混凝土脆性特征的断裂力学分析及裂缝起裂机理研究

It is of paramount importance to precisely determine the initial cracking load for the study of the crack initiation mechanisms and the safety evaluation of concrete structures. In this proposal, experimental observation techniques used to determine initial cracking load are first investigated. High-speed video technique as the direct observation technique is combined with the indirect observation technique like strain gauge etc., to observe crack propagation of the preformed crack tip both on the surface and inside the specimen. The relationships between monitoring signals and double-K fracture parameters are built to determine the initial cracking load, so that a complete system is formed for determination of initial cracking load. Then the size effect of initial cracking toughness determined by tests and the mechanisms of crack initiation in the process of crack propagation are further studied. Moreover, it is known that the singular stress field near crack tip disappears owing to the cohesive force distributed on fracture process zone. Therefore, aiming to the cracking and brittle characteristics in concrete, the theoretical analysis of factors that affect the value of toughness increase caused by cohesive force is made to seek methods of improving the cracking and brittle characteristics in concrete. Finally, the initial cracking toughness and brittleness parameter as the representative parameters are used to evaluate the improvement results. That is a preparation for the future reserch work of changing the cracking and brittle characteristics in concrete totally. This project is expected to uncover the crack initiation mechanisms during the fracture process of concrete, thus pushing forward the development of concrete fracture mechanics. Furthermore, it is able to provide a quantatative scientific foundation for the safety evalution of cracks and the safety service of concrete structures during their whole life circle.

混凝土起裂荷载的准确测定对于研究混凝土断裂过程中裂缝起裂机理和结构裂缝安全性评估具有重要的科学意义。本申请拟同时采用高速成像的直接观测技术和应变片等其他间接观测技术，结合试件表面观测与试件内部观测方式，建立监测信号与断裂参数之间的对应关系，形成完整的起裂荷载试验测定系统，并根据试验测定的起裂韧度考察混凝土双K断裂模型中断裂参数的尺寸效应，研究裂缝扩展过程中裂缝的起裂机理。在此基础上，针对混凝土易开裂的脆性特征，从断裂过程区内骨料咬合作用产生的粘聚应力可以减弱裂缝尖端应力场奇异性这一思想出发，定量分析混凝土粘聚应力阻裂贡献大小的影响因素，建立以起裂韧度及脆性指数为表征的效果评价指标，并提出改善混凝土易裂和脆性特征的科学方法。研究成果将从根本上揭示混凝土起裂机理并有力地推动混凝土断裂力学的发展，同时为混凝土结构裂缝的安全性评估、保障结构的全生命周期安全服役提供定量的科学依据。

本项目研究旨在建立完整的起裂荷载试验测定系统，为起裂荷载的确定提供技术支持；揭示混凝土断裂过程中裂缝起裂机理，推动混凝土断裂力学的发展；运用断裂力学原理获得影响混凝土开裂和脆性的因素，提出改善措施，为从根本上改善混凝土的脆性易裂特征提供定量的科学依据。为此，开展了以下相关研究工作：（1）进行了电测法测量起裂荷载的强度敏感性研究，探讨电测法测量不同强度混凝土起裂荷载时的工作稳定性以及应变片标距对测量结果的影响。进一步提高传统电测法测试结果的准确性和有效性。（2）通过电测法和数字图像相关法的对比研究，确定了数字图像相关法辅助测定起裂荷载的监测识别信号。为进一步准确测定起裂荷载提供了技术支持。（3）开展了不同强度和高度的标准三点弯曲梁、非标准楔入劈拉试件、半圆三点弯试件、改进的圆形紧凑拉伸试件测定混凝土Ⅰ型断裂断裂参数的实验研究。分析双K断裂参数测试结果的稳定性和尺寸效应，为进一步了解混凝土的裂缝起裂和增韧机理奠定了基础。（4）结合实际工程应用，设计了丹江口大坝混凝土钻芯芯样的圆柱体楔入劈拉断裂试验。根据实验测得的双K断裂参数判定丹江口大坝18 坝段上游裂缝的稳定性，合理指导裂缝处理和结构加固。5）出于方便解析和工程应用的考虑，在各种经典模型、特别是在徐世烺和赵国藩提出的窄条断裂区模型的基础上，提出了一个近似的断裂分析模型—修正的窄条断裂区模型用以进行混凝土粘聚断裂韧度的计算。6）研究了UHTCC对混凝土材料的增韧作用。通过在普通混凝土中加入少量UHTCC，有效降低了材料的脆性指数，延长了裂缝从开始扩展到失稳破坏所需要的时间。7）开展了利用UHTCC对现有混凝土结构因混凝土材料易裂脆性引起的劣化问题进行维护和修复的研究。利用方差分析法，系统地调查了UHTCC与混凝土界面剪切粘结强度的影响因素。进一步，提出了计算UHTCC和混凝土界面剪切粘结强度的数学模型和预测公式，指导如何通过采用合理的UHTCC加固方法，优化UHTCC和混凝土界面剪切粘结性能，从而有效提高既存混凝土结构抵抗裂缝扩展的能力。