混凝土單軸動態(tài)抗拉特性的試驗研究

孫吉書，竇遠明，于 龍

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3.北方工程設(shè)計研究院，河北 石家莊 050000）

作為世界上應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，混凝土結(jié)構(gòu)在日常生活中隨處可見，如：橋梁、堤壩、房屋、隧道等等.在工作過程中，混凝土結(jié)構(gòu)除了會受到靜載作用之外，肯定還會受到各種動載的作用，如爆炸荷載、沖擊荷載、風(fēng)荷載、地震等[1].而混凝土材料的動態(tài)力學(xué)特性與靜態(tài)情況下的性能差別很大，混凝土的材料特性及混凝土結(jié)構(gòu)的損傷特性會受到應(yīng)變速率的顯著影響[2].并且，混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全性往往取決于混凝土材料的動態(tài)力學(xué)特性，尤其是在諸如地震等過程中，混凝土結(jié)構(gòu)的安全性往往決定于混凝土材料的動態(tài)受拉技術(shù)特性.

混凝土動態(tài)抗拉試驗對試驗儀器的要求要比靜態(tài)試驗對儀器的要求高很多，因此，相對于靜態(tài)試驗，技術(shù)人員對混凝土的動態(tài)抗拉性能的研究要少很多[3].并且不同的學(xué)者得到的結(jié)論也具有顯著的差異.Birkimer通過試驗得出[4]，應(yīng)變率分別為20/s和23/s時，混凝土的抗拉強度分別提高了50%和63%.通過直接拉伸試驗，閆東明等[5]得出了C10和C20混凝土在一定應(yīng)變率范圍內(nèi)的抗拉特性，得出混凝土的抗拉強度和彈性模量會隨應(yīng)變速率的增大而增加.Paul等人[6]的研究結(jié)論是混凝土的峰值應(yīng)變與應(yīng)變率無關(guān)，而Ahmad等人[7]的結(jié)論是峰值應(yīng)變在應(yīng)變率為3×102/s時，比靜態(tài)荷載時1.2倍.我國現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]沒有考慮動態(tài)荷載的影響，只給出了靜態(tài)荷載下混凝土的強度和本構(gòu)關(guān)系.而《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[9-10]也只是將靜態(tài)下的強度提高一定的比例來作為混凝土的動態(tài)強度，沒有闡述其強度的提高機理.這些結(jié)果表明，混凝土的動態(tài)力學(xué)特性遠沒有得到明確.尤其是試件齡期、尺寸、試驗條件等因素均會影響到混凝土的力學(xué)特性試驗結(jié)果，需要進一步進行混凝土的動態(tài)抗拉強度試驗，以期進一步掌握混凝土在動態(tài)荷載作用下的抗拉特性，進而提高混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計可靠性、保證混凝土結(jié)構(gòu)的安全.

1 試驗簡介

1.1 試驗方案

本試驗在美國MTS-810試驗機上進行.直接拉伸試件直至其斷裂，應(yīng)用JGN-Ⅱ型建筑結(jié)構(gòu)膠將試件兩端與鋼板相連（鋼板帶有螺栓孔），用螺栓把試件固定在試驗機底座上，試件上端連接拉力傳感器，如圖1.應(yīng)用Strainbook/616系統(tǒng)采集試驗數(shù)據(jù).

在試件兩個對面中心的十字形各貼一片紙基應(yīng)變片，用以量測試件的應(yīng)變[10].豎向應(yīng)變片尺寸為5 mm×100 mm，橫向應(yīng)變片尺寸為5mm×30mm.同時，應(yīng)用安置于試件兩側(cè)的 LVDT量測混凝土的縱向變形.拉伸應(yīng)變速率分別設(shè)計為：105/s、104/s、103/s和102/s，并以應(yīng)變率為105/s時混凝土的抗拉強度為準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強度[10].

1.2 試件制備

試驗試件設(shè)計為啞鈴形，總長200 mm，中間部分為高100 mm、邊長70 mm的正方形，兩端逐漸過渡到邊長100mm的正方形.試驗材料分別為：普通硅酸鹽水泥（42.5#），Ⅱ區(qū)中砂，5～20mm的碎石，高性能聚羧酸減水劑，拌合水為普通自來水[10].混凝土的配合比設(shè)計結(jié)果如表1所示.

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法[11]成型和養(yǎng)護混凝土試件，進行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，然后養(yǎng)護在自然條件下，到90 d齡期為時進行試驗[10].

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土的動態(tài)抗拉強度

在不同的應(yīng)變速率下，本文對C40混凝土進行了直接拉伸試驗，每組試件不少于3個，若試驗數(shù)據(jù)離散性較大時，需增加試驗試件個數(shù)，排除不正常數(shù)據(jù).試驗結(jié)果見表2.

從表2的試驗結(jié)果可已看出，混凝土的抗拉強度隨著應(yīng)變速率的提高而明顯增大.應(yīng)變速率為104/s，混凝土的抗拉強度是準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強度的1.042倍，而當(dāng)應(yīng)變速率為103/s和102/s時，抗拉強度分別增大至1.115倍和1.13倍.這種現(xiàn)象的主要原因為[3，5]：應(yīng)變速率提高時，留給混凝土內(nèi)部裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的將會時間越來越短，試件破壞時導(dǎo)致較多的混凝土骨料破壞，體現(xiàn)為混凝土的抗拉強度增大.

應(yīng)用最小方差法，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析得知，混凝土動態(tài)抗拉強度與準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強度的比值與動、靜態(tài)應(yīng)變速率的比值的對數(shù)近似成線性關(guān)系[11]，混凝土動態(tài)抗拉強度與應(yīng)變速率之間的相關(guān)關(guān)系，如式 (1)所示.

表1 混凝土的配合比 kg/m3Tab.1 The gradation of concrete

表2 混凝土的動態(tài)抗拉強度 MPaTab.2 Dynam ic tensile strength of concrete

2.2 混凝土的峰值應(yīng)變

對于混凝土的抗拉峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，不同研究人員得到的結(jié)論相差很多，甚至矛盾，閆東明、Ahmad等[5，7]認(rèn)為峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的提高而增大；而肖詩云等[3]卻認(rèn)為峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率之間沒有明確的規(guī)律性關(guān)系.根據(jù)本文的試驗數(shù)據(jù)，繪出混凝土抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示.

圖2 混凝土受拉典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Typical tensile stress-strain curveof concrete

經(jīng)過對試驗結(jié)果的計算和分析，得出不同條件下混凝土的峰值應(yīng)變值，詳見表3.

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變速率的提高而增大，應(yīng)變速率為104/s，混凝土的峰值應(yīng)變是準(zhǔn)靜態(tài)峰值應(yīng)變的1.242倍，而當(dāng)應(yīng)變速率分別為103/s和102/s時，動態(tài)峰值應(yīng)變分別擴大至1.309倍和1.42倍.這與閆東明等人[5]的結(jié)論相似，峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率之間的相關(guān)關(guān)系，如式 (2)所示.

式中： 、 分別為混凝土動態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)峰值應(yīng)變.

2.3 混凝土的動態(tài)彈性模量

試驗發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力時，混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變之間接近線性關(guān)系，故本文取時的割線斜率為抗拉彈性模量.經(jīng)計算得出，不同情況下C40混凝土在的彈性模量值詳見表4.

從表4的彈性模量計算結(jié)果可以看出，混凝土在應(yīng)變速率為102/s時的彈性模量比應(yīng)變速率為105/s時的彈性模量提高了1.025倍，而當(dāng)應(yīng)變速率分別為103/s和102/s時，彈性模量分別擴大至1.049倍和1.087倍.可見，混凝土的彈性模量隨應(yīng)變速率的提高而提高，彈性模量比與應(yīng)變速率的之間的相關(guān)關(guān)系，如式 (3)所示.

2.4 應(yīng)變速率對混凝土泊松比的影響

混凝土快速破壞時，內(nèi)部的微裂縫要比慢速破壞時少.因此，一般認(rèn)為高應(yīng)變速率下混凝土的泊松比會高于低應(yīng)變速率時的泊松比，計算得出C40混凝土在不同應(yīng)變速率下泊松比的數(shù)值范圍為0.13～0.27，數(shù)據(jù)較為離散.泊松比的平均值為0.18～0.21，本文的試驗結(jié)果顯示，泊松比與應(yīng)變速率之間沒有明確的規(guī)律性關(guān)系.

表3 不同應(yīng)變速率下混凝土的峰值應(yīng)變Tab.3 Concrete peak strain under differentstrain rates

表4 不同應(yīng)變速率下混凝土的彈性模量Tab.4 Concrete elasticmodulusunder differentstrain rates

3 結(jié)論

1）C40混凝土的單軸抗拉強度會隨著應(yīng)變速率的提高而明顯增大.應(yīng)變速率為104/s，混凝土的抗拉強度是準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強度的1.042倍，而當(dāng)應(yīng)變速率為103/s和102/s時，抗拉強度分別增大至1.115倍和1.13倍.

2）峰值應(yīng)變也會隨著應(yīng)變速率的提高而明顯增大.

3）抗拉彈性模量也會隨著應(yīng)變速率的提高而明顯提高.混凝土在應(yīng)變速率為104/s時的彈性模量比應(yīng)變速率為105/s時的彈性模量提高了1.025倍，而當(dāng)應(yīng)變速率為103/s和102/s時，彈性模量分別擴大至1.049倍和1.087倍.

4）泊松比不會隨應(yīng)變速率的增大而明顯變化.

5）抗拉強度、峰值應(yīng)變和彈性模量與應(yīng)變率之間的相關(guān)關(guān)系.可分別用公式 (1)～公式 (3)表示.

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