限制收縮條件下早齡期混凝土斷裂機理研究

約束環(huán)形試驗已被廣泛地用于評價混凝土的抗裂性能。然而，傳統(tǒng)環(huán)形試驗約束不足的問題始終沒有得到很好地解決，導(dǎo)致試驗中可能出現(xiàn)試件不開裂的現(xiàn)象。此外，仍然缺乏一套系統(tǒng)的理論體系來解釋環(huán)形試驗的開裂機理及其影響因素。因此，本項目提出了一種新穎的橢圓環(huán)試驗，并基于斷裂力學(xué)理論系統(tǒng)地分析了圓環(huán)/橢圓環(huán)試驗的開裂機理及其影響因素。本項目的主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： （1）提出基于斷裂力學(xué)的數(shù)值方法模擬環(huán)形試驗的破壞過程，通過引入虛擬溫度場模擬混凝土的收縮作用，耦合鋼環(huán)與混凝土環(huán)之間的相互作用，基于虛擬裂縫模型和縫尖應(yīng)力強度因子為判據(jù)的裂縫擴展準(zhǔn)則分析環(huán)形試件裂縫起裂與擴展全過程。試驗測得的開裂時間與數(shù)值模擬吻合良好，驗證了本研究提出的數(shù)值方法的合理性。 （2）分別研究了混凝土厚度37.5mm、75mm，鋼環(huán)厚度12.5mm、19.5mm的一系列圓環(huán)、橢圓環(huán)試件的開裂時間與裂縫擴展過程。研究表明，37.5mm厚的環(huán)形試件試用均勻收縮假設(shè)，裂縫由內(nèi)側(cè)起裂向外側(cè)擴展；75mm厚的環(huán)形試件應(yīng)考慮徑向濕度梯度，裂縫由外側(cè)起裂向內(nèi)側(cè)擴展；長短軸比為2:1的橢圓環(huán)約束作用較強，橢圓環(huán)的優(yōu)勢隨著混凝土環(huán)厚度的增加而減弱；此外，試驗中鋼環(huán)壓應(yīng)變的突然回滯代表著裂縫的失穩(wěn)擴展。 （3）分別研究了干燥方式和混凝土強度對開裂機理的影響。高度方向不均勻收縮對開裂過程有顯著影響，裂縫出現(xiàn)在截面的左上和左下角，起裂后即向右貫通形成水平裂縫，上下水平裂縫逐漸向中間擴展直到裂縫貫通整個截面；進行了C30、C50、C80混凝土環(huán)形試驗，試驗和模擬結(jié)果表明，隨著混凝土強度的提高，鋼環(huán)約束作用提高并且約束環(huán)形試件開裂時間縮短。 （4）定義了橢圓環(huán)試驗約束度的概念，采用數(shù)值模擬的方法計算了長短軸比為2:1的橢圓環(huán)約束度，并擬合得到考慮混凝土材料性能、試件幾何尺寸的約束度表達式。對已知約束度的混凝土結(jié)構(gòu)，提出橢圓環(huán)試驗的限制收縮試驗設(shè)計方法。 本項目的研究能為我國評定早齡期混凝土抗裂標(biāo)準(zhǔn)試驗方法提供參考。 2100433B

限制收縮圓環(huán)試驗是評估早齡期混凝土抗裂性的主要方法，近年來在國際上已得到廣泛的應(yīng)用，但圓環(huán)試件存在約束剛度不足、對不同壁厚混凝土斷裂機理不明確等問題?；诖耍卷椖繑M將約束鋼環(huán)與外圍混凝土作為整體研究對象，提出以應(yīng)力強度因子為參量的裂縫擴展準(zhǔn)則，通過能反映濕度分布的虛擬溫度場模擬混凝土的收縮，采用虛擬裂縫模型分析混凝土裂縫擴展的全過程，研究早齡期混凝土限制收縮條件下的破壞模式并揭示其斷裂機理。同時針對圓環(huán)約束不足的問題，通過試驗與理論分析研究新型橢圓環(huán)試件在限制收縮試驗中的應(yīng)用，探討橢圓長短軸比、鋼環(huán)厚度、混凝土壁厚、干燥方式、預(yù)制裂縫等因素對限制收縮試驗結(jié)果的影響。在以上研究的基礎(chǔ)上，改進圓環(huán)試驗方法以適用于不同壁厚混凝土抗裂性評估，推薦應(yīng)用于限制收縮試驗的橢圓環(huán)最佳幾何尺寸，提出評定混凝土抗裂性能的試驗方法，為我國評定早齡期混凝土抗裂標(biāo)準(zhǔn)試驗方法提供參考。

現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在影響其性能的早期開裂。國內(nèi)外的研究側(cè)重于測試素混凝土材料的自由變形，實際工程中混凝土早期變形還會受到相鄰構(gòu)件、地基基礎(chǔ)、內(nèi)部配筋等的約束。系統(tǒng)地研究配筋混凝土約束條件下早期力學(xué)行為，可以揭示混凝土的早期開裂機理。.本課題擬在測試混凝土基本力學(xué)參數(shù)隨齡期變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，從配筋混凝土早期約束收縮性能試驗研究出發(fā)，測試配筋試件在給定約束和環(huán)境溫濕度條件下，因變形作用（收縮、溫度變形、徐變）以及荷載作用導(dǎo)致試件的應(yīng)力應(yīng)變和裂縫變化，采用統(tǒng)計方法分析其規(guī)律和關(guān)聯(lián)性，建立配筋構(gòu)件變形及開裂的試驗?zāi)Ｐ停贿\用應(yīng)變局部化概念描述開裂的漸進發(fā)展過程，建立混凝土早期時變過程的損傷本構(gòu)機理模型，以連續(xù)損傷力學(xué)方法實現(xiàn)早期開裂發(fā)展的數(shù)學(xué)表述。這些基礎(chǔ)工作對于認識結(jié)構(gòu)混凝土早期裂縫的生成動態(tài)和評價其早期力學(xué)特性的發(fā)展機制有重要作用。 2100433B

（1）對持續(xù)增長的早齡期混凝土物理、力學(xué)特性進行深入、系統(tǒng)地研究基礎(chǔ)上，從混凝土材料、結(jié)構(gòu)特征、環(huán)境因素、施工控制等過程綜合考慮,研究混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫的成因機理、分析方法與控制措施，建立依靠材料性能、力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)特征有機結(jié)合起來并能統(tǒng)一各種受力狀態(tài)的早齡期混凝土裂縫機理、控制理論新體系。（2）從混凝土微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究普通混凝土、高性能混凝土材料成型過程的時變溫度場、時變濕度場發(fā)展變化;考