劉佳瑩， 唐周鳴

(桂林理工大學(xué)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力學(xué)性能研究

劉佳瑩， 唐周鳴

(桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 廣西桂林 541004)

【摘要】為了研究大摻量粉煤灰混凝土的力學(xué)性能，通過(guò)3種配合比的粉煤灰混凝土的單向軸向加載試驗(yàn)，探討其應(yīng)力應(yīng)變的力學(xué)特性。同時(shí)，采用我國(guó)規(guī)范公式以及國(guó)外具有代表性的計(jì)算公式進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。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、抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變能有效增大，但橫向變形能力降低；中國(guó)規(guī)范公式和日本計(jì)算公式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合程度較高，較好地評(píng)價(jià)粉煤灰混凝土應(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(duì)粉煤灰混凝土的性能進(jìn)行了大量的研究[1]。松藤泰典[2]的研究表明，在水灰比為0.65的前提下，只要粉煤灰摻量不超過(guò)300L/m3，則均能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度；陶山裕樹(shù)[3]則解釋為：混凝土摻入粉煤灰后抗壓強(qiáng)度提高在于其內(nèi)部的空隙變小;文獻(xiàn)[4-8]是關(guān)于粉煤灰混凝土力學(xué)性能的研究，但是以上研究局限于早期抗壓強(qiáng)度且最大煤灰參量為水泥參量的1.2倍以內(nèi)。因此，本文在水灰比不變的條件下，建立三種混凝土配合比A、B、C，分別為普通硅酸鹽混凝土、大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量分別為水泥摻量的0.87、1.63倍)，對(duì)其3個(gè)月和12個(gè)

月齡期的標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，探討其軸向和橫向應(yīng)力應(yīng)變的力學(xué)特性及耗能等。研究大、特大摻量粉煤灰混凝土后期力學(xué)性能。

1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1材料、配合比及試件

本試驗(yàn)采用的試件為圓柱體，直徑100、高200，標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，齡期為3個(gè)月和12個(gè)月。

混凝土配合比共3種，粉煤灰摻量分別為0、87%和163%(表1)。每種配合比類型各制作2組試件，每組試件3個(gè)，一共18個(gè)試件。

表1　粉煤灰混凝土配合比

1.2加載試驗(yàn)

試驗(yàn)采用1 000kN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，單向軸向加載至試件破壞。

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(zhǎng)度為70mm。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖1、圖2分別為3個(gè)月齡期和12個(gè)月齡期試件在軸向力作用下的軸向應(yīng)變曲線和橫向應(yīng)變曲線。

圖1表明：首先，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；其次，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；再次，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：首先，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；其次，當(dāng)齡期為3個(gè)月時(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

圖2　軸向應(yīng)力-橫向應(yīng)變曲線

3應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型

3.1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)[9]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(guò)130MPa的混凝土，以下將根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)該公式進(jìn)行討論。

(1)

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(duì)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)[9]，試件的εc,r以及控制應(yīng)力-應(yīng)變曲線的系數(shù)a和b可用以下公式來(lái)表示：

(2)

(3)

(4)

b=1.5-0.0168fc,r

(5)

式中：εc,r為抗壓強(qiáng)度f(wàn)c,r對(duì)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(lái)確定；Esec為峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的割線模量。

(6)

由式(2)～式(6)中得知，只要確定混凝土抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值，就能求得3個(gè)參數(shù)以及混凝土的彈性模量。GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算公式如下：其中，dc表示混凝土單軸受壓損傷演化系數(shù)，ρc、n、x為計(jì)算參數(shù)，fc,r以及εc,r與上式含義相同。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

根據(jù)文獻(xiàn)[10]中公式：

(12)

根據(jù)以上公式確定各試件主要參數(shù)(表2、表3)。

3.2公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

不同配合比各種計(jì)算方法的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系理論值和實(shí)驗(yàn)值如圖3所示。

為對(duì)比各計(jì)算方式的實(shí)際差別，均取應(yīng)變?yōu)?.0015來(lái)進(jìn)行比較。齡期為3個(gè)月時(shí)，將軸向應(yīng)力從小到大依次排列，配合比A：實(shí)驗(yàn)值為29.77 MPa、中國(guó)規(guī)范29.92 MPa、日本計(jì)算公式29.96 MPa、Sneaz值30.11 MPa；配合比B：實(shí)驗(yàn)值35.35 MPa、中國(guó)規(guī)范37.20 MPa、日本計(jì)算公式37.80 MPa、Sneaz值38.28 MPa；配合比C：實(shí)驗(yàn)值為39.04 MPa、中國(guó)規(guī)范43.36 MPa、日本計(jì)算公式44.14 MPa、Sneaz值45.49 MPa。

齡期為12個(gè)月時(shí)，將軸向應(yīng)力從小到大依次排列，配合比A：實(shí)驗(yàn)值為32.73 MPa、日本計(jì)算公式33.57 MPa、中國(guó)規(guī)范33.69 MPa、Sneaz值33.98 MPa；配合比B：實(shí)驗(yàn)值43.94 MPa、中國(guó)規(guī)范47.37 MPa、日本計(jì)算公式48.32 MPa、Sneaz值50.72 MPa；配合比C：實(shí)驗(yàn)值50.00 MPa、日本計(jì)算公式為51.74 MPa、中國(guó)規(guī)范52.44 MPa、Sneaz值57.03 MPa。

對(duì)比可以看出，各公式的契合程度都較好，計(jì)算值都略大于實(shí)驗(yàn)值。從整體來(lái)看，中國(guó)規(guī)范公式和日本計(jì)算公式契合程度最好，素混凝土?xí)r誤差小于1%，但隨著粉煤灰摻量的增多，誤差有所增大。

4結(jié)論

(1)單位體積混凝土中粉煤灰摻量為水泥摻量的1.63倍以內(nèi)時(shí)，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的軸壓力學(xué)性能有所提高；但是，粉煤灰混凝土橫向變形能力降低。

表2　試件主要參數(shù)一

齡期3個(gè)月配合比ABC 試件類型參數(shù) 試件1試件2試件3試件1試件2試件3試件1試件2試件3fc,r/MPa38.1938.1938.1959.157.7359.172.4373.6372.93εc,r(計(jì)算值)0.00230.00230.00230.00260.00260.00260.00270.00280.0027εc,r(實(shí)驗(yàn)值)0.00240.00240.00240.00240.00230.00240.00260.00280.0028Ec/MPa(計(jì)算值)27416.9627416.9627416.9632423.0132125.4532423.0135155.1335388.2335252.49Ec/MPa(實(shí)驗(yàn)值)27260.0030920.0028920.0032720.0033640.0033520.0034540.0036360.0036960.00Esec/MPa15912.5015912.5015912.5024625.0025100.0024625.0027857.6926296.4326046.43a1.72301.72301.72301.31671.27991.31671.26201.34571.3534b0.85840.85840.85840.50710.53010.50710.28320.26300.2748ρc0.58370.51460.55020.75260.74610.73460.80650.72320.7047n2.40232.06032.22334.04203.93913.76845.16893.61303.3866

(2)本次試驗(yàn)的粉煤灰混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合了我國(guó)混凝土規(guī)范中的相關(guān)公式。

參考文獻(xiàn)

[1]毛明杰,楊秋寧.大摻量粉煤灰混凝土鋪裝強(qiáng)度性能的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2011(10)：20-21.

[2]松藤泰典,小山智幸,船本憲治,等.石炭灰を外割大量使用するコンクリートの調(diào)合に関する研究[J].コンクリート工學(xué)論文集,2001,12(2)：51-60.

[3]陶山裕樹(shù),小山智幸,小山田英弘,等.無(wú)機(jī)粉體を外割混合したコンクリートの力學(xué)性狀に及ぼす細(xì)孔空隙構(gòu)造の影響[J].コンクリート工學(xué)年次論文集,2007,29(1)：231-236.

[4]孫家國(guó),谷艷玲.大摻量粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度影響分析[J].混凝土,2013(11)：97-100.

[5]劉丹,杜應(yīng)吉.大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].人民黃河,2011,33(10)：88-90.

[6]汪瀟,王宇斌,楊留栓,等.大摻量粉煤灰混凝土抗碳化性能研究[J].混凝土,2013(2)：5-7.

[7]宋少民,賈博雅.膨脹劑對(duì)大摻量粉煤灰混凝土強(qiáng)度與碳化的影響[J].建筑技術(shù),2012,43(8)：755-757.

[8]賈福萍,崔艷莉,孫宜兵,等.高溫作用對(duì)大摻量粉煤灰混凝土力學(xué)性能影響[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版,2011,43(4)：581-587.

[9]Sakino K, Sun Y. Stress-Strain curve of concrete confined by rectilinear hoop[J]. of Struct. Constr. Eng., AIJ, 1994(7)：95-104.

[10]Saenz L P. Discussion of equation for the stress-strain curve of concrete by P[J]. Desayi and S. Krishnan. ACI Journal, Proceedings,1964,61(9)：1229-1235.

[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)

[作者簡(jiǎn)介]劉佳瑩(1990～),女,壯族，碩士研究生,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

【中圖分類號(hào)】TU502+.6

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-10-28