限制收缩条件下早龄期混凝土断裂机理研究

Restrained shrinkage ring test is used widely to assess the cracking tendency of concrete at early age. However, it has been reported that the restrained stiffness provided by the inner steel ring is not adequate, and the fracture mechanism of restrained concrete is not explicit to some extent. In line with this, a crack propagation criterion expressed by stress intensity factor is proposed to determine the crack propagation under restrained shrinkage. Through coupling the contact effect between steel ring and outer concrete, a numerical method based on fictitious fracture model is developed to analyze stress development and crack initiation in concrete rings in which the effect of concrete shrinkage is simulated by a fictitious temperature drop applied on concrete causing the same strain as shrinkage does. Moreover, considering the weak restraint provided by inner circular steel ring, a test method using elliptical steel ring is developed to assess the cracking tendency of concrete at early age. The effects of the ratio between the major and the minor semi-axes of an elliptical ring, the thickness of steel and concrete ring, the drying direction and the notched crack on the experimental results are discussed in the restrained shrinkage test. Based on the experimental and theoretical research, the traditional circular ring test is modified to be suitable for the concrete specimens with different thicknesses, and an appropriate size for elliptical ring is recommended to shorten test process. Further, a novel test method is proposed by setting a notched crack to assess crack initiation under restrained shrinkage. It is expected that the current research will be helpful for standardizing the restrained shrinkage test of concrete at early age in China.

限制收缩圆环试验是评估早龄期混凝土抗裂性的主要方法，近年来在国际上已得到广泛的应用，但圆环试件存在约束刚度不足、对不同壁厚混凝土断裂机理不明确等问题。基于此，本项目拟将约束钢环与外围混凝土作为整体研究对象，提出以应力强度因子为参量的裂缝扩展准则，通过能反映湿度分布的虚拟温度场模拟混凝土的收缩，采用虚拟裂缝模型分析混凝土裂缝扩展的全过程，研究早龄期混凝土限制收缩条件下的破坏模式并揭示其断裂机理。同时针对圆环约束不足的问题，通过试验与理论分析研究新型椭圆环试件在限制收缩试验中的应用，探讨椭圆长短轴比、钢环厚度、混凝土壁厚、干燥方式、预制裂缝等因素对限制收缩试验结果的影响。在以上研究的基础上，改进圆环试验方法以适用于不同壁厚混凝土抗裂性评估，推荐应用于限制收缩试验的椭圆环最佳几何尺寸，提出评定混凝土抗裂性能的试验方法，为我国评定早龄期混凝土抗裂标准试验方法提供参考。

约束环形试验已被广泛地用于评价混凝土的抗裂性能。然而，传统环形试验约束不足的问题始终没有得到很好地解决，导致试验中可能出现试件不开裂的现象。此外，仍然缺乏一套系统的理论体系来解释环形试验的开裂机理及其影响因素。因此，本项目提出了一种新颖的椭圆环试验，并基于断裂力学理论系统地分析了圆环/椭圆环试验的开裂机理及其影响因素。本项目的主要研究内容及结论如下：.（1）提出基于断裂力学的数值方法模拟环形试验的破坏过程，通过引入虚拟温度场模拟混凝土的收缩作用，耦合钢环与混凝土环之间的相互作用，基于虚拟裂缝模型和缝尖应力强度因子为判据的裂缝扩展准则分析环形试件裂缝起裂与扩展全过程。试验测得的开裂时间与数值模拟吻合良好，验证了本研究提出的数值方法的合理性。.（2）分别研究了混凝土厚度37.5mm、75mm，钢环厚度12.5mm、19.5mm的一系列圆环、椭圆环试件的开裂时间与裂缝扩展过程。研究表明，37.5mm厚的环形试件试用均匀收缩假设，裂缝由内侧起裂向外侧扩展；75mm厚的环形试件应考虑径向湿度梯度，裂缝由外侧起裂向内侧扩展；长短轴比为2:1的椭圆环约束作用较强，椭圆环的优势随着混凝土环厚度的增加而减弱；此外，试验中钢环压应变的突然回滞代表着裂缝的失稳扩展。.（3）分别研究了干燥方式和混凝土强度对开裂机理的影响。高度方向不均匀收缩对开裂过程有显著影响，裂缝出现在截面的左上和左下角，起裂后即向右贯通形成水平裂缝，上下水平裂缝逐渐向中间扩展直到裂缝贯通整个截面；进行了C30、C50、C80混凝土环形试验，试验和模拟结果表明，随着混凝土强度的提高，钢环约束作用提高并且约束环形试件开裂时间缩短。.（4）定义了椭圆环试验约束度的概念，采用数值模拟的方法计算了长短轴比为2:1的椭圆环约束度，并拟合得到考虑混凝土材料性能、试件几何尺寸的约束度表达式。对已知约束度的混凝土结构，提出椭圆环试验的限制收缩试验设计方法。.本项目的研究能为我国评定早龄期混凝土抗裂标准试验方法提供参考。