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        普通混凝土與輕集料混凝土的受壓動力性能

        2018-07-05 11:55:56謝興華
        建筑材料學報 2018年3期
        關(guān)鍵詞:混凝土

        孫 雪, 謝興華

        (1.金陵科技學院 建筑工程學院, 江蘇 南京 211169; 2.南京水利科學研究院, 江蘇 南京 210029)

        混凝土作為最常用的建筑材料之一,被廣泛應(yīng)用在建筑、橋梁、大壩等結(jié)構(gòu)上.作為多相復(fù)合性材料,混凝土相關(guān)力學特性具有非線性、隨機性和動力率相關(guān)性三大特征[1].其中輕集料混凝土作為新型混凝土材料的一種,由于其輕質(zhì)、高強、保溫隔熱以及耐火性好等優(yōu)勢,受到建筑領(lǐng)域的青睞.日本曾將輕集料混凝土應(yīng)用于新干線中,但對于輕集料混凝土的系統(tǒng)研究未能全面展開[2].

        混凝土在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中不僅會受到靜荷載的作用,還會受到動載作用,如地震、風和水流沖擊等.國內(nèi)外學者針對混凝土動載作用展開了廣泛研究[3-5].Bischoff等[6]和Sparks等[7]研究結(jié)果表明混凝土具有明顯的動力率相關(guān)效應(yīng),其應(yīng)力-應(yīng)變曲線受到顯著影響;曾莎潔等[8]對混凝土單軸受壓動力特性全曲線進行了研究,并對其破壞形態(tài)與相關(guān)理論進行了細致分析;施林林等[9]對不同應(yīng)變率下大骨料及濕篩混凝土單軸受壓性能進行了試驗研究.然而對于混凝土在動載作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征值的定量分析與輕集料混凝土動力率相關(guān)性,仍處于定性研究層面.

        本文針對普通混凝土(OPC)、輕集料混凝土(LWAC)的單軸動力特性進行了系統(tǒng)研究,分別設(shè)置了10種應(yīng)變率,得到動載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,定量分析了應(yīng)變率對峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量的影響,同時對不同應(yīng)變率下普通混凝土與輕集料混凝土的破壞形態(tài)進行了對比研究,并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了應(yīng)變率與峰值應(yīng)力、彈性模量的關(guān)系方程.對普通混凝土與輕集料混凝土動力率相關(guān)性進行了系統(tǒng)對比研究.

        1 試驗概況

        1.1 試件制備

        普通混凝土和輕集料混凝土試件設(shè)計強度均為30MPa,所用水泥為P·O 32.5普通硅酸鹽水泥,細骨料采用天然河砂(中砂),水為城市自來水,未添加任何外加劑.其中,普通混凝土的粗骨料(CA)采用粒徑為5~10mm的碎石,輕集料混凝土的輕集料(LWA)采用粒徑為5~10mm的陶粒.2種混凝土的配合比如表1所示.

        表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg

        對普通混凝土和輕集料混凝土試件進行單軸受壓動力特性試驗,試件尺寸為100mm×100mm×100mm.試驗加載工況一共采用10種應(yīng)變率,分別為1.0×10-5,5.0×10-5,1.0×10-4,5.0×10-4,1.0×10-3,2.0×10-3,5.0×10-3,1.0×10-2,2.0×10-2,5.0×10-2s-1.其中1.0×10-5s-1為靜力加載應(yīng)變率,其余9種為考慮地震作用量級的動力加載應(yīng)變率.考慮到混凝土試驗數(shù)據(jù)的離散性,各應(yīng)變率下取3個試件進行研究,如3個試件數(shù)據(jù)均離散,則進行第4個試件試驗,并以此類推,文中數(shù)據(jù)選取了具有代表性的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析.

        1.2 試驗設(shè)備

        采用西安力創(chuàng)WDW-600液壓伺服機對混凝土進行應(yīng)變率影響研究.該設(shè)備由液壓加載機、荷載位移采集系統(tǒng)和中控裝置組成.該試驗機自帶高精度荷載傳感器和高精度位移傳感器,測量數(shù)據(jù)由試驗機配套程序自動記錄.精度滿足試驗要求.

        1.3 試驗加載

        根據(jù)本文研究目的,在加載過程中需要消除加載面混凝土的摩擦作用.本文應(yīng)用3層聚乙烯塑料薄膜再分別夾2層機械黃油對試件進行夾持,這種減磨措施是受到國內(nèi)外學者認可的[1].

        試驗加載方法主要采用力和位移混合控制方式:首先是力控制,主要起到預(yù)壓的作用,從0MPa加載到0.05fc再卸載到0MPa,重復(fù)3次,其中fc為2種混凝土的設(shè)計強度;然后采用位移控制,由0mm 開始,直至試件發(fā)生破壞為止.

        2 試驗結(jié)果及分析

        2.1 破壞形態(tài)

        圖1,2給出了不同應(yīng)變率下各混凝土試件的破壞形態(tài)(考慮到篇幅原因,從2種混凝土的10種應(yīng)變率加載工況中選取5種作為典型).由圖1,2可見,在靜力加載應(yīng)變率下,2種混凝土的裂縫都在加載表面均勻分布,如圖1(a)和圖2(a)所示.普通混凝土的破壞主要是水泥膠體黏結(jié)材料的破壞,而輕集料混凝土的破壞主要是輕集料的剪切破壞,且后者與應(yīng)變率大小沒有關(guān)系.隨著應(yīng)變率的提高,普通混凝土與輕集料混凝土加載面裂縫均減少至2~3條主裂縫,并貫通至底部使試件破壞,裂縫多以斜裂縫為主.分析其原因在于:在靜力加載應(yīng)變率下,荷載作用時間較短,試件能夠受到均勻應(yīng)力作用,混凝土裂縫得到充分發(fā)展;當構(gòu)件受到動載作用時,試件無法在短時間內(nèi)形成均勻應(yīng)力,即裂縫無法均勻發(fā)展,從而導(dǎo)致如圖1(b)~(e)和圖2(b)~(e)所示的破壞形態(tài).

        圖1 不同應(yīng)變率下單軸受壓普通混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of OPC specimens at uniaxial compression under different strain rates

        圖2 不同應(yīng)變率下單軸受壓輕骨料混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of LWAC specimens at uniaxial compression under different strain rates

        2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        基于不同應(yīng)變率對混凝土進行單軸受壓試驗,可得到混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖3,4所示.通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線提取混凝土的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量特征值,分析其動力特性.

        圖3 不同應(yīng)變率下普通混凝土試件的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of OPC speciments at uniaxial compression under different strain rates

        圖4 不同應(yīng)變率下輕骨料混凝土試件的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of LWAC speciments at uniaxial compression under different strain rates

        由圖3,4可見:在不同應(yīng)變率下2種混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢一致,其中峰值應(yīng)力有明顯差別,而峰值應(yīng)變和彈性模量隨應(yīng)變率變化相對不明顯,需要進一步深入剖析;在不同應(yīng)變率下,2種混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線均符合單軸受壓基本特性,具有良好的連續(xù)性和光滑性,并且隨著應(yīng)變率的提高,根據(jù)峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變數(shù)據(jù)初步分析,混凝土耗能能力明顯增加.本文普通混凝土動力特性研究結(jié)果與曾莎潔等[8]對普通混凝土單軸受壓動力特性的研究結(jié)論一致,同時輕集料混凝土反映出的動力特性與普通混凝土基本相同.

        2.3 峰值應(yīng)力

        在混凝土動力特性研究中,應(yīng)力-應(yīng)變曲線中的峰值應(yīng)力是重要研究參數(shù),一般會引入動力提高系數(shù)αDIF[6],以便探究普通混凝土峰值應(yīng)力受動力率相關(guān)性的影響:

        αDIF=σd/σs

        (1)

        式中:σs為靜力加載1.0×10-5s-1時應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力;σd為動力加載工況下應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力.

        為便于進一步分析混凝土峰值應(yīng)力受動力率相關(guān)性的影響,本文引入峰值應(yīng)力提高幅度βσ:

        βσ=(αDIF-1)×100%

        (2)

        不同應(yīng)變率下普通混凝土和輕集料混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度如表2所示.

        表2 不同應(yīng)變率下混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度Table 2 Peak stress improvement range(βσ) of concretes under different strain rates %

        由表2可見,隨著應(yīng)變率的增加,混凝土峰值應(yīng)力提高,其中,輕集料混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度較大,當應(yīng)變率達到5.0×10-2s-1時,輕集料混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度為54.48%,而普通混凝土的峰值應(yīng)力提高幅度為34.36%.曾莎潔等[8]研究表明,不同強度普通混凝土動力性能試驗加載應(yīng)變率由1.0×10-5s-1提高到1.0×10-1s-1時,其峰值應(yīng)力提高幅度一般在30%~40%之間.本文研究結(jié)果表明,輕集料混凝土峰值應(yīng)力受動力性能影響要明顯高于普通混凝土.

        當混凝土加載應(yīng)變率增大時,其峰值應(yīng)力提高,這符合混凝土損傷力學的關(guān)系,即在高應(yīng)變率作用下,混凝土的損傷演化會出現(xiàn)一定的遲滯效應(yīng),導(dǎo)致其峰值應(yīng)力相對于靜力狀態(tài)有明顯的提高,并且隨著加載應(yīng)變率的提高而提高[9].這在圖1,2中2種混凝土的破壞形態(tài)中有明顯體現(xiàn).

        圖5 不同應(yīng)變率下混凝土動力提高系數(shù)Fig.5 Increase coefficient of peak stress of concretes under different strain rates

        由圖5可見,普通混凝土擬合曲線的斜率(即變化率)明顯低于輕集料混凝土擬合曲線的斜率,說明輕集料混凝土峰值應(yīng)力受動力特性的影響要明顯高于普通混凝土.

        2.4 彈性模量

        為了便于準確定量研究混凝土材料的彈性模量,本文采用50%峰值應(yīng)力和10%峰值應(yīng)力的割線模量作為彈性模量E[8],即:

        (3)

        式中:σ0.5和σ0.1分別為50%,10%的峰值應(yīng)力;ε0.5,ε0.1分別為50%,10%峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變.

        按照式(3)計算得到各混凝土的彈性模量,同時參照2.3節(jié)所提出的峰值應(yīng)力提高幅度公式,提出彈性模量提高幅度(βE)的計算式(見式(4)),其結(jié)果如表3所示.

        (4)

        式中:Es為靜力加載1.0×10-5s-1時試件的彈性模量;Ed為動力加載工況下試件的彈性模量.

        表3 不同應(yīng)變率下混凝土的彈性模量提高幅度Table 3 Elastic modulus improvement range(βE) of concretes under different strain rates %

        根據(jù)表3,相對于靜力加載時試件的彈性模量(Es),當應(yīng)變率增加時2種混凝土平均彈性模量均增加,當應(yīng)變率達到5.0×10-2s-1時,普通混凝土彈性模量提高幅度為23.15%,輕集料混凝土彈性模量提高幅度為28.75%,輕集料混凝土彈性模量受動力特性影響高于普通混凝土.與表2相比,應(yīng)變率對2種混凝土彈性模量的影響均低于其對混凝土峰值應(yīng)力的影響.

        圖6 不同應(yīng)變率下混凝土彈性模量提高系數(shù)Fig.6 Increase coefficient of elastic modulus of concretes under different strain rates

        由圖6可見,隨著應(yīng)變率的提高,混凝土彈性模量呈明顯提高趨勢.根據(jù)不同混凝土擬合曲線的斜率可知,輕集料混凝土彈性模量受動力特性的影響要明顯高于普通混凝土.

        2.5 峰值應(yīng)變

        根據(jù)本試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線提取不同應(yīng)變率下2種混凝土的峰值應(yīng)變,參照峰值應(yīng)力提高幅度與彈性模量提高幅度公式,提出峰值應(yīng)變變化幅度βε的計算式(見式(5)),結(jié)果如表4所示.

        (5)

        式中:εs為靜力加載1.0×10-5s-1時試件的峰值應(yīng)變;εd為動力加載工況下試件的峰值應(yīng)變.

        表4 不同應(yīng)變率下混凝土的峰值應(yīng)變變化幅度Table 4 Peak strain change range(βε) of concretes under different strain rates %

        由表4可見,混凝土峰值應(yīng)變受應(yīng)變率的影響沒有明確的規(guī)律,目前主要有3種觀點:(1)混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的提高而提高;(2)混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率變化基本沒有變化;(3)混凝土峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的提高而降低[8].其主要原因在于混凝土材料的隨機性和離散性導(dǎo)致其在應(yīng)變研究中存在不規(guī)律的現(xiàn)象.

        圖7 不同應(yīng)變率下混凝土峰值應(yīng)變提高系數(shù)Fig.7 Increase coefficient of peak strain of concretes under different strain rates

        由圖7可見,當應(yīng)變率從1.0×10-5s-1增大到5.0×10-2s-1時,普通混凝土動力加載工況下的峰值應(yīng)變變化幅度從減少3.02% 到增加17.17%,輕集料混凝土動力加載工況下的峰值應(yīng)變變化幅度從減少12.64%到增加12.36%.混凝土峰值應(yīng)變隨應(yīng)變率變化沒有明確的變化規(guī)律,但整體趨勢隨著應(yīng)變率的提高而提高,基本符合上述觀點(1).由圖7還可見,2種混凝土的峰值應(yīng)變相類似,均具有明顯的隨機性,這是由于混凝土材料的隨機性和率相關(guān)效應(yīng)的耦合作用所導(dǎo)致的.

        3 結(jié)論

        (1)普通混凝土和輕集料混凝土的破壞形態(tài)相似,裂縫均由靜力狀態(tài)下的豎向裂縫逐步發(fā)展成為受動力影響的斜向裂縫.但普通混凝土的破壞主要是黏結(jié)材料的破壞,而輕集料混凝土的破壞主要是輕集料的剪切破壞,后者破壞形態(tài)不受加載應(yīng)變率的影響.

        (2)隨著應(yīng)變率的提高,2種混凝土的峰值應(yīng)力和彈性模量都提高,其中峰值應(yīng)力提高幅度最為明顯.輕集料混凝土較普通混凝土受應(yīng)變率的影響更為明顯.混凝土峰值應(yīng)變受加載應(yīng)變率的影響規(guī)律均較為離散,究其原因可能在于混凝土材料具有隨機性與率相關(guān)效應(yīng).

        (3)2種混凝土峰值應(yīng)力和彈性模量的提高系數(shù)與相對應(yīng)變率的對數(shù)值成線性關(guān)系.

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