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        強(qiáng)度等級對混凝土動態(tài)抗壓特性的影響分析

        2014-07-05 09:38:10
        交通運(yùn)輸研究 2014年8期
        關(guān)鍵詞:抗壓峰值試件

        王 濤

        (石家莊市西柏坡高速公路管理處,河北 石家莊 050000)

        0 引言

        混凝土是一種由骨料、水泥、砂子、水以及外加劑經(jīng)均勻攪拌而成的一種混合料,混凝土在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用非常廣泛,幾乎涵蓋土木工程的全部領(lǐng)域?;炷猎趧恿奢d作用下的力學(xué)特性與靜荷載下的特性具有很大的差別,如何明確混凝土在動態(tài)荷載作用下的力學(xué)特性,以保證其在結(jié)構(gòu)工程使用中的安全性,需要深入研究。因此,研究動態(tài)作用下混凝土在實(shí)際工程中的受力性能至關(guān)重要[1]。

        1 混凝土單軸動態(tài)抗壓特性試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)試件

        混凝土采用小型攪拌機(jī)自行攪拌。水泥采用奎山P.O42.5普通硅酸鹽水泥,細(xì)骨料為級配Ⅱ區(qū)中砂,粗骨料為碎石,石子最大粒徑為20mm,攪拌水為普通自來水,減水劑為高性能聚羧酸減水劑。一般試件的高寬比應(yīng)為2~3,本試驗(yàn)采用的試件為70mm×70mm×200mm的棱柱體,是在振動臺上振搗密實(shí),24h后拆模,在標(biāo)養(yǎng)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d,然后在自然條件下養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)時混凝土的齡期為90±10d[2]。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        本試驗(yàn)采用美國MTS液壓伺服系統(tǒng)并對其進(jìn)行了一定的剛性輔助改造,以保證試驗(yàn)順利完成。此加載系統(tǒng)可以通過設(shè)定運(yùn)行時間、位移對混凝土試件實(shí)行一定應(yīng)變速率的加載。該設(shè)備能夠施加的最大壓力為65t[3]。

        1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

        本次試驗(yàn)利用Strainbook/616系統(tǒng)作為主要的數(shù)據(jù)采集設(shè)備來采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該設(shè)備的最大采樣頻率為1MHz,分辨率為16bit。設(shè)備自身帶有8個通道應(yīng)變信號采集能力,可以將采集的信號經(jīng)過數(shù)字化轉(zhuǎn)換后送交主控制器進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理[4]。

        1.4 試驗(yàn)方案

        本試驗(yàn)主要研究1×10-2/s應(yīng)變速率下C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度及變形特性,取C30下的抗壓強(qiáng)度及變形特性數(shù)值為參考量。各標(biāo)號混凝土在加載速率1×10-2/s下至少試驗(yàn)3個試件,因此共需要至少18個70mm×70mm×200mm的棱柱體試件。若試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)試件的離散性較大,則增加試件數(shù)量,以保證數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確[5]。

        1.5 試驗(yàn)過程

        試驗(yàn)之前試件的處理、設(shè)備的安裝、調(diào)試工作等都是決定試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵因素。必須選擇表面沒有出現(xiàn)裂紋的試件,防止由于試件本身的強(qiáng)度降低引起試驗(yàn)的誤差。另外,要選擇底面和頂面都光滑的試件,防止出現(xiàn)偏心和套箍現(xiàn)象。找出應(yīng)變片的粘貼平面,對試件進(jìn)行打磨、清洗。在處理的試件面上中心位置涂上一層AB膠水,水平方向貼上30mm×5mm的應(yīng)變片,垂直方向貼上100mm×5mm的應(yīng)變片。在試驗(yàn)過程中,調(diào)整蝶形彈簧,使彈簧輕輕頂住,預(yù)加10kN的力,看是否有變化,并觀察兩隊(duì)?wèi)?yīng)變片的變化是否滿足要求,如果不滿足則繼續(xù)調(diào)整,直到滿足條件為止。待試件位置調(diào)整完畢,卸掉預(yù)加荷載,以設(shè)定的加載速率正式加載。采樣的頻率依加載速率而定,加載至試件破壞后,拆除試件,記錄數(shù)據(jù)文件。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 各強(qiáng)度等級混凝土的抗壓強(qiáng)度

        不同應(yīng)變速率下的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2和圖1。

        表1 應(yīng)變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓強(qiáng)度(單位:MPa)

        表2 應(yīng)變速率為1×10-2/s時混凝土的抗壓強(qiáng)度(單位:MPa)

        圖1 不同應(yīng)變速率下混凝土的抗壓強(qiáng)度

        分析圖1可得,應(yīng)變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓強(qiáng)度作為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的動態(tài)抗壓強(qiáng)度在應(yīng)變速率增至1×10-2/s時均有較為明顯的提高,但是增大的幅度沒有一定的規(guī)律。應(yīng)變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓強(qiáng)度為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,在應(yīng)變速率為1×10-2/s時相對于1×10-5/s應(yīng)變速率下,各等級混凝土的抗壓強(qiáng)度分別增加了35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。通過以上分析,可以得到初步結(jié)論:不同等級混凝土的極限抗壓強(qiáng)度在應(yīng)變速率為1×10-2/s時增大幅度并不一樣,具有一定的離散型,隨著混凝土等級的提高,在高應(yīng)變速率下混凝土抗壓強(qiáng)度的增長比例有降低的趨勢。

        2.2 各強(qiáng)度等級混凝土的抗壓峰值應(yīng)變

        各強(qiáng)度等級混凝土的抗壓峰值應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

        表3 應(yīng)變速率為1×10-5/s時混凝土的抗壓峰值應(yīng)變με

        表4 應(yīng)變速率為1×10-2/s時混凝土的抗壓峰值應(yīng)變με

        混凝土的抗壓峰值應(yīng)變?yōu)榛炷恋目箟簯?yīng)力應(yīng)變曲線上,混凝土受到最大應(yīng)力時對應(yīng)的最大應(yīng)變。從表3、表4可以看出,荷載的應(yīng)變速率會對不同等級混凝土的抗壓峰值應(yīng)變產(chǎn)生一定的影響。一些學(xué)者(肖詩云、Dilger和Hughes)認(rèn)為混凝土的極限壓應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增加而降低[6]。而另外一些研究人員(閆東明、Watstein、Takeda和Ahmad)則認(rèn)為混凝土的極限壓應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的增加而增加[7]。以應(yīng)變速率1×10-5/s下的抗壓峰值應(yīng)變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)抗壓峰值應(yīng)變,在應(yīng)變速率1×10-2/s下,各等級混凝土的抗壓峰值應(yīng)變幾乎沒有什么變化,而C45之后抗壓峰值隨著混凝土等級的提高有略微的降低,但很不明顯。這與前者的研究有很大不同。

        2.3 各強(qiáng)度等級混凝土的抗壓彈性模量

        各強(qiáng)度等級混凝土的抗壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6和圖2。

        表5 應(yīng)變速率為1×10-5/s時混凝土的彈性模量(單位:1×103MPa)

        表6 應(yīng)變速率1×10-2/s時混凝土的彈性模量(單位:1×103MPa)

        圖2 不同應(yīng)變速率下混凝土彈性模量比較

        彈性模量是表征混凝土剛度的技術(shù)參數(shù),是研究混凝土結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的變形特性必不可少的基礎(chǔ)參數(shù)[8-9]。從表5、表6和圖2可以看出,1×10-5/s下的彈性模量為準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量,在應(yīng)變速率為1×10-2s時,六種不同強(qiáng)度等級的混凝土其彈性模量相較于應(yīng)變速率為1×10-5/s時都有相應(yīng)的提高,且C30、C35、C40、C45、C50、C55提高的幅度在不斷變大。根據(jù)圖表中的數(shù)據(jù)詳細(xì)計算可得,C30~C55混凝土彈性模量的增長幅度分別為:22.83%、19.21%、23.41%、21.22%、23.70%、22.22%。各級強(qiáng)度混凝土彈性模量在高應(yīng)變速率(1×10-2s)下增加的幅度都在20%左右。

        3 結(jié)論

        (1)六種強(qiáng)度等級的混凝土其抗壓強(qiáng)度均隨著應(yīng)變速率的增大而提高,以應(yīng)變速率為1×10-5/s時的抗壓強(qiáng)度作為準(zhǔn)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度,在應(yīng)變速率為1×10-2/s時, C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土抗壓強(qiáng)度依次增加35.50%、35.75%、39.48%、28.56%、27.69%、20.89%。

        (2) 在應(yīng)變速率為 1×10-2/s時,C30、C35、C40混凝土的抗壓峰值應(yīng)變幾乎沒有變化,而C45、C50、C55混凝土的抗壓峰值隨著混凝土等級的提高有略微的降低。

        (3)在應(yīng)變速率為1×10-2s時,六種不同強(qiáng)度等級的混凝土其彈性模量相較于應(yīng)變速率1×10-5/s下混凝土的彈性模量都有相應(yīng)的提高,各級混凝土增加幅度比較穩(wěn)定,C30、C35、C40、C45、C50、C55混凝土的彈性模量增加幅度分別為:22.83%,19.21%,23.41%,,21.22%,23.70%,22.22%。各級混凝土彈性模量在高應(yīng)變速率(1×10-2s)下增加的幅度都在20%左右。

        [1] A·M·內(nèi)維爾.混凝土的性能[M].李國浮,等譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1983.

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