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C40自密实混凝土Ⅰ型断裂力学性能研究

张天柱  
【摘要】:自密实混凝土又称为免振捣自流平混凝土,属于高性能混凝土的一大分支,因其具有优良的工作性能,在施工浇筑中无需振捣,越来越受到工程建设者的青睐。随着我国铁路交通的大力发展和基础设施的建设完善,自密实混凝土在土木工程建设中的使用量将越来越大,使用范围也将越来越广泛。混凝土材料的断裂破坏一直以来都是混凝土结构耐久度降低、劣化破坏的主要原因,而自密实混凝土的各项性能指标与一般的振实混凝土有所差异,因此有必要针对自密实混凝土材料的断裂力学性能进行深入研究。到目前为止,已有大量关于不同强度普通振实混凝土断裂力学性能的研究,但对自密实混凝土断裂力学性能的研究尚少,本文为了研究粗骨料体积占比及裂缝深度对自密实混凝土材料断裂性能的影响,制作了45根跨中带预制裂缝的自密实混凝土梁试件,包括了3种粗骨料体积占比、5种预制裂缝深度变化的15组试件。试验采用三点弯曲加载的方式对带预制裂缝的梁试件进行加载,通过电测法测定了梁试件的起裂荷载和峰值荷载,并得到了裂缝口张开位移计算值;利用数字图像相关方法获取了断裂过程区长度以及裂缝口张开位移测量值;基于临界距离理论研究了广义临界距离与断裂过程区长度之间的关系;采用双K断裂准则和边界效应理论对梁试件的断裂力学性能进行了研究分析。本文主要工作和研究结论如下:(1)通过新拌自密实混凝土工作性能试验和混凝土基本力学性能试验,研究了三种不同粗骨料体积占比自密实混凝土的新拌混凝土工作性能和基本力学性能,试验结果表明:三种新拌自密实混凝土的工作性能均符合规范标准;自密实混凝土的抗压强度和劈拉强度均随粗骨料体积占比的增大有小幅度增大。(2)采用电测法测定了自密实混凝土梁试件在三点弯曲加载过程中的起裂荷载和峰值荷载,试验结果表明:在单一变量的原则下,梁试件的起裂荷载和峰值荷载均随裂缝深度增大而减小;随粗骨料体积占比的增加而增大。(3)通过数字图像相关方法测量了三点弯曲梁试件加载过程中的断裂过程区长度和裂缝口张开位移。试验结果表明:同一条件下,断裂过程区长度随裂缝深度的增加而减小,随着粗骨料体积占比的变化并不明显;裂缝口张开位移值与荷载正相关,同一荷载下,裂缝口张开位移值随着裂缝深度增大而增大、随粗骨料体积占比的增大有小幅度增大。(4)基于双K断裂模型研究了三种自密实混凝土梁试件的双K断裂韧度K_(IC)~(in) ~i和K_(IC)~(un):对于同一粗骨料体积占比不同初始缝高比的梁试件,在一定初始缝高比变化范围内(0.2 0.6),计算得到的双K断裂韧度基本不存在尺寸效应;对于不同粗骨料体积占比的梁试件,双K断裂韧度随粗骨料体积占比的增加而增加,可以认为自密实混凝土的双K断裂韧度受粗骨料体积占比变化的影响较大,在一定范围内增加粗骨料体积占比,可以有效提高自密实混凝土的断裂韧度。(5)通过临界距离理论对自密实混凝土梁试件的断裂过程区进行计算分析,并与试验结果进行比较可知:由临界距离理论点法和线法得到的广义临界距离值比较接近,线法准则的预测相较于点法准则更为保守,且两种方法预测的过程区长度均随初始缝高比的增大而减小,与试验结果一致;比较基于临界距离理论的预测值与DIC方法测量的试验值可知,当初始缝高比较小时(a_0=0.2 0.4),FPZ长度的试验值随初始缝高比的减小趋近于点法和线法的预测值2L;当初始缝高比较大时(a_0=0.4 0.6),FPZ长度的试验值随初始缝高比的增大趋近于点法和线法的预测值L。(6)采用边界效应模型的研究结果表明:对相同尺寸不同初始缝高比的梁试件,可以由三点弯梁断裂试验得到的峰值荷载,通过外推法拟合同时确定材料的抗拉强度和断裂韧度;在模型中引入同时考虑骨料体积占比和粗骨料最大粒径的等效平均粒径d_(ave)可以更准确的表征粗骨料体积占比对自密实混凝土断裂性能的影响;虚拟裂纹扩展量(35)a_(fic)在数值上与峰值荷载对应的FPZ长度一致,且对于自密实混凝土,当(35)a_(fic)=1.75d_(av) _e时,峰值荷载预测值P_(max)~((9))与峰值荷载P_(max)实际测量结果平均值基本一致,可以指导设计。


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