降低了16.7%，而钢纤维混凝土的KICQ降低了32.5%。当初始缝高比由0.1增加至0.2时，素混凝土的KICS显著减小，减小幅度为32.5%，而钢纤维混凝土的KICS仅减小了13.4%；
当初始缝高比增加至0.3时，素混凝土的KICS值相对于缝高比为0.2时减小幅度不明显，而钢纤维混凝土的减小幅度则由13.4%进一步增加到33.7%。这说明随着初始缝高比的增加，钢纤维对于混凝土的失稳韧度起到了较好的保持作用。
图5 初始缝高比对混凝土断裂韧度的影响Fig.5 Effect of initial notch-to-depth ratio on fracture toughness of concrete
图6为混凝土的峰值荷载(Fpeak)和裂纹亚临界扩展量(Δac)随初始缝高比(Cr)的变化。如图6(a)所示，当初始缝高比由0.1增加至0.2和0.3时，素混凝土的峰值荷载分别下降了17.5%和27.1%，钢纤维混凝土的峰值荷载分别下降了6.8%和42.8%。裂纹亚临界扩展量为试件从起裂到失稳后的裂纹扩展，即Δac=ac-a0。裂缝亚临界扩展量和有效裂缝长度两者能有效表征试件的韧性水平，其值越大，表明试件裂缝扩展越充分，韧性越好。由图6(b)可以看出，素混凝土与钢纤维混凝土的裂纹亚临界扩展量均随初始缝高比的增大而减小，说明初始缝高比越小，裂缝扩展越充分，相对韧性越好。而且相同条件下，钢纤维混凝土的Δac值大于素混凝土，这是因为钢纤维的变形能力较好，能抑制裂缝的发展并延长裂缝的稳定扩展时间，使钢纤维混凝土的断裂性能优于素混凝土。
图6 初始缝高比对混凝土峰值荷载和裂纹亚临界扩展量的影响Fig.6 Effect of initial notch-to-depth ratio on peak load and subcritical crack growth of concrete
2.3 初始缝高比对混凝土AE能量演化规律的影响
图7为不同初始缝高比的素混凝土与钢纤维混凝土在断裂韧性试验中的AE能量演化规律。本试验选取荷载水平(Ll)，根据AE能量和累积AE能量，将混凝土的整个断裂韧性试验过程分为三个阶段：(Ⅰ)弹塑性阶段(0≤Ll≤0.8)，加载初期，会产生低幅度的AE信号，随荷载的增加，试件内部的新裂纹持续产生，旧裂纹继续扩展，累积AE能量曲线持续缓慢上升，释能率低；
(Ⅱ)起裂点出现，裂缝稳定扩展阶段(0.8
图7 加载过程中AE能量的演化规律Fig.7 Evolution law of AE energy during loading process
2.4 混凝土断裂韧性试验中不同阶段的全场应变分布规律
图8展示了不同初始缝高比的素混凝土与钢纤维混凝土在断裂韧性试验不同阶段的全场应变分布规律。如图7所示，分别选取试件断裂过程中每个阶段的点并命名为A、B、C，如A-0.1-A表示初始缝高比为0.1的素混凝土在A点时的全场应变。A点(0.5Fpeak)时，混凝土试样产生弹性变形，断裂过程区没有明显的生长发育现象，无断裂行为的产生。随着荷载的继续增加，B点(Fpeak)时，裂纹扩展区域在长度和宽度方向都产生明显的增长现象，表明此阶段断裂过程区快速发育。峰值荷载后，C点时，混凝土试样表面水平应变场非连续区迅速向前扩展，应力集中化现象加剧，表明此时裂缝迅速向前扩展，混凝土试件发生失稳断裂，失去承载能力。在整个加载过程中，裂缝尖端处产生较大的应力集中，裂缝开展方向会沿着预制裂缝的位置开裂，裂缝尖端及扩展路径的横向应变较大。
图8 试验过程中的全场应变变化规律Fig.8 Variation law of full-field strain during test
为研究初始缝高比对钢纤维混凝土不同阶段全场应变的影响，绘制素混凝土和钢纤维混凝土在断裂韧性试验不同阶段的等效应变(equivalent Von Mises strain， Evm)最大值，如图9所示。由图9可以看出，峰值荷载前，不同初始缝高比的混凝土的Evm值变化较小。峰值荷载后，不同混凝土的Evm值均有不同程度的增大，但素混凝土的增大幅度较小，远小于钢纤维混凝土。三种不同初始缝高比的钢纤维混凝土的Evm值的增大幅度呈现出较大的差异性，当初始缝高比为0.1和0.2时，峰值荷载后，Evm值大幅度增大，呈现出明显的塑性特性，而当初始缝高比为0.3时，增加幅度明显减小，说明脆性特性显著增大。结果表明，当初始缝高比过大时，钢纤维已不能充分发挥其对裂缝的抑制作用，而且边界效应对钢纤维混凝土的影响突然增大，使得裂缝扩展并不充分，塑性特性显著降低，断裂韧性减弱。
图9 加载过程中的Evm值Fig.9 Evm value during loading process
3.1 断裂能随初始缝高比的变化规律
断裂能(Gf)主要指试样承受拉伸荷载，裂缝扩展单位面积所需要的能量[14]，由式(5)计算得出。
(5)
采用断裂能比(Gf/Gf0)分析初始缝高比对混凝土断裂能的影响，Gf为任意初始缝高比时混凝土的断裂能，Gf0为初始缝高比为0.1时混凝土的断裂能。图10为初始缝高比对混凝土断裂能的影响。由图10可以看出，当素混凝土试件的初始缝高比从0.1增大到0.2时，其断裂能下降幅度较大，当初始缝高比从0.2增大到0.3时，断裂能的下降幅度较小。钢纤维混凝土的断裂能随初始缝高比的变化规律与素混凝土略有不同，当初始缝高比由0.1增大到0.2时，断裂能下降幅度较小，当初始缝高比从0.2增大到0.3时，断裂能的下降幅度较大，与试验结果相符。这是由于初始缝高比的增大使试件裂缝尖端的断裂过程区减小，从而导致区域内局部损伤所释放的能量值受到影响。Hu等[15]提出混凝土断裂过程区的发展存在边界效应，当断裂过程区接近边界时将受到边界约束。
图10 初始缝高比对混凝土断裂能的影响Fig.10 Effect of initial notch-to-depth ratio on fracture energy of concrete
3.2 累积AE能量随初始缝高比的变化规律
图11为钢纤维混凝土的累积AE能量随初始缝高比的变化规律。由图11可以看出，随初始缝高比的增大，累积AE能量呈指数函数减小，这也验证了裂缝扩展过程中尺寸效应的影响。主要是因为初始缝高比较大的试件有效高度较小，断裂韧性试验过程中，产生的Ⅰ型(张开型)裂缝的比例较多，小初始缝高比试件中，不仅存在Ⅰ型裂缝，还存在Ⅱ型(滑移型)和Ⅲ型(撕裂型)裂缝，小初始缝高比试件断裂时所需的能量越多，裂缝扩展的速率越小，裂纹扩展越充分，断裂所需的时间越长，产生的AE能量越多[16]。
图11 累积AE能量随初始缝高比的变化规律Fig.11 Variation law of cumulative AE energy with initial notch-to-depth ratio
(1)钢纤维混凝土试件随初始缝高比的增大，边界的约束作用导致断裂过程区长度减小，裂缝扩展不充分，所以其峰值荷载、断裂韧度以及裂纹亚临界扩展量随初始缝高比的增大均呈减小的趋势。当初始缝高比小于0.2时，钢纤维对裂缝的抑制作用使得初始缝高比对混凝土断裂性能的影响并不显著；
当初始缝高比大于0.2时，钢纤维的抑制效果不能充分发挥，混凝土的断裂韧性显著降低。
(2)钢纤维混凝土的断裂过程可分为三个阶段：(Ⅰ)弹塑性阶段，AE能量缓慢产生；
(Ⅱ)裂纹稳定扩展阶段，AE能量高峰密集出现；
(Ⅲ)断裂阶段，AE能量持续产生。随初始缝高比的增大，阶段(Ⅰ)的持续时间减少，裂缝发展的速率增大，峰值荷载后累积AE能量曲线的斜率增大。
(3)在整个试验加载过程中，预制裂缝尖端会产生较大的应力集中，裂缝的横向应变较大，而且裂缝扩展过程中受边界效应的影响。当钢纤维混凝土的初始缝高比为0.3时，钢纤维对裂缝的抑制效果明显减弱，混凝土塑性特性显著降低。
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