曾　榕，陳慕杰，黃美玲，包恩和(桂林理工大學(xué)a.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林　541004)

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大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

曾榕，陳慕杰，黃美玲，包恩和
(桂林理工大學(xué)a.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林541004)

摘要:為研究大摻量粉煤灰混凝土后期力學(xué)關(guān)系，通過3種配合比的粉煤灰混凝土90 d及365 d的單向軸向加載試驗(yàn)，探討其軸向和橫向應(yīng)力應(yīng)變的力學(xué)特性以及耗能等。同時(shí)，采用我國規(guī)范公式以及國外具有代表性的公式進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算并與試驗(yàn)結(jié)果相比較。研究表明:隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土抗壓強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變及彈性模量均能有效增大，但橫向變形能力降低;中國規(guī)范公式和日本公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度較高，尤其齡期為365 d時(shí)基本一致。因此，中國規(guī)范普通硅酸鹽混凝土公式和日本常用普通硅酸鹽混凝土公式能夠較好的評價(jià)粉煤灰混凝土后期應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

關(guān)鍵詞:粉煤灰;混凝土;抗壓強(qiáng)度;應(yīng)力－應(yīng)變

在土木工程行業(yè)，為提高粉煤灰的利用率，學(xué)者和工程技術(shù)人員對粉煤灰混凝土的性能進(jìn)行了大量的研究。魯麗華等［1］通過試驗(yàn)指出，粉煤灰用于混凝土的主要技術(shù)優(yōu)勢就是能夠非常顯著地改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土泵送性，減少混凝土需水量，減少泌水與離析現(xiàn)象，降低坍落度損失。汪瀟等［2－3］通過較長齡期的試驗(yàn)研究了煤灰摻量為50%和60%的混凝土經(jīng)較長時(shí)間養(yǎng)護(hù)和適量激發(fā)劑作用后，其后期強(qiáng)度發(fā)展較快，與基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度相當(dāng)，抗碳化性能有明顯提高，并可改善混凝土的收縮性能，但對收縮變化趨勢影響不大，還研究了水膠比、養(yǎng)護(hù)期齡和激發(fā)劑等對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響。孫家國等［4］采取大摻量粉煤灰、降低水膠比、摻入減水劑等技術(shù)措施，研究了大摻量粉煤灰對混凝土28 和60 d抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)表明:該混凝土適用于對工作性要求較高和對早期強(qiáng)度要求不高的工程。劉丹等［5］通過不同配合比混凝土試件28 d力學(xué)性能試驗(yàn)表明，在低水膠比情況下加大粉煤灰摻量是可行的。宋少民等［6］通過試驗(yàn)得出最優(yōu)輔助膠凝材料摻量組合為煤灰摻量50%～60%、膨脹劑摻量為6%，在此條件下膠凝材料具有良好的膨脹與強(qiáng)度的協(xié)調(diào)性。賈福萍等［7］研究了高溫作用對大摻量粉煤灰混凝土早期力學(xué)性能的影響。

以上關(guān)于粉煤灰混凝土力學(xué)性能研究很多，但多數(shù)研究局限于早期抗壓強(qiáng)度且最大煤灰摻量為水泥摻量的1. 2倍以內(nèi);同時(shí)，相關(guān)學(xué)者的研究［8－9］指出，利用28 d齡期的性能指標(biāo)并不能很好地反映大摻量粉煤灰混凝土的真實(shí)性能，進(jìn)行較長期齡養(yǎng)護(hù)條件下粉煤灰混凝土力學(xué)性能研究具有良好的科研意義。因此，本文在水灰比不變的條件下，建立3種混凝土配合比A、B、C，分別為普通硅酸鹽混凝土、大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量為水泥摻量的0. 87倍)和特大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量為水泥摻量的1. 63倍)，對其90及365 d齡期的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，探討其軸向和橫向應(yīng)力應(yīng)變的力學(xué)特性以及耗能等，研究大、特大摻量粉煤灰混凝土后期力學(xué)性能。

1　試驗(yàn)部分

1. 1材料、配合比及試件

本試驗(yàn)采用的試件為標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，齡期為90和365 d的標(biāo)準(zhǔn)試件。粉煤灰混凝土材料組成見表1。

混凝土配合比共3種，粉煤灰摻量分別為水泥摻量的0、0. 87和1. 63倍(表2)。每種配合比類型各制作2組試件，每組試件3個(gè)，共18個(gè)試件。

表1　粉煤灰混凝土材料組成Table 1　Compositions of fly-ash concrete

表2　粉煤灰混凝土配合比Table 2　Mixture ratios of fly-ash concrete

1. 2加載試驗(yàn)

采用1 000 kN萬能試驗(yàn)機(jī)，單向軸向加載至試件破壞。為消除試件端部制作不平整產(chǎn)生的影響，在彈性階段對試件進(jìn)行3次重復(fù)的加載、卸載，然后再一次性加載至試件破壞。在圓柱形試件縱向、橫向?qū)ΨQ位置各布置2個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變片長度為70 mm。本試驗(yàn)每組試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)都進(jìn)行了均值法處理，得到均化后的一條應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

2　結(jié)果分析

2. 1應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

圖1、圖2分別為90 d和365 d齡期試件在軸向應(yīng)力作用下的軸向應(yīng)變曲線和橫向應(yīng)變曲線。圖1表明:混凝土抗壓強(qiáng)度隨著粉煤灰摻量的增加而提高，但提高的幅度逐漸減小;隨著齡期的增加，粉煤灰混凝土(配合比B和C)與普通混凝土(配合比A)相比，其后期抗壓強(qiáng)度提高的幅度更大;隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土軸向變形能力略有提高。圖2表明:隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的軸向應(yīng)力顯著增大;當(dāng)齡期為90 d時(shí)，粉煤灰明顯提高了混凝土的橫向變形能力，但隨著齡期的繼續(xù)增加，粉煤灰混凝土橫向變形能力明顯降低，且粉煤灰摻量越大，其橫向變形能力降低越多。

圖1　軸向應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig. 61Curves of axial stress-strain

圖2　軸向應(yīng)力－橫向應(yīng)變曲線Fig. 62Curves of axial stress and hoop strain

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2. 2應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型

2. 2. 1模型概要為推廣粉煤灰混凝土的廣泛應(yīng)用，有必要建立粉煤灰混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系公式。文獻(xiàn)［11］給出了一種普通硅酸鹽水泥混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系公式。由于該公式適用范圍較廣，能夠應(yīng)用于抗壓強(qiáng)度不超過130 MPa的混凝土，以下將根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果對該式進(jìn)行討論。

式中:σ為混凝土應(yīng)力; fc，r為混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值; X是軸向變形與抗壓強(qiáng)度對應(yīng)應(yīng)變?chǔ)與，r的比值。式( 1)表明，要定義大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，需要明確3個(gè)參數(shù)X、a和b。根據(jù)文獻(xiàn)［11］，試件的εc，r以及控制應(yīng)力－應(yīng)變曲線的系數(shù)a和b可用下式表示:

其中:εc，r為抗壓強(qiáng)度fc，r對應(yīng)的混凝土峰值壓應(yīng)變; Ec為混凝土彈性模量，可用式( 6)來確定; Esec為峰值點(diǎn)對應(yīng)的割線模量。

由式( 2)～( 6)知，只要確定混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值，就能求得3個(gè)參數(shù)以及混凝土的彈性模量?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50010—2010)中計(jì)算公式如下:根據(jù)以上公式確定各試件主要參數(shù)，見表3。

2. 2. 2公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較將試驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)代入式( 2)和式( 6)，可確定抗壓強(qiáng)度與其對應(yīng)應(yīng)變和彈性模量的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果分別見圖3、圖4。就本次試驗(yàn)結(jié)果而言，式( 2)和式( 6)與實(shí)測數(shù)據(jù)符合情況較好。

由圖3可得:隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度與其對應(yīng)應(yīng)變?chǔ)舘隨之增大，特別是后期抗壓強(qiáng)度提高明顯，但對應(yīng)壓應(yīng)變提高幅度不大。各公式計(jì)算結(jié)果基本一致，壓應(yīng)變的計(jì)算值略大于試驗(yàn)值。從圖4可知，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度與彈性模量隨之增大，特別是后期抗壓強(qiáng)度和彈性模量提高明顯，各公式計(jì)算結(jié)果基本一致，彈性模量的試驗(yàn)值均略大于計(jì)算值。

不同配合比各種計(jì)算方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系理論值和試驗(yàn)值如圖5所示。

對比可以看出，各公式的契合程度都較好，計(jì)算值都略大于試驗(yàn)值。從整體來看，中國規(guī)范公式和日本公式契合程度最好，素混凝土?xí)r誤差小于1%，齡期90、365 d時(shí)隨著粉煤灰摻量的增多，誤差有所增大。因此，中國規(guī)范普通硅酸鹽混凝土公

表3　試件主要參數(shù)Table 3　Main parameters of fly-ash concrete blocks

式和日本常用普通硅酸鹽混凝土公式能夠較好的評價(jià)大、特大摻量粉煤灰混凝土后期應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

為了從能量的角度評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算公式，將式( 1)、式( 2)計(jì)算的變形能量和試件破壞過程中吸收的變形能量用圖6表示。

可知，各公式的契合程度都較好，隨著粉煤灰摻量越多，都出現(xiàn)一定的誤差，但從整體來看，中國規(guī)范公式和日本公式契合程度最好。

圖3　抗壓強(qiáng)度與對應(yīng)應(yīng)變關(guān)系Fig. 63Curves of axial compressive strength and corresponding strain

圖4　抗壓強(qiáng)度與彈性模量的關(guān)系Fig. 64Curves of axial compressive strength and elastic modulus

圖5　應(yīng)力應(yīng)變理論值與實(shí)測值關(guān)系Fig. 65Stress-strain curves of measured and theoretical value

3　結(jié)論

通過粉煤灰混凝土試塊的單向軸向加載試驗(yàn)以及在普通硅酸鹽水泥混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的研究基礎(chǔ)上得到以下結(jié)論:

( 1)單位體積混凝土中粉煤灰用量在462 kg的范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗壓屈服應(yīng)變?chǔ)與，r以及彈性模量增大。

( 2)隨著齡期的增加，粉煤灰混凝土橫向變形能力降低，且粉煤灰摻量越大，橫向變形能力下降越快。

( 3)中國規(guī)范公式和日本公式較好的評價(jià)了本次試驗(yàn)的粉煤灰混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

圖6　應(yīng)變能量的理論值與實(shí)測值Fig. 66Strain energy curves of measured and theoretical value

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Stress-strain characteristics of high-volume fly-ash concrete

ZENG Rong，CHEN Mu-jie，HUANG Mei-ling，BAO En-he
( a. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering; b. College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:Through the axial compression tests of the fly-ash concrete-blocks with three different mixture ratios during 90 and 365 days concrete age，the axial and transverse mechanical characteristics of stress-strain were determined and the mechanical property and energy costing of the test blocks were discussed．The stress and the strain of the test-blocks were calculated according to the national standard formulas and foreign representative formulas and were compared with the test results．The results show that the compressive strength，peak strain and elastic modulus of the test blocks increase with the quantity of fly-ash age increasing，while the hoop strain decreases．The research also indicates that the stress and the strain calculated by national standard formulas and Japanese formulas provide better evaluation both in the experiment result，and post-tress-strain relation of fly-ash concrete．

Key words:fly-ash; concrete; compression strength; stress-strain

通訊作者:陳慕杰，高級工程師，cmj1@ glut. edu. cn。

作者簡介:曾榕( 1977—)，男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向:結(jié)構(gòu)工程，190556075@ qq. com。

基金項(xiàng)目:廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目( KH2012YB027)

收稿日期:2014－03－28

doi:10. 3969/j．issn. 1674－9057. 2015. 01. 012

文章編號:1674－9057( 2015) 01－0086－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TU528. 01

引文格式:曾榕，陳慕杰，黃美玲，等．大摻量粉煤灰混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系［J］．桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35 ( 1) : 86－90．