邢峻偉，張玉敏，宋珂，郝澤靜

(河北聯(lián)合大學(xué)河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

混凝土是一種膠凝的物質(zhì)材料，可以依據(jù)不同的要求和性能進(jìn)行配合，最終成為穩(wěn)定固結(jié)狀態(tài)且內(nèi)部復(fù)雜的材料，可以表現(xiàn)出良好的材料性能。在現(xiàn)代的建筑物和構(gòu)筑物中，時(shí)刻都離不開(kāi)混凝土的澆注，作為它們結(jié)構(gòu)當(dāng)中的一部分，并且不容小覷，它在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及其它方面起著很重要的作用。建筑物和構(gòu)筑物不是始終處于靜態(tài)，時(shí)常會(huì)由于地震、沖擊、爆炸等特殊原因產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響，這就要求我們熟悉混凝土動(dòng)態(tài)的特性。動(dòng)態(tài)作用下，混凝土特性主要通過(guò)應(yīng)變速率對(duì)混凝土內(nèi)部機(jī)構(gòu)機(jī)理參數(shù)影響進(jìn)行研究［1］。

1 簡(jiǎn)介

在以往的單軸抗壓試驗(yàn)中，對(duì)已采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，探討混凝土在考慮應(yīng)變速率下單軸的抗壓試驗(yàn)中內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機(jī)理參數(shù)的變化規(guī)律，從混凝土的本構(gòu)關(guān)系中作出相應(yīng)的論證［2］。單軸實(shí)驗(yàn)主要從抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量及應(yīng)力應(yīng)變的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析［2，3］。

試驗(yàn)采用電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)尺寸為70mm×70mm×210mm棱柱體預(yù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度C20混凝土進(jìn)行加載試驗(yàn)，采用四種加載速率為 10－2/s、10－3/s、10－4/s 和 10－5/s，實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度分別為 15.8MPa、15.2MPa、14.2MPa 和15.6MPa。通過(guò)采集設(shè)備保存的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理與分析，研究混凝土的本構(gòu)關(guān)系及內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理［4，5］。

2 數(shù)據(jù)分析

從采集的數(shù)據(jù)中取加載速率為10－2/s時(shí)應(yīng)變片的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)應(yīng)變片與(包含應(yīng)變片的粘貼位置)軸力采集的數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計(jì)應(yīng)變片－軸力的關(guān)系曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)軸力由零開(kāi)始加載，應(yīng)變片值隨軸力的上升會(huì)逐漸升高，升高到最大值后應(yīng)變片值趨于下降，直至應(yīng)變片被破壞。

圖1 應(yīng)變片應(yīng)力的變化及應(yīng)變片位置

在不同加載速率下的單軸試驗(yàn)中，通過(guò)作動(dòng)器的力傳感器采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算處理得到不同加載速率下的抗壓強(qiáng)度及均值，如表1所示。加載速率與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以看出，抗壓強(qiáng)度的樣本值離散性較大，規(guī)律性較差。但總體上抗壓強(qiáng)度的平均值隨加載速率的提高呈上升趨勢(shì)(加載速率由10－5/s至10－2/s)。

通過(guò)應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定單軸實(shí)驗(yàn)中峰值應(yīng)變的樣本值和其平均值，如表2所示。峰值應(yīng)變與加載速率的關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，不同的加載速率下混凝土的峰值應(yīng)變樣本點(diǎn)的分布紛雜，規(guī)律性較差。而混凝土峰值應(yīng)變的平均值隨加載速率的升高而呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。加載速率由10－5/s至10－3/s時(shí)，峰值應(yīng)變值呈上升趨勢(shì)并變化明顯;而加載速率由10－3/s至10－2/s時(shí)，峰值應(yīng)變值急劇降低。

表1 不同加載速率下抗壓強(qiáng)度值及均值

圖2 抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變速率的關(guān)系

圖3 應(yīng)變速率對(duì)峰值應(yīng)變的影響

表2 不同加載速率下峰值應(yīng)變值及均值

由于在塑性階段后混凝土初始彈性模量的變化不能完全反映應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，加之試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在離散性及精確測(cè)量的限制，所以通常會(huì)采用變形模量或切線模量影像應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系［4］，并取40%－60%峰值應(yīng)力的割線模量作為彈性模量［5，6］。通過(guò)實(shí)驗(yàn)中力傳感器(軸力)和位移應(yīng)變的采集的數(shù)據(jù)，確定50%峰值應(yīng)力處的割線模量值作為彈性模量，彈性模量及其平均值如表3所示。而C20混凝土彈性模量隨加載速率的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可以看出，混凝土彈性模量隨加載速率的上升，整體呈下降趨勢(shì)。混凝土彈性模量的平均值隨加載速率由10－5/s至10－4/s時(shí)，呈下降趨勢(shì)，變化十分明顯;由10－4/s至10－2/s時(shí)彈性模量的均值變化不大?？傊?，單軸抗壓實(shí)驗(yàn)中混凝土彈性模量的數(shù)值及平均值隨加載速率升高整體趨勢(shì)下降。

經(jīng)加載速率下混凝土單軸抗壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)作動(dòng)器中力傳感器得到的軸力和位移應(yīng)變器采集的數(shù)據(jù)，作出了不同加載速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線。在10－2/s、10－3/s、10－4/s和10－5/s加載速率下，四塊試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5、圖6、圖7和圖8所示。這些應(yīng)力應(yīng)變曲線可以體現(xiàn)出混凝土在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的力學(xué)性能及內(nèi)部機(jī)理參數(shù)的變化規(guī)律。

表3 不同加載速率下彈性模量至及均值(104N/mm2)

在單軸抗壓的試驗(yàn)中，應(yīng)力應(yīng)變曲線可以反映出混凝土由初始受壓直至出現(xiàn)裂紋、裂縫、起皮甚至到最后貫通被壓壞等一系列的破壞過(guò)程。曲線的變化規(guī)律可以反映混凝土受壓破壞機(jī)理及變形行為，包含曲線上升段和下降段表現(xiàn)的混凝土破損中出現(xiàn)的現(xiàn)象和混凝土的動(dòng)力特性及材料的內(nèi)部機(jī)理參數(shù)［4－6］。

將四塊試樣樣本取均值后統(tǒng)計(jì)出不同加載速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示。由圖9可以看出，隨應(yīng)變?cè)黾?，混凝土?yīng)力值快速增加并達(dá)到峰值，之后快速降低;而且加載速率越低，混凝土的應(yīng)變峰值出現(xiàn)的越早。本研究中，混凝土在加載速率為10－2/s、10－3/和10－5/s時(shí)峰值應(yīng)力值相近，加載速率為10－4/s時(shí)峰值應(yīng)力較低，這表明應(yīng)力隨應(yīng)變的變化在不同的加載速率下會(huì)有不同的表現(xiàn)形式。

圖9 不同加載速率下混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

(1)單軸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究了C20混凝土性能隨加載速率的變化規(guī)律:抗壓強(qiáng)度均值在加載速率由10－5/s至10－2/s時(shí)稍有上升;峰值應(yīng)變均值在加載速率10－5/s至10－2/s時(shí)呈先上升后下降的趨勢(shì);彈性模量主體呈下降走勢(shì)，而均值在加載速率10－5/s至10－4/s時(shí)下降十分明顯，之后變化不大。

(2)通過(guò)C20混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的確定，分析了C20混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，單軸抗壓實(shí)驗(yàn)表明，C20混凝土在不同的加載速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線動(dòng)態(tài)力學(xué)性能會(huì)有不同的表現(xiàn)形式。

［1］過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］董毓利，謝和平，趙鵬.不同應(yīng)變速率下混凝土受壓全過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究及其本構(gòu)關(guān)系［J］.水利學(xué)報(bào).1997，(7):72-77.

［3］肖詩(shī)云，林皋，逯靜洲，等.應(yīng)變率對(duì)混凝土抗壓特性的影響［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào).2002，35(5):35-39.

［4］尚仁杰.混凝土動(dòng)態(tài)本構(gòu)行為研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，1994.

［5］崔延衛(wèi).混凝土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究方法分析及其應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2005.

［6］閆東明.混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)與理論研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2006.