王 杰，陶俊林

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621900；2.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094；3.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引 言

在核工程等基礎建設領域，混凝土是當今世界使用最為廣泛的建筑材料之一，其在施工過程中，不可避免地存在一些孔洞和不密實區(qū)等初始缺陷.為研究初始缺陷對混凝土等脆性材料的影響，相關學者們進行了一系列的研究工作.

在試驗方面，通過預制人工初始缺陷來表征混凝土等脆性材料中的初始缺陷，人工初始缺陷大致可分為貫穿孔洞缺陷、貫穿裂隙缺陷、內置裂隙缺陷和內置球形缺陷等.李意[1]在混凝土中預制貫穿孔洞缺陷，研究缺陷大小及位置對混凝土壓縮強度的影響；梁培[2]對貫穿孔洞缺陷混凝土試件進行靜、動態(tài)劈拉試驗，認為混凝土的劈拉強度隨著孔洞直徑的增加而降低；張華等[3]在混凝土中預制一條貫穿裂隙，發(fā)現(xiàn)斷裂韌性隨著混凝土強度等級的提高而增加；李斌等[4]在砂漿中預制兩條貫穿裂隙，利用數(shù)字散斑技術分析劈拉試驗中試件的破壞過程，發(fā)現(xiàn)貫穿裂隙的傾角對破壞模式具有顯著影響；由于聚酯材料的楊氏模量遠小于砂漿，李術才等[5]認為聚酯薄片可充當砂漿中的初始缺陷，將聚酯薄片預埋在砂漿中，從而形成內置裂隙缺陷，對內置裂隙缺陷砂漿試件進行直接拉伸試驗，發(fā)現(xiàn)直接拉伸強度隨著內置裂隙的傾角的增加而降低；付金偉等[6]利用云母片在樹脂材料中形成內置裂隙缺陷，發(fā)現(xiàn)與單裂隙試件相比，雙裂隙對裂紋擴展存在明顯差異；王海軍等[7]通過電磁場在玻璃試件中制作宏觀內裂紋，形成內置裂隙缺陷，之后進行劈拉試驗，發(fā)現(xiàn)內置裂隙的存在會顯著影響裂紋的起裂和擴展過程；郭奇[8]在混凝土中內置單個球形缺陷，利用引伸計發(fā)現(xiàn)球形缺陷的存在顯著地提高了裂紋的擴展速度.在針對劈拉試驗的理論方面，Chianese等[9]利用傅里葉級數(shù)推導出帶圓孔洞的劈拉試驗應力解析解，王杰等[10]針對圓孔洞試件的劈拉試驗，推導出了相應的拉伸強度建議公式.在數(shù)值模擬方面，崔圣華等[11]在試件中部添加團塊缺陷，模擬結果發(fā)現(xiàn)缺陷會降低巖石強度；張華等[3]利用擴展有限元模擬劈拉試驗，結果顯示裂紋從混凝土試件的內置裂隙尖端起裂，擴展至加載端，模擬效果良好.

上述研究表明，初始缺陷會弱化脆性材料的力學性能.混凝土是一種典型的脆性材料，試驗中普遍使用貫穿孔洞缺陷、球形缺陷來表征混凝土中的初始缺陷.實際上橢球形更能代表混凝土中的初始缺陷，這是因為當橢球形的長、短軸長度相差較大時，可以表征混凝土中的幣形或狹長缺陷，當橢球形的長、短軸長度接近時，可表征混凝土中的球形缺陷.此外，混凝土具有拉伸強度遠低于壓縮強度的特性，在拉伸載荷條件下，初始缺陷的存在更易使混凝土發(fā)生破壞.因此，在拉伸載荷條件下，進一步研究橢球形缺陷大小對混凝土拉伸強度和裂紋擴展演化的影響，能夠為混凝土類建筑物的耐久性及強度設計提供有意義的參考.

1 內置橢球形缺陷混凝土試件制備

1.1 混凝土配合比

本研究的混凝土基體強度為C30，配合比如表1所示.原材料為雙馬牌P.C 42.5R復合硅酸鹽水泥，細度模數(shù)為2.8的中砂，5～20 mm連續(xù)級配的碎石和自來水.試件尺寸均為Φ120 mm×100 mm的圓柱體.

表1 每立方米C30混凝土配合比

1.2 橢球形缺陷的制備

橢球形的形態(tài)可用方程表示為，

(1)

本研究以“a>b=c”的形式設計橢球形缺陷大小，共3種，即a=30 mm、b=c=5 mm，a=30 mm、b=c=10 mm和a=30 mm、b=c=15 mm.設計的最大橢球形缺陷占混凝土試件的體積率遠低于混凝土中的孔隙率5.297%[12]，從孔隙率的角度考慮，本設計的橢球形缺陷大小是合理的.

因云母、聚酯材料的彈性模量遠小于脆性材料[5-6]，將其用于模擬脆性材料中的初始缺陷.熱塑性彈性體(TPE)材料的彈性模量遠低于混凝土材料的彈性模量，因此本研究以TPE為原材料，利用3D打印技術制備出橢球形空心殼體，如圖1所示，其厚度為0.4 mm，以此來模擬混凝土中的初始缺陷.

圖1 尺寸為a=30 mm,b=c=15mm橢球形殼體實物圖

1.3 澆筑流程

郭奇等[13]提出的分步驟澆筑法，能較為精確地將缺陷替代物預置于試件的中心，且不影響混凝土基體強度.本研究采用分步驟澆筑法，將橢球形殼體預置于圓柱混凝土試件的幾何中心，定位效果圖如圖2所示，從而獲得內置橢球形缺陷混凝土試件，對其養(yǎng)護28 d后進行劈拉試驗.

圖2 橢球形缺陷的定位效果圖(單位：mm)

2 內置橢球形缺陷混凝土靜態(tài)劈拉試驗

2.1 劈拉強度公式簡介

目前，劈拉試驗(也稱巴西圓盤試驗)廣泛應用于間接測量混凝土、巖石等脆性材料的拉伸強度，得到國內外相關規(guī)范的推薦[14-15].本研究以劈拉試驗來獲得混凝土的拉伸強度，其計算公式[14]為，

(2)

式中，P為施加在試件上的峰值載荷，/N;D為試件直徑，/m;t為試件厚度,/m;σ為拉伸強度，/Pa.

每組工況重復3次試驗，拉伸強度值的確定參照文獻[14].

2.2 工況設計

設計3組橢球形缺陷(見1.2節(jié))試件，1組完整混凝土試件(無橢球形缺陷)，本研究共設計4組工況，每組工況準備3個試件.加載方式如圖3所示，橢球形缺陷的長軸與加載軸方向一致，力加載率設置為0.5 kN/s.

圖3 加載方式示意圖

2.3 試驗方法

試驗在四川振通公路工程檢測咨詢有限公司20T萬能材料機上進行，利用配套的引伸計獲得裂紋寬度變化，采用HX-4E高速攝像機拍攝裂紋擴展及破壞過程，采樣頻率設置為500 Hz；試驗的整體布置如圖4所示.

圖4 試驗裝置圖

3 試驗結果分析

3.1 內置橢球形缺陷混凝土試件的拉伸強度

從萬能材料試驗機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中可獲得載荷—時間曲線，如圖5所示，取峰值載荷代入公式(2)中，便可得到相應的拉伸強度，如表2所示.

圖5 典型的載荷—時間原始曲線圖

表2 內置橢球形缺陷混凝土試件的靜態(tài)拉伸強度表

從表2可得出，完整混凝土試件的拉伸強度為3.24 MPa，內置橢球形缺陷混凝土試件的拉伸強度均比完整試件的拉伸強度低，且最大降幅率達到了13.9%，表明橢球形缺陷試件對混凝土拉伸力學性能的影響較大；此外，隨著橢球形缺陷試件短半軸的增加，試件的拉伸強度也會隨之降低.

3.2 內置橢球形缺陷混凝土試件的裂紋擴展

利用引伸計可獲得裂紋寬度的擴展變化，取典型試件的裂紋寬度變化進行闡述，如圖6所示.

(a)內置橢球形缺陷試件C-1

由圖6(a)可知，隨著內置橢球形混凝土試件載荷的增加，裂紋寬度緩慢增加；當載荷達到最大峰值附近時，裂紋寬度突然增加，該現(xiàn)象與高速攝像機采集到的裂紋擴展現(xiàn)象一致，如圖7(a)所示.從圖中可以看出，在53 130幀之前的圖片，均無肉眼可見的裂紋；在53 130幀時，試件的中心附近突然出現(xiàn)裂紋(如圖圈中出現(xiàn)裂紋)，隨后裂紋迅速朝加載端方向擴展.說明在試驗過程中，在達到峰值載荷前裂紋擴展緩慢，無肉眼可見裂紋；當達到峰值載荷附近時，裂紋迅速擴展，出現(xiàn)肉眼可見裂紋.

53 129幀 53 130幀 53 131幀

可將試件表面裂紋的擴展模式分為兩個階段：第一階段為裂紋緩慢擴展階段，該階段的特點是，無肉眼可見裂紋，裂紋擴展緩慢；第二階段為裂紋快速擴展階段，該階段的特點是，出現(xiàn)載荷峰值使裂紋快速擴展.

從圖6(b)和圖7(b)中的裂紋寬度變化和裂紋的擴展變化趨勢來看，內置橢球形缺陷混凝土試件與完整混凝土試件的變化趨勢是十分類似的.因此，可認為內置的橢球形缺陷對本研究的試件表面裂紋擴展模式的影響不大.

4 結 論

本研究通過對內置橢球形缺陷圓柱形混凝土試件進行靜態(tài)劈拉試驗，得出如下結論：對于“a>b=c”型的橢球形缺陷混凝土試件，當長軸a=30 mm且長軸與加載軸方向一致時，隨著橢球形缺陷短半軸(5 mm≤b≤10 mm)的增加，試件的拉伸強度會逐漸降低；橢球形缺陷的存在會降低混凝土試件的拉伸強度；混凝土試件表面的裂紋擴展可分為前期緩慢生長，后期迅速擴展兩階段，且內置的橢球形缺陷對本研究裂紋兩階段擴展模式的影響不大.

致謝

感謝四川振通公路工程檢測咨詢有限公司提供的20T萬能材料機.