摘要:计算不同粗集料粒径、不同集料体积率和不同种类粗集料混凝土断裂能和断裂韧性;测试混凝土断裂时的声发射事件数;分析了集料性状对混凝土断裂性能的影响以及声发射事件数和断裂性能的关系.
关键词:混凝土;高强混凝土;集料;裂纹;声发射
集料是混凝土重要组成部分,通常占混凝土总体积的75%以上,构成了混凝土骨架,因此其在一定程度上决定了新拌混凝土流变性、硬化混凝土强度以及混凝土耐久性[1].
以前研究集料对混凝土力学性能影响时,研究对象为普通混凝土.普通混凝土由于界面强度低,混凝土破坏都是发生在界面,集料的特性影响不大.高强混凝土则由于界面得以加强,混凝土破坏可能切断集料,因而集料的特性对其影响较大;而且以前的研究手段较为单一,主要针对混凝土强度,本文利用混凝土的荷载-挠度曲线和混凝土声发射事件图研究混凝土断裂性能.近年来,工程使用的混凝土的强度越来越高,所以研究集料对高强混凝土断裂性能的影响对于提高混凝土的性能具有重要意义.
1　试验设计
1.1　原材料
水泥为上海吴淞水泥厂生产的#525普通硅酸盐水泥;超细矿渣为湖南韶峰水泥集团有限公司生产的超细矿渣;砂为中砂,细度模数为2.8;碎石1:粒径为5~20 mm的硬质碎石,石子级配良好,含泥量<0.1,压碎指标8.3%,该碎石筛分为5~10 mm,10~15 mm,15~20 mm间断级配;碎石2:粒径为5~20 mm的硬质石灰石,石子级配良好;卵石:粒径为5~20 mm的硬质石灰石,石子级配良好;碎砖:粒径为5~20 mm,松散体积质量为811 kg·cm-3,表现体积质量为1 630 kg·cm-3,吸水率为13.1%;陶粒:粒径为5~15 mm,松散体积质量为833.5 kg·cm-3,表观体积质量为1 400 kg·cm-3,吸水率为14%,压碎值为18.2%,筒压强度为8.75 MPa;减水剂为花王高效减水剂.
1.2　混合料配合比
考虑到集料性状对混凝土断裂性能影响,本文试验分为三组,分别为不同粗集料粒径混凝土试验;不同集料体积率混凝土试验;不同粗集料混凝土试验,各混合料配合比见表1~表3.

1.3　测试方法
混凝土断裂能的计算公式采用RILEM建议的公式

式中:ω0为荷载-挠度曲线下的面积,N·m;m为梁的跨间自重,kg;δ0为梁最终破坏时的变形,m;Alig为混凝土断裂韧带的面积,m2.
根据ASTM标准,按下式计算混凝土断裂韧性:

式中:Pmax为混凝土荷载-挠度曲线的峰值荷载,N:a,d,b,s分别为混凝土试件切口深度、厚度、宽度和试验机支点间距.
测量混凝土断裂能和断裂韧性,采用100 mm×100 mm×515 mm的试件,其净跨距为400 mm,切口深度为50 mm.进行三点弯曲试验时,同步运用发射仪记录混凝土断裂时的声发射事件数h.试验装置图及声发射探头布点如图1、图2,其中混凝土试件上下面探头布点反向对称.

2　试验结果
2.1　混凝土荷载-挠度曲线和声发射曲线(见图3)
混凝土材料受力过程中,材料发生塑性变形,从产生裂纹到裂纹扩展直至失稳断裂.在此期间,释放应变能,其中一部分以应力波的形式发射和传播,产生声发射.混凝土材料的声发射特征和强弱程度,携带着其组织结构变化的动态信息,通常以声发射的事件来表征声发射的特征[2].本文将混凝土荷载-挠度曲线和声发射曲线绘在同一图中,这样便于比较混凝土声发射的特征与断裂性能的关系

2.2　试验结果
利用式(1)和式(2)可分别计算混凝土断裂能和断裂韧性,由混凝土声发射事件曲线可得混凝土断裂过程中声发射事件数,如表4.

3　试验结果分析
3.1　集料性状与混凝土断裂性能关系
混凝土试件受力,一旦达到临界应力,裂纹将以不稳定方式扩展.裂缝在混凝土中扩展通过不同相扩展,其中各相又有不同的断裂性能,其扩展通常以以下三种方式进行1):
(1)裂纹全部切断集料继续扩展.
(2)裂纹全部绕集料与硬化水泥浆体界面扩展.
(3)裂纹切断集料和裂纹绕集料与硬化水泥浆体界面扩展同时存在.
本文就集料性状对裂纹在混凝土中扩展方式的影响进行讨论.
在高强混凝土中,砂浆和粗集料的界面强度得以加强.裂纹扩展遇到粗集料产生裂纹受阻现象.裂纹扩展总是沿着耗能最小的路径前进,裂纹穿过集料所耗的总能量要小于绕界面扩展所耗的总能量,因此在高强混凝土中,断裂途径在很多情况下是切断集料.在水灰比和集料体积率相同情况下,集料的粒径越大,切断集料所消耗的能量就越多,表现为断裂能和断裂韧性随着粗集料粒级增大而增大,而且从图3可以看出混凝土断裂过程中声发射事件随着集料粒径的增大而变得更加“猛烈”.
集料的体积率由40%增加到60%,从混凝土断裂面发现,其中集料被切断.一般来讲,集料的断裂表面能要大于硬化水泥浆体的断裂表面能,集料体积率增加,混凝土的断裂表面能增加.由表4可知体积率由40%增加到60%,混凝土断裂和断裂韧性增加,从图3看出声发射事件明显变强.然而,当集料体积率由60%增加到80%时,由于集料体积率过大,界面强度下降,由混凝土断裂面可以观察到,裂纹绝大多数沿集料的界面扩展.这种情况下,界面断裂表面能要远小于硬化水泥浆体断裂表面能,集料体积率增加,混凝土断裂表面能降低.由表4可知,混凝土断裂能、断裂韧性及声发射事件数也随之降低,同时从图3可看出随着体积率的增加声发射事件变得较“平缓”.
从碎石混凝土和碎砖混凝土的断裂面,可以看出裂纹切断集料扩展.碎石断裂表面能大于硬化水泥浆体断裂表面能,而碎砖断裂表面能远远小于硬化水泥浆体断裂表面能,从表4可以看出碎石混凝土的断裂能和声发射事件数都大于碎砖混凝土.由于卵石混凝土界面强度较低,从其断裂面,可以看出裂纹切断集料与裂纹沿界面扩展同时存在,但是裂纹还是较多地沿集料扩展,所以卵石混凝土表面断裂能要小于碎石混凝土表面断裂能.因此碎石混凝土的断裂能、断裂韧性和声发射事件数均大于卵石混凝土.陶粒混凝土由于粗集料强度低且界面强度也低,故其断裂性能最差.比较声发射事件图,碎石混凝土断裂过程中声发射事件最为“猛烈”,陶粒混凝土发射事件最为“平缓”.
3.2　断裂性能与声发射关系
近一步研究断裂能、断裂韧性与声发射事件数的关系,可得图4.断裂韧性与事件数的线性相关性很好,断裂能与事件数的线性相关性次之.混凝土的断裂能是指断裂混凝土单位面积所需要的表面能,断裂韧性是用来表示混凝土阻止裂缝失稳扩展的能力,而事件数则表示混凝土断裂时所释放出的应力波的强弱.这三者均从不同角度来阐述裂纹在混凝土扩展的情况.本文将声发射事件数与混凝土断裂能、断裂韧性归为线性关系.

4　结论
(1)粗集料粒径增大,混凝土断裂能和断裂韧性增大,声发射事件数增多,断裂过程中声发射事件变得“猛烈”.集料体积率由40%增加到60%,混凝土断裂能和断裂韧性增加,声发射事件数增加;但体积率增加到80%,混凝土断裂能和断裂韧性降低,声发射事件数减少,其中集料体积率为60%时,断裂时声发射事件最“猛烈”.不同种类粗集料混凝土断裂能、断裂韧性以及声发射事件数大小次序为碎石混凝土、卵石混凝土、碎砖混凝土和陶粒混凝土,碎石混凝土断裂过程中声发射事件最为“猛烈”,陶粒混凝土发射事件最为“平缓”.
(2)裂纹在混凝土中扩展有三种方式:裂纹全部切断集料继续扩展;裂纹全部绕集料与硬化水泥浆体界面扩展;裂纹切断集料和裂纹绕集料与硬化水泥浆体界面扩展同时存在.整料体积率一定的条件下,裂纹在高强混凝土中切断集料扩展;集料粒径一定条件下,集料体积率在40%和60%时,裂纹切断集料扩展,而集料体积率增加到80%,裂纹切断集料和裂纹绕集料与硬化水泥浆体界面扩展同时存在;集料粒径和集料体积率一定的条件下,碎石混凝土中,裂纹全部切断集料继续扩展;而卵石混凝土中,裂纹切断集料和裂纹绕集料与硬化水泥浆体界面扩展同时存在;碎砖和陶粒集料其本身强度很差,故裂纹继续扩展将切断集料.集料性状通过影响裂纹扩展方式,进而影响混凝土断裂能、断裂韧性以及声发射事件.
(3)声发射事件数与混凝土断裂能、断裂韧性有一定的线性相关性.