混凝土断裂试验标准试件|《混凝土断裂力学》

位移控制模式的单轴拉伸试验，例如八字模拉伸试验（图3.11），可作为直接方法用来确定混凝土的断裂特征。然而，该类试验实际操作相对单一，只能适用于较小尺寸的试件。

为了开展准脆性材料（如混凝土）的断裂试验，还可以使用多种不同几何形状的标准试件开展间接试验。间接试验常用到的有三点弯曲试验（TPBT）、紧凑拉伸试验（CT）以及劈裂试验（WST）等不同几何形状，如图3.12所示。

图3.11　八字模和夹具拉伸试验设备

图3.12　试件几何形状示意图

三点弯曲几何形状是一种用于不同断裂模型测定断裂参数的常用手段。基于TPBT构件的断裂试验具有一定的优势，它可以在标准的试验机上进行，并且对预缺口梁更容易进行稳定弯曲试验。国际结构与材料研究联合会（International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials，Systems and Structures，RILEM）混凝土断裂力学委员会（TC－50FMC）建议采用三点弯曲试验对缺口梁测定胶凝材料的断裂能量。然而，对于大尺寸结构，梁的自重不利于断裂试验，不仅要处理试验试件本身的问题，还要对断裂分析进行特殊处理。此外，实践中也不大可能从施工现场或既有结构中钻取这种试件。

作为替代，紧凑拉伸试验（CT）和劈裂试验（WST）已经被众多研究者用来测定混凝土的断裂参数。标准的紧凑拉伸结构是一个受拉的单边带缺口的平面。ASTM标准E－399（2006）规定了紧凑拉伸试件的通用比例和标准构形。许多研究者（Wittmann，1988；Brühwiler，1990）用CT测定了混凝土的断裂能GF。然而，CT试验也存在一些缺陷：①样本的形状选择缺少灵活性，因此直接从已有结构中钻取较为困难；②要将荷载直接施加在构件上或许在试验布置上不太方便；③试验只能在裂缝张开位移（COD）控制的试验步骤下进行。

劈裂试验（WST）是紧凑拉伸试验的一种特殊形式。试验时，在监控荷载和裂缝开口张开位移（CMOD）过程中，将一个带有凹槽和缺口的小型构件切入。Linsbauer和Tschegg（1986）最早使用WST几何形状进行了准脆性材料的稳定断裂试验，随后Brühwiler和Wittmann（1990）修正了试验方案。通过WST试件进行混凝土的稳定断裂试验在实践中的重要性越来越显著，因为它具有以下几个优点：①试件小且密实，所需材料较少；②有相对较大的韧带面积-混凝土体积比；③试验结果少，受试件自重的影响最小；④断裂试验过程具有较好的稳定性；⑤与TPBT几何形状相似，基于WST试件的试验可由楔形位移的恒定速率控制，也可由闭环张开位移（COD）控制；⑥试件的几何形状可以是立方体或圆柱体，适用于从既有结构中钻取混凝土芯来进行断裂试验。

1.三点弯曲试验（TPBT）(www.xing528.com)

TPBT的标准尺寸如图3.12（a）所示，符号B、W和S分别代表宽度、深度和跨径，且。

2.紧凑拉伸试验（CT）

根据ASTM标准E－399（2006），标准CT试件的尺寸和形状如图3.12（b）所示，其中试件厚度B=0.5W。

3.劈裂试验（WST）

WST试件中的尺寸如图3.12（c）所示，D1、2H和B与标准CT试件相比会有稍稍不同，这是由实际情况的要求和便捷性所决定的。尽管如此，由于劈裂试验和紧凑拉伸试验在试件几何形状和加载条件都具有相似性，因此用于计算劈裂试件断裂参数的LEFM表达式同样适用于CT试件。在劈裂试验中，竖向荷载PV和裂缝张开位移（COD）被记录下来，水平力PH通过式（3.3）计算，而在CT试件中水平力直接由试验记录。

图3.12（c）中，PV是施加的竖向荷载，N是法向反力，Ff是摩擦力，PH是作用在试件上的水平力，θ是楔形角度。如果μ是楔块和滚轴之间的摩擦系数，根据力的平衡，PH由下式得到：

忽略摩擦力且考虑楔块角度较小即15°的情况，式（3.3）简化为

式（3.4）表明，即使试件所受的竖向力较小，仍然可以产生放大的水平力，因此减少了对试验机高性能的需求。为方便起见，后文将作用在WST试件上的水平力用符号P表示。