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确定混凝土在拉伸载荷作用下隐藏的长期塑性损伤阶段：断裂力学方法
摘要：一种新的可测定最大骨料尺寸可达8毫米砂浆和混凝土断裂韧性KIC、断裂能GF和临界裂缝尖端张开位移CTODc的方法被提出了。这是通过对常规劈裂拉伸试验进行适当的修改而实现的。实验所得的数值与其他研究人员的数值一致。在明确断裂力学分析的基础上，我们提取了一组与上述数量和裂纹率相关的方程。因此很容易确定伴随裂纹扩展的特定塑性损伤阶段。。首先出现的是一个特征带宽为0.1-1 lm、长度从几微米到几毫米的峰前损伤过程。这种损伤过程可以在加载构件中大量扩散和分散，也可以局部化，通过其链的积累形成主动吸引子开裂路径。 然后，必须增加另一个损伤阶段，即直接通过在10 lm带宽和几十毫米长度的裂纹尖端附近形成著名的断裂过程区。最后，一个大规模的阶段，包括组成和纹理的影响，以及他们的载荷和几何条件必须叠加在前两个。这第三个破坏过程直接通过对上述特征的重新排序和重新分配而来，在裂缝的演化过程中，使有效长度从几十毫米到几米不等。这些有效长度都可以很容易地从计算出的混凝土断裂量中提取出来。
关键词:混凝土，裂缝张开位移，裂缝率，有效长度，断裂能，断裂韧性，劈裂拉伸试验，应变仪
介绍
近30年来，人们对混凝土的本构描述进行了大量的研究。由于混凝土的非线性，产生了严重的问题[1-4]。这种非线性是由于其在负载条件下特殊的制造组成方式和广泛的破坏机制所导致的。
截然不同的大量的未水化水泥、细和粗骨料,毛孔集群,微裂隙,极地阶段和不同成分与特定的材质和外观(如聚合和未水化水泥),(如钙矾石)和针板(如氢氧化钙)导致弱的地区广泛导致高压力非均质浓度[2]。
由于养护条件异常、干缩、水泥水化放热、徐变等原因造成的内外高或低的加载应力，容易在混凝土硬化早期就产生微裂缝。其具有不同相、界面和胶体或常见裂纹的非均质非连续结构，使材料具有非线性和尺度依赖性，并在很大程度上决定了断裂响应[3]。断裂力学近似可以成功地描述上述许多特征。在此基础上，确定加载混凝土构件失效条件的准则，以及试图描述断裂过程演化方式的准则，以及断裂过程演化条件的准则都在不断地研究中。
由于混凝土属于准脆性材料，主要是由于其水泥基体成分的极性，因此混凝土遵循最大拉应力的经验规律[3,4]。根据这一点，拉伸应力将在很大程度上决定其失效过程。由于单向拉伸试验非常耗时且不明确，因此通常采用间接弯曲拉伸加载。通过关心的样本形成。就结果而言弯曲试验提供了更好的控制，更广泛的变化载荷和几何特征，以及更窄的强度分布的可能性。人们在混凝土研究上付出了很多努力以研究制造和加载能够或不能够承载适当形状切口的混凝土梁。对这一研究领域贡献较小的是相应的劈裂拉伸试验。这是由于有限的设施，影响其主要加载条件和几何特征。
通过对混凝土行为的纯断裂力学方法[5]研究发现，不均匀性的类型（形状，大小，空间和大小分布）和进入身体的缺陷（例如孔，空隙，微裂纹，聚集体和分散相）起关键作用。在混凝土试件上形成合适的切口，间接地表明了大的物理缺陷和裂缝对其力学行为的影响[1-4]，这一过程也导致强度结果的散点更窄。然而，在混凝土试件上形成切口和较大缺陷的存在导致并不总是能得出可靠的结论。所得到的结果只是在特定情况下的近似。加载过程中产生的断裂微纹理会导致尺寸效应，并因此导致尺寸相关的脆性-延性转变。结果似乎不符合唯一值，因此不符合固有的材料特性。那么，提取出来的误导性质的结果可以用来正确描述材料的真实行为吗？
本研究基于Brown和Pomeroy[6]的实验验证结果，他们发现(在水泥基材料中)当作为骨料的缺口和大分散相减少时，断裂韧性接近稳定值，特别是在预加工阶段。
在此，使用适当改良的劈裂拉伸试验。通过建立适当的断裂力学模型，得到了断裂韧性KIC、断裂能GF和临界裂纹尖端张开位移CTODc等基本断裂力学量。两个主要的趋势已经开发了用于内消旋机械混凝土断裂的建模[1 - 4,7 - 10]。对于基于虚拟的裂纹模型，认为裂纹的表现方式是其响应由法向力和切向力决定，法向力和切向力可以在增强的裂纹尖端之间起作用并传递[Hillerborg et al. 1,3,9]。另一方面，认为裂纹是在微破裂区域内扩展的，微破裂区域是由建立合适的断裂带[Bazant等，1,4,10]。在此次调查中，我们将在下一段中看到，通过对拉伸试验中的简单观察结果使我们得到了前两种模型的结合和扩展。在此基础上，得出了混凝土构件在加载过程中出现三种不同的塑性损伤过程的结论。
通过劈裂拉伸试验获得了水泥基材料断裂的一些关键特征
根据最新的研究资料，此处介绍了拉伸断裂过程的一些关键特征。在整个混凝土断裂过程中，出现两个特征阶段：峰前和峰后。在这里，峰值指的是接近线性响应末端的最大负载。在每个阶段，能量都在消耗。
即使在未加载的初始状态，所有的水泥基体都表现出缺陷、非匀质性、孔隙和微孔隙[11-14]。此外，围绕水泥-骨料界面的区域表现出高的孔隙率和因此较低的拉伸强度[11,15]，即被称为界面过渡区的薄弱点[16]。因此，在试件加载过程中，界面区和裂缝边界处的微裂缝强度增强，导致混凝土偏离线性响应。与此相反，峰前非线性主要是由于这些缺陷及其产生的微裂纹的存在。这种非线性更多地受到混凝土中最大骨料尺寸的影响，而不是其残留的微观结构特征。因此，缺陷和孔洞作为薄弱点，甚至是上述界面区导致了混凝土[12]的模量、韧性和抗拉强度的降低。
因此，裂缝的出现往往发生在较大的裂缝或骨料与水泥结合强度最弱的地方。裂缝的演化主要取决于孔隙集中的胶结骨料界面的增强。因此，内部断裂发生在更大的集料附近，扩展裂缝的相互连接部分是试样性质，部分是材料性质。这是混凝土裂缝处的耗散能远大于同基础砂浆的原因[15]。在任何情况下，这种类型的过程更有可能导致广泛的微裂纹出现在更一般的地层下，通常被称为断裂过程区[11]。应力是通过这个特定的弱化区传递的。由于小的缺陷似乎导致更窄的区域，当裂纹仍然很小时，裂纹萌生时出现的吸收能量比其扩展阶段[12]受到的影响更小。
这条裂缝被认为是粘结性的，但不是均匀的，而是逐渐张开，直到公认的尖端相互作用消失。因此，裂纹可以通过等效虚构一个与由大小的增强的有效长度被替换等于Delta; alpha; [1,9,11]。特征长度[1,3,4,11]的存在，在很大程度上受上述所有微观结构特征的影响，控制了尺寸效应的出现，从而导致有效裂纹长度的变化。这里，特征长度一词是由相应的尺寸效应公式计算出来的，而临界长度是由测量得到的。
这条裂缝被认为是粘结性的，它是证明了[17]骨料尺寸影响特征长度，这似乎控制了混凝土的断裂反应。很少有研究人员推导出断裂韧性与强度和骨料尺寸之间的关系，但事实上，这些是通过欧文关系相互关联的量，这使得在适当修改的条件下建立一个更弱的依赖关系成为可能。在混凝土的断裂过程中出现的临界长度不必与特定的结构或纹理长度一致。这很容易确定，因为裂纹可能会在一个大缺陷（例如晶粒，空隙等）处或附近形成，不断扩展到一个点，然后达到其临界值，这当然可能是完全不同于任何纹理和结构长度，也不同于特征长度[12]。
在裂纹扩展过程中，由于裂纹之间相互作用或遇到较大的障碍物而形成最大直径的团聚体，裂纹会发生弯曲。此外，由于裂纹的萌生通常是从试样或物体的一侧开始的，因此出现的偏心会导致应力通过这些弯曲的表面和可能部分断裂的承载区域重新分布到试样中。因此，发展中的断裂过程不仅局限于裂纹前沿，还扩展为韧带形成、桥接和断裂后的尾迹过程，或通过夹持裂纹和夹持裂纹面形成[2]。根据van Mier[19]，裂纹可以发生在很容易识别的阶段，例如，在不需要在非广泛的断裂过程中产生大量的裂纹脱粘过程中，可以开始断裂，然后裂纹扩展，形成桥接，最终在应力重新分布的情况下结束。
因此，裂纹开始时峰前区域的韧性计算对结构变量的依赖性较小。它可以更稳定和客观的基本取决于材料的性质，而较少的取决于主体特征，包括缺口，裂缝和聚集体。裂纹扩展和峰后韧性受试样特征的影响较大。许多实验结果证实了这一点，如峰后软化曲线支路的斜率随着骨料尺寸的增大而减小，延性的增强以及吸收能量随缺口尺寸的增大而增大[13,20]。
实验的程序
需要对普通的劈裂拉伸试验进行适当的修改[17,21]，以确定出现的断裂过程，并排除一旦进入系统后可能会对其进行显着改变的所有次要影响。实验程序的修改包括在骨料和成形试样的尺寸、测量量和最后测量排列方面的差异。根据随后的计划，混凝土使用最大尺寸为4毫米的普通石灰石骨料，从而更好地检查界面区域。所用水泥为I52.5。水灰比为40:10，胶凝比为75:25，水灰比为40:10。细骨料部分（低于0.075毫米）限制为8％。标本的尺寸选择小得多:普通标本的1 / 3，即5厘米·10厘米，而不是15厘米·30厘米。选择这样的方法是为了便于我们识别和研究峰值前的裂纹萌生阶段及其对应区域，以及裂纹扩展过程中的断裂过程区域。这里必须提到的是，即使使用直径为8 mm的骨料或大理石骨料，或者用适当制备的板材通过浇铸而成的相同成分的钻孔芯代替铸模试样，也不会改变所得结果的主要特征。所有的测试都是在准备后的3天、7天、14天、28天和56天进行的，所有的结果都是相似的。使用了一台AVERY压缩机在恒载0.3KN/s下使用。为了使试件能够顺利加载，我们利用正方形截面为10毫米·10毫米的小型刚性钢筋和5毫米宽、3毫米厚的木板层，通过它们的发电机施加荷载，以避免其表面发生碰撞(图1和图2A)。
实验安排
改进的劈裂拉伸试验（A）和试样断裂（B）
测量了各方向的应变状态。通用应变计（KFG型； KYOWA，日本东京）分别安装在每个气缸座的垂直和水平方向上。他们的标准长度为10毫米。作为补充，使用了两个应变片的莲座，在某些情况下，每个基座最多可用于5个应变片。它们附着在用氰基丙烯酸树脂制成的混凝土标本上。这样，可以更好地检测试样在各个方向上的响应。较小的试样需要较低的载荷，因此也需要较低的载荷传感器容量。然后，由于更高的测量精度，可以更好地监测断裂过程。在此，其约为plusmn;0.5kN。对于实时数据采集，使用了合适的软件。实验布置细节如图1所示这项研究是一项研究计划的一部分，在该计划中，对喷涂混凝土进行了广泛研究。进行了数千次测试以确定其压缩，拉伸和弯曲强度。在此，列出了在分裂拉伸试验下的五个样品（表1）的批次。
结果
在图3A中，出现了特征的劈裂拉伸应力-应变响应。拉伸应变etr是通过由安装在样本中的一个基地水平指向应变仪获得。类似地，通过众所周知的关系估算了汽缸座中部（图4A）相应的最大拉应力 ：
其中P为施加荷载，D为试件直径，L为试件长度。抗压应力最大值的出现也minus;3sigma;垂直方向(图4)。在图3B中，给出了相应类型和龄期混凝土无约束压缩试验的典型应力-应变曲线。
A，B，C，D，E试样拉伸断裂试验后的应力-应变曲线– 参见表1 –（A）和A（B）的无约束压缩
（A）试样中心处的应力状态，（B）局部损伤区的形成，（C）出现断裂面
许多混凝土试件反复验证了图3A的结果。使用了不同的成分(不同的骨料尺寸，最大可达8mm)和制备条件(即浇注或喷射混凝土)。这种情况最典型的特征是观的典型屈服样点-裂纹引发发生刚过在约350-500 mu;秒。这一点之后是长期的屈服流动，伴随着裂纹的增长。在这一阶段，断裂过程在裂纹尖端[2]前逐渐演化。这种几乎是等应力的反应一直持续到混凝土圆柱体的宏观断裂发生在应变范围从1000到4500mu;s，比屈服的部分高300-1000%发生的情况。压缩应变也具有同样的特征，但只是在有限的情况下，因为对裂纹在体内形成的确切位置没有先验知识。
试样开始断裂过程的区域（图4B）沿垂直平面定位，其轨迹位于断裂面的同一位置（图4C），该断裂面将在完全破坏后形成（图2B）。在该区域的内部和附近会出现严重的塑料损坏。首先，塑性损伤过程出现在试样的不同区域。从应力-应变曲线的分析，牢记的最大弹性应变ɛ 吨 =˚F 吨 / eacute;，这种类型的混凝土样品可以进行（大约350-500 mu; S），并测量应变时裂纹开始传播，我们可以确定（ 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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