混凝土断裂力学研究的初步成果

20世纪60年代初，Kaplan（1961）第一次尝试将线弹性断裂力学的概念应用于混凝土，并采用预缺口三点和四点弯曲混凝土试件来测量混凝土的临界能量释放率Gc。试验结果表明，混凝土临界能量释放率Gc取决于混凝土的配合比、荷载的形式、初始缺口长度的相对尺寸及试件的尺寸。在此之后，为了预测混凝土的断裂行为，进行了许多试验和数值研究。例如，研究人员将线弹性断裂力学金属应力强度因子的临界值KIC的试验测定方法，应用于水泥类材料。

Gluchlich（1963）的研究揭示，裂缝尖端的微裂缝区（即断裂过程区）的存在提高了临界能量释放率。在受拉断裂中，断裂驱动力（能量释放率）随裂缝长度的增加而增加。Naus和Lott（1969）通过三点弯曲试验测定了几种混凝土参数对混凝土断裂韧度的影响，这些参数包括：水灰比、孔隙率、砂灰比、养护龄期以及粗集料的大小和类型，结果表明，混凝土断裂韧度与这些参数具有一定的相关性。

Shah和McGarry（1971）得出结论，硬化的波特兰水泥是缺口敏感性材料，但是砂浆和含有适量集料的混凝土在缺口长度控制在几厘米内的条件下却是非缺口敏感性材料。砂浆和混凝土的缺口长度临界值取决于集料颗粒的体积、类型和尺寸等。

Walsh（1971）报道了在三点弯曲构型下，对具有几何相似性缺口的混凝土梁所开展的断裂韧度的试验结果。通过将名义强度及其尺寸的试验结果在对数坐标轴上表示，发现结果并不呈斜率为1/2的直线，从中可以推断出线弹性断裂力学（LEFM）并不适用于混凝土。Walsh表示，使用LEFM得到的裂缝扩展荷载取决于试件的大小。此外，为了使LEFM能够应用于混凝土，对于梁高225 mm的情况，断裂试验中的韧带长度最小值为150 mm。

Brown（1972）采用了带缺口梁和双悬臂梁两种方法来测定水泥浆和砂浆的断裂韧度。对两种材料的试验表明，水泥的断裂韧度与裂缝扩展无关，而砂浆的断裂韧度随着裂缝的扩展而增加。

Kesler（1972）对大量开裂的水泥浆、砂浆和混凝土试件进行了试验研究，目的是验证LEFM对这些材料的适用性。基于试验结果的分析得出结论，LEFM的概念无法直接应用到具有尖锐裂缝的胶结材料中。

Brown和Pomeroy（1973）用预缺口梁和双悬臂梁测定了水泥浆和砂浆的断裂韧度。试验研究的报告中提到，集料的尺寸和质量对断裂韧度有一定影响。研究发现，添加集料不仅使韧度增加，而且使韧度随裂缝生长而逐渐增加。集料的占比越高，韧度的增加越大，而且细集料在这方面似乎比粗集料效果更好。

针对素砂浆和聚合物浸渍砂浆的断裂研究显示，这些材料对宏观裂缝扩展的抗力并不受水灰比和养护龄期的影响，而是会因为聚合物浸渍而大大增强。断裂参数与超过2 cm的裂缝长度无关。Walsh（1976）报道了试件尺寸对断裂参数的影响。研究显示，从实验室尺度的试验结果来看，试件尺寸对推断真实结构表现具有显著影响（即尺寸效应）。LEFM的有效性取决于微裂缝范围、慢速裂缝扩展以及其他的裂缝尖端的非弹性行为。如果试件尺寸足够大，应力扰动区可以认为是被一个区域所包围，该区域的应力基本上与理想应力分布一致，因此LEFM可以用于得到开裂荷载。如果试件相对于微裂缝区较小，那么LEFM将无法作为失效准则。(www.xing528.com)

Mindess和Nadeau（1976）用三点弯曲试验对砂浆和混凝土的带缺口试件进行了试验研究，目的是揭示应力强度因子的临界值是否取决于裂缝前沿的长度（试件的宽度）。试验结果表明，在研究的尺寸范围内，断裂韧度与裂缝前沿的长度无关，说明对砂浆和混凝土来说，没有明显的屈服塑性区。

Gjφrv等（1977）基于三点弯曲试验对不同类型、体积、尺寸和集料强度混凝土的缺口敏感性和断裂韧度进行了试验研究。结果显示，砂浆和混凝土都是缺口敏感性材料，尽管其敏感性不如水泥浆。轻质混凝土则表现出了与水泥浆相同的断裂特性。

Hillemeier和Hilsdorf（1977）基于试验测定了硬化水泥浆、集料以及集料和水泥浆交界面的断裂力学特性。研究发现，水泥浆和交界面的断裂韧度随初始裂缝长度的增加而减小，但对裂缝长度的后续增加，断裂韧度保持常量。最终研究发现，硬化水泥浆、集料及其交界面表现出独有的断裂韧度大小，并且与初始裂缝的长度无关。

Cook和Crookham（1978）研究了预拌浸渍聚合物混凝土的特性。预缺口梁技术被用于测定断裂参数，并同时对断裂过程区进行测量。试验结果表明，预拌混凝土中的热处理使单体聚合，这对断裂韧度有显著的影响。素预拌聚合混凝土具有部分缺口敏感性，而浸渍聚合物混凝土是完全缺口敏感的。

Strange和Bryant（1979）基于三点弯曲和拉伸试件对混凝土、砂浆和水泥浆进行了断裂试验。结果表明，混凝土是缺口敏感的且断裂韧度与试件尺寸相关。试验中裂缝的慢速生长现象也很明显。这些现象表明，混凝土不能被当作理想弹性均质材料，裂缝尖端必定存在非弹性行为的区域。

一直到20世纪70年代中期，许多研究仍努力尝试将线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学的裂缝扩展研究应用于混凝土类材料，但逐渐地形成这样一种共识，没有一个单一的断裂力学参数能够量化混凝土裂缝扩展。不同的研究者均发现，混凝土类材料的应力强度因子临界值主要与试件几何形状、试件大小和尺寸以及测量技术的类型有关。十分明确的是，初始裂缝尖端被微裂缝区和其他非弹性现象所包围，它们导致了在达到不稳定状态前裂缝的缓慢扩展行为，即形成了混凝土材料独有的断裂过程区，属于一种应力软化的准脆性作用。因此，用于量化胶凝或准脆性材料的断裂特性和裂缝扩展研究往往需要多个参数。