Application of Fracture Mechanics to Cementitious Composites

بتن سیمان پرتلند یک ماده نسبتا شکننده است. در نتیجه، رفتار مکانیکی بتن، بتن مسلح معمولی، بتن پیش تنیده و بتن مسلح با الیاف به شدت تحت تأثیر انتشار ترک قرار می‌گیرد. بنابراین، جای تعجب نیست که تلاش هایی برای اعمال مفاهیم مکانیک شکست برای تعیین کمیت مقاومت در برابر ترک در کامپوزیت های سیمانی انجام می شود. رشته مکانیک شکست در دهه 1920 با کار A. A. Griffith در مورد شکست مواد شکننده مانند شیشه آغاز شد. با این حال مهمترین کاربردهای آن برای کنترل شکست شکننده و شکست خستگی سازه های فلزی مانند مخازن تحت فشار، هواپیماها، کشتی ها و خطوط لوله بوده است. توسعه قابل توجهی در بیست سال گذشته در اصلاح ایده های گریفیث یا در پیشنهاد مفاهیم جدید برای توضیح شکل پذیری معمولی فلزات رخ داده است. در نتیجه این تلاش ها، تکنیک های تست استاندارد برای به دست آوردن پارامترهای شکست فلزات در دسترس بوده و طراحی بر اساس این پارامترها در مشخصات مربوطه گنجانده شده است. در حدود دو دهه اخیر تلاش های زیادی برای اعمال مفاهیم مکانیک شکست در سیمان، ملات، بتن و بتن مسلح صورت گرفته است. تاکنون، این تلاش ها به مجموعه ای منحصر به فرد از پارامترهای مواد منجر نشده است که بتواند مقاومت این کامپوزیت های سیمانی را در برابر شکست کمیت کند. هیچ روش آزمایش استاندارد و یک تحلیل نظری پذیرفته شده عمومی برای بتن و فلزات ایجاد نشده است.

Portland cement concrete is a relatively brittle material. As a result, mechanical behavior of concrete, conventionally reinforced concrete, prestressed concrete, and fiber reinforced concrete is critically influenced by crack propagation. It is, thus, not surprising that attempts are being made to apply the concepts of fracture mechanics to quantify the resistance to cracking in cementious composites. The field of fracture mechanics originated in the 1920's with A. A. Griffith's work on fracture of brittle materials such as glass. Its most significant applications, however, have been for controlling brittle fracture and fatigue failure of metallic structures such as pressure vessels, airplanes, ships and pipe­ lines. Considerable development has occurred in the last twenty years in modifying Griffith's ideas or in proposing new concepts to account for the ductility typical of metals. As a result of these efforts, standard testing techniques have been available to obtain fracture parameters for metals, and design based on these parameters are included in relevant specifications. Many attempts have been made, in the last two decades or so, to apply the fracture mechanics concepts to cement, mortar, con­ crete and reinforced concrete. So far, these attempts have not led to a unique set of material parameters which can quantify the resistance of these cementitious composites to fracture. No standard testing methods and a generally accepted theoretical analysis are established for concrete as they are for metals.