混凝土脆性与力学参数的尺寸效应及其相互关系的研究

【摘要】： 力学参数的尺寸效应是混凝土材料的固有特征，不研究尺寸效应现象，就不能明确试验室的小尺寸试件的性能与真实试件性能的相关性，也就不能肯定这种性能改善是否真实反映材料的实际性能。另一方面，混凝土力学参数的尺寸效应与混凝土脆性有关，而高强化作为水泥混凝土材料的发展方向，与之相关的脆性问题越来越突出，因此导致尺寸效应现象更为显著。 本文通过混凝土强度及力学参数尺寸效应及其与脆性关系的研究，克服了长期以来对混凝土脆性认识的局限，为水泥混凝土材料的高强化提供参考，同时也有利于促进混凝土断裂力学的发展。深入探讨了混凝土脆性及脆性指标，分析了现有的强度尺寸效应理论及断裂参数尺寸效应现象，并通过试验确定了不同类型混凝土的强度尺寸效应以及与脆性的关系，研究了断裂参数的尺寸效应现象，确立了一种确定混凝土强度尺寸效应及脆性指标的简单方便的小尺寸试件研究方法，并据此由脆性与力学参数尺寸效应关系试验研究了影响混凝土脆性的各种因素。 通过对现有的强度尺寸效应理论及断裂参数尺寸效应的分析认为，强度尺寸效应与材料脆性有关，并且不同的理论都有不足之处，而且有特定的适用范围：混凝土断裂过程区的长度与宽度随试件尺寸的变化发生变化，可能引起断裂参数的尺寸效应；断裂能尺寸效应的另一主要原因在于断裂面附近的变形是非线性分布并且断裂能在断裂面内的分布也不均匀。 对混凝土脆性及脆性指标分析的结果表明，混凝土作为微观真脆性的材料，其脆性大小最终应归结为塑性区尺寸的大小；由于试件的尺寸显著影响混凝土的脆性行为，脆性指标必须不包含尺寸因素，即不随试件尺寸发生改变，现有的绝大多数脆性指标由于所含参数具有尺寸效应而不确切；可以Bazant尺寸效应曲线形式定性地反映脆性大小，定量可以交点d_0为脆性指标，d_0与塑性区尺寸成正比，d_0越大，脆性越小，d_0可在任何实验室采用以评定不同增韧措施的实际效果，简单可靠。 对高强、超高强、引气以及钢纤维混凝土，试验研究了切口与无切口试件的抗弯强度、抗压强度、劈拉强度随试件尺寸的变化情况，测定了P-δ、P-CMOD曲线以及断裂韧性、断裂能随试件尺寸的变化关系，确定了脆性与力学参数尺寸效应之间的关系，进一步明确了强度尺寸效应各种理论的适用范围，并结合各种理论，对试验结果所反映的规律进行解释。随混凝土强度提高，脆性增大，切口试件抗弯强度尺寸效应更为显著，无切口试件抗弯强度尺寸效应更快趋于缓和，抗压强度随试件尺寸增大也更快稳定，劈拉强度也表现出脆性越大尺寸效应现象越快减弱的特点。同时，断裂韧性与断裂能的尺寸效应具有相同的变化趋势。混凝土脆性越大，断裂 重庆大学博士学位论文 韧性越快接近稳定。引气增大了混凝土的脆性，而钢纤维对混凝土的增强增韧作用， 随强度提高、试件尺寸增大而减弱。 在理论分析的基础上，提出采用两种几何形状的小尺寸试件组合来确定强度尺 寸效应的新方法，试验结果表明该方法有比较高的精度，反映的规律性很强，由于 不需要采用大尺寸试件，该方法与标准方法相比，操作简单易行，并且在任何试验 室、施工现场均易于实现，为确定混凝土真实性能提供了一种新途径。 试验研究了材料组成（包括水胶比、砂率、集料品种、胶凝材料组成等）以及 龄期、养护制度对混凝土材料脆性及相关力学参数尺寸效应的影响，强调了采用高 强高韧集料对混凝土增韧的特殊作用，由于本研究充分考虑到尺寸效应的影响，试 验结果显示出不同的规律性，研究结果将为混凝土脆性改善以及相关力学性能的提 高提供更为可靠的依据。