（一）概述

近代研究认为，混凝土材料的破坏是由其内部存在的微裂缝的不稳定扩展所引起的。这种不稳定扩展主要是由于裂缝端部的微裂纹在外荷载作用下，不断扩展、汇集、贯通，最终形成一个微裂区所导致的。1976年，A.Hillerborg等人提出的虚拟裂缝模型以及Bazant提出的钝裂纹带模型较为真实地反映了混凝土的断裂破坏机理。断裂能GF是基于虚拟裂缝模型而提出的混凝土的断裂参数，它和其他力学参数一样，用于反映材料的力学特性。

国内外对普通混凝土进行了大量的断裂力学试验，对影响混凝土断裂参数GF、GⅠC（KⅠC、KⅡC）等的因素研究比较多。塑性混凝土作为近年发展起来的新材料，尚未见有塑性混凝土的断裂试验报道，随着塑性混凝土在水利工程中的应用，有必要对塑性混凝土进行断裂力学试验，测定其断裂参数，为塑性混凝土防渗墙的断裂分析计算提供基本资料。

（二）断裂力学试验方法

由于断裂力学所研究的是混凝土的裂缝扩展问题，因此有关试验都需要在试件上人为制造出裂缝的条件下进行。过去常用的试验方法有直接拉伸试验法、三点梁试验法、四点梁试验法、紧凑拉伸试验法和楔入劈裂法。

由于紧凑拉伸试件可直接测出混凝土的GF值和Ft值，因此只需增加一些辅助装置，即可在普通力学试验室内进行试验，试件的制作加工比较简单。

由于楔入劈裂法要求的试件尺寸较小，因此只需要增加一些辅助装置，就可以在万能试验机上进行试验。试件如图3-39所示。试件的成型和加工相当简单，楔入劈裂法还具有以下优点：

（1）自重影响较小，标准的试件尺寸仅20cm×20cm×10cm，自重影响几乎可忽略不计。

（2）能充分降低试验方法对试验结果离散性的影响。

（3）试验方法较为简单，要求的试验技术不复杂。

塑性混凝土强度较低，若采用三点弯曲梁或四点弯曲梁法，则自重的影响相当大，而且试件的制作及试验测试也会有较大的困难，因此我们采用楔入劈裂法进行塑性混凝土测试。

楔入劈裂法试件如图3-39所示，采用标准尺寸20cm×20cm×10cm，上部加载槽口尺寸为30mm×30mm，槽的底部开一深25mm，宽1mm的预裂缝，因塑性混凝土强度低，切割出微裂缝非常困难，故此我们用1mm的薄钢片固定于槽口模板上，当试件浇注时形成预裂缝。

图3-39　楔入劈裂试件（单位：mm）

图3-40　混凝土GF值测试装置示意图

1—试件；2—楔形加力块；3—固定夹块；4—轴承；5—垫块；6—位移传感器；7—压力传感器；8—信号处理器；9—X—Y坐标记录仪

试验设备如图3-40［11］和图3-41所示。普通力学试验室的万能试验机加上一些辅助装置和仪器，即可进行混凝土断裂能测试。试验原理是通过一楔形块把万能试验机施加的垂直向压力PV转换成水平向的撕裂力PH。PH作用于楔入劈裂试件上，按COD（裂缝张开位移）等速率规律加载，直至试块完全劈裂为止。压力传感器记录垂直向压力PV的变化全过程，位移传感器记录COD变化的全过程，通过X—Y坐标记录仪绘出PV—COD曲线。

图3-41　混凝土GF值测试设备

根据Rots，Bleauwendroad［12］的定义，断裂能GF指裂纹扩展单位面积所释放出的能量，即为外力施加于试块的所作的总功除以断裂韧带的面积。

式中　Alig——断裂韧带面积；

W0——外力所做的总功。

式中　α——楔形块加载边与垂直方向的夹角，本试验为α=15°；

A0——实测PV—COD曲线下的面积；

CODmax——实测最大缝宽，mm；

m1——楔形块质量，g；

m2——试块质量，m=m1+m2，g；

g——重力加速度。

各变量参见图3-42。

因此，W0的计算式为

图3-42　楔入劈裂试件GF、KⅠC计算的尺寸参数

以上各式的变量中，除b为试件厚度以外，其余参见图3-42所示。

（三）塑性混凝土断裂试验成果与分析

1.塑性混凝土断裂试验成果

本次试验共进行了编号为D2、D4、G5、G6四组试验。试件的配合比如表3-18所示，其中，水泥采用525硅酸盐水泥，黏土采用十三陵地区黏土。试件在温度为20±0.3℃，相对湿度为90%的条件下，养护至28d（D2、D4于5月30日浇注；G5、G6于6月4日浇注），移出养护箱后进行干燥处理。

表3-18　塑性混凝土D2、D4、G5、G6配合比(www.daowen.com)

D2、D4、G5、G6的断裂能GF值于1992年7月2～14日进行测试。试件劈裂后情况如图3-43所示。由X—Y坐标仪记录的P—COD典型曲线，经整理后如图3-44～图3-47所示。试验成果如表3-19～表3-26所示。表3-19中的GF1见表3-20，GF2见表3-21。

图3-43　试件劈裂破坏后情形（G6）

图3-44　D2的实测PV—COD曲线

图3-45　D4的实测PV—COD曲线

图3-46　G5的实测PV—COD曲线

图3-47　G6的实测PV—COD曲线

2.试验成果分析

分析试验结果可以看出塑性混凝土的断裂能GF与其配比情况有密切关系。现分析如下：

表3-19　塑性混凝土断裂能GF

注　试件尺寸：200mm×200mm×100mm；切口长度：25mm；加荷部件重：88.2N。

表3-20　断裂能GF分析（一）

续表

注　：加载部件产生的断裂能；：试件自重产生的断裂能；：外载产生的断裂能。

表3-21　断裂能GF分析（二）

注　：加荷部件产生的断裂能；：试件自重产生的断裂能；：外载产生的断裂能。

表3-22　断裂能GF分析（三）

注　：外载产生的断裂能；：加荷部件产生的断裂能；：试件自重产生的断裂能。

表3-23　D4与200号普遍混凝土GF对照

注　E：单轴抗压弹性模量；Ft：劈裂抗拉强度；FC：抗压强度。

（1）混凝土断裂能GF值与水灰比的关系。GF值与水灰比关系如图3-48所示。随着水灰比的增加，GF值几乎成线性下降。因为对于相同的材料配比，降低水灰比可提高混凝土的极限强度。而极限抗拉强度的提高显然能提高材料的抗拉破坏能力，这样也就可提高GF值。此外相同的材料配比，提高水灰比会增加混凝土的泌水量，因为混凝土硬化所需含水量是比较稳定的。而泌水量的增加相应会增多骨料下泌水腔的数目，降低混凝土的密实性。空腔的大小、数量及形状直接影响裂缝的扩展。

（2）由D2、D4、G5、G6的断裂能GF值资料整理结果可得出：

图3-48　GF与水灰比关系

图3-49　GF值与水泥用量关系

1）加载段的GF值GF1所占比重较小，大约为8%，这说明塑性混凝土的PV—COD曲线的下降段较平缓，表现出开裂过程中具有较明显的非线性性质。

2）试件自重产生的GF值GF2所占比重较小，仅为0.03～006，因此在实验测试中几乎可以忽略。加载部件产生的GF1所占比重较大，有些甚至达到55%，这主要是加载部件自重相对于最大荷载PVmax（m1g/PVmax）较大，但加载部件产生的GF1可较精确地测定，对GF的测量精度影响不会很大，因此楔入劈裂法用于塑性混凝土的GF测定是切实可行的。

（3）GF值与水泥用量关系。由图3-49可见GF值明显地随着水泥用量的增加而提高。在混凝土的其他材料用量不变的情况下，增加水泥用量能提高混凝土凝胶体的强度及胶体与骨料的界面强度，这样势必提高混凝土的抗拉破坏能力即提高GF值。

（4）GF值与无侧限初始弹模E、三轴抗压强度（σ1—σ3）关系不太明确。

（5）与200号普通混凝土的GF值相比参见表3-23。由表3-23可见，塑性混凝土的GF/E、GF/Ft、GF/FC为200号普通混凝土的同类值的好几倍，并且最大裂缝宽度CODmax略高于普通混凝土，实测的PV—COD曲线较普通混凝土平缓得多，这说明塑性混凝土的相对抗Ⅰ型破坏能力较强。