曾 翔 鄒 娟 曹寶珠

(1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,海南 ?？?570228； 2.海南國際旅游島發(fā)展研究院,海南 ?？?570228； 3.海南工商職業(yè)學(xué)院，海南 ?？?570203)

活性粉末混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系研究綜述★

曾 翔1,2鄒 娟3曹寶珠1

(1.海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,海南 ?？?570228； 2.海南國際旅游島發(fā)展研究院,海南 ?？?570228； 3.海南工商職業(yè)學(xué)院，海南 ?？?570203)

介紹了活性粉末混凝土(RPC)所具有的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的研究現(xiàn)狀，分析了目前提出的三種RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的優(yōu)缺點(diǎn)，為同類問題的研究奠定了基礎(chǔ)。

活性粉末混凝土，單軸受壓試驗(yàn)，應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

0 引言

活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，簡稱RPC)為水泥和礦物摻和料等活性粉末材料、細(xì)骨料、外加劑、高強(qiáng)度微細(xì)鋼纖維和/或有機(jī)合成纖維、水等原料生產(chǎn)的超高強(qiáng)增韌混凝土[1]。文獻(xiàn)[2]對相關(guān)文獻(xiàn)中RPC的材料性能試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)表明，RPC的立方體抗壓強(qiáng)度可達(dá)200 MPa～800 MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)20 MPa～150 MPa，斷裂能可達(dá)30 kJ/m2(普通混凝土的斷裂能只有約103 J/m2)，并且具有極低的滲透性、抗硫酸鹽侵蝕、抗化學(xué)溶液侵蝕及耐磨性等特點(diǎn)，其氯離子擴(kuò)散系數(shù)為普通混凝土和高性能混凝土的2%～3%。RPC具有高強(qiáng)、耐久性較好的特點(diǎn)，因而在工程結(jié)構(gòu)中具有很好的應(yīng)用前景，且目前已大量應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)。在對RPC結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行分析時(shí)，其單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是重要的基礎(chǔ)。目前的相關(guān)研究文獻(xiàn)十分有限[3-8]，本文對RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的研究進(jìn)行了綜述分析，為后續(xù)的研究和工程結(jié)構(gòu)分析提供參考。

1 基于受壓全曲線幾何特征的多項(xiàng)式和有理分式分段表達(dá)擬合本構(gòu)曲線

文獻(xiàn)[3]對一組三個(gè)200 MPa級的配鋼纖維的RPC試塊進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

(1)

(2)

其中，ε和ε0分別為RPC的壓應(yīng)變和峰值應(yīng)變；fc和fc0分別為RPC的壓應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，建議a和α分別取1.2和8。

文獻(xiàn)[4]對三組配鋼纖維的RPC試塊進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn)，通過分析得到RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

(3)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，建議a和α分別取1.1和3。

文獻(xiàn)[5]對100 MPa級加玄武巖纖維和不加玄武巖纖維的RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行研究，同樣采用式(3)進(jìn)行擬合，建議加玄武巖纖維的參數(shù)a和α分別取1.1和3，不加玄武巖纖維的RPC的參數(shù)a和α分別取0.9和4。

文獻(xiàn)[6]基于過鎮(zhèn)海提出的多項(xiàng)式和有理分式分段表達(dá)的式(9)進(jìn)行修正，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到配鋼纖維的RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

(4)

A=12.5λ-25λ2-0.57

(5)

B=213.75λ-487.5λ2-22.86

(6)

α=87.45-756.25λ+1 687.5λ2

(7)

其中,λ為水膠比，0.2≤λ≤0.24。

2 基于損傷力學(xué)推導(dǎo)的單軸受壓本構(gòu)曲線

文獻(xiàn)[7]假定RPC在單軸受壓狀態(tài)下?lián)p傷變量服從韋伯統(tǒng)計(jì)分布，并通過損傷演化方程的推導(dǎo)，得到RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如下：

(8)

其中，E為配鋼纖維RPC的彈性模量。參數(shù)m通過單個(gè)試件的抗壓試驗(yàn)擬合后，取值為4.452 1。

3 Collins修正本構(gòu)曲線

文獻(xiàn)[8]對大量的鋼纖維活性粉末混凝土單軸受壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Collins等[10]提出的混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行修正，得到如下RPC單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系：

(9)

其中，

(10)

(11)

鋼纖維活性粉末混凝土單軸受壓強(qiáng)度fc0、峰值應(yīng)變ε0以及彈性模量Ec均按下式計(jì)算：

(12)

(13)

其中，kc0為鋼纖維活性粉末混凝土的強(qiáng)度、峰值應(yīng)變或彈性模量；kcn為相應(yīng)于kc0不加鋼纖維的活性粉末混凝土的強(qiáng)度(fck)、峰值應(yīng)變或彈性模量。參數(shù)a1和b1通過回歸分析得到，計(jì)算強(qiáng)度時(shí)取值分別為0.29和0.001 3，計(jì)算峰值應(yīng)變時(shí)取值分別為0.52和0.002 6，計(jì)算彈性模量時(shí)取值分別為0.2和0.000 92。RI為鋼纖維加強(qiáng)指標(biāo)；Vf為鋼纖維的體積分?jǐn)?shù)；Lf為鋼纖維長度；Df為鋼纖維直徑；df為鋼纖維端部形狀修正系數(shù)(平直、彎鉤和波紋形狀分別取1，2.0和1.5)。

不加鋼纖維的活性粉末混凝土的峰值應(yīng)變εc0和彈性模量Ec按下式計(jì)算：

(14)

(15)

(16)

fcu=fck+Δf

(17)

(18)

其中，式(14)，式(15)分別為文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]的公式。通過不同的公式與試驗(yàn)結(jié)果的比較分析，式(14)與式(15)的計(jì)算誤差最小。

4 結(jié)語

目前對活性粉末混凝土單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系的研究還十分有限，上述基于受壓全曲線幾何特征的多項(xiàng)式和有理分式分段表達(dá)擬合本構(gòu)曲線和基于損傷力學(xué)推導(dǎo)的單軸受壓本構(gòu)曲線沒有考慮鋼纖維含量或玄武巖纖維含量的影響，且僅僅根據(jù)非常少的單軸受壓試驗(yàn)進(jìn)行簡單的回歸，缺乏合理性和適用性。已有的研究表明[12]，活性粉末混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量與峰值應(yīng)變隨著鋼纖維含量的增加而線性增大，在本構(gòu)曲線中考慮鋼纖維含量的影響是十分必要的。而Collins修正本構(gòu)曲線考慮了鋼纖維含量的影響，并且基于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具有更廣泛的適用性，但其對應(yīng)力—應(yīng)變曲線下降段的描述還不夠理想，這是該曲線的一個(gè)缺點(diǎn)。鑒于目前對活性粉末混凝土的單軸受壓應(yīng)力—應(yīng)變曲線研究的嚴(yán)重不足，大量開展進(jìn)一步的研究工作勢在必行。

[1] GB/T 31387—2015，活性粉末混凝土[S].

[2] 劉娟紅,宋少民.活性粉末混凝土:配制、性能與微結(jié)構(gòu)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

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Review on the stress-strain relation of reactive powder concrete under uniaxial compression★

Zeng Xiang1,2Zou Juan3Cao Baozhu1

(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,HainanUniversity,Haikou570228,China； 2.HainanInstituteofDevelopmentonInternationalTouristDestination,Haikou570228,China； 3.HainanTechnologyandBusinessCollege,Haikou570203,China)

The paper introduces the advantages of the RPC(Reactive Powder Concrete), analyes the advantages and disadvantages of the three RPC uniaxial compressed-strain relation by combining with the research on the relation, so as to lay the foundation for the research on the similar problems.

RPC, uniaxial compressed experiment, stress-strain relation

1009-6825(2017)03-0105-02

2016-11-19 ★：海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20165208)；海南大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(kyqd1534)

曾 翔(1983- ),男，博士，講師； 鄒 娟(1984- )，女，碩士，工程師； 曹寶珠(1970- )，男，博士，教授

TU528

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