齡期對(duì)混凝土雙單軸強(qiáng)度比的影響分析

黃 慧，董 偉，吳智敏，曲秀華

（大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

齡期對(duì)混凝土雙單軸強(qiáng)度比的影響分析

黃 慧，董 偉，吳智敏，曲秀華

（大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

混凝土的雙軸等壓強(qiáng)度與單軸壓強(qiáng)度的比值 β是確定混凝土破壞準(zhǔn)則的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。文中通過(guò)采用靜動(dòng)三軸電液伺服系統(tǒng)對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)、齡期的混凝土進(jìn)行雙軸等壓強(qiáng)度和單軸壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，β 值隨混凝土齡期的增長(zhǎng)而降低，隨混凝土強(qiáng)度等級(jí)的升高變化不大。

混凝土；早齡期；雙單軸強(qiáng)度比；試驗(yàn)研究

0引言

破壞準(zhǔn)則是混凝土結(jié)構(gòu)非線性計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是預(yù)測(cè)大型水工建筑物破壞的必要條件，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都對(duì)其開展過(guò)相關(guān)研究，并提出了相應(yīng)的破壞模型。其中較有代表性的有三參數(shù)模型、四參數(shù)模型、五參數(shù)模型等。對(duì)于不同的混凝土，運(yùn)用以上模型確定其破壞準(zhǔn)則時(shí)，必須定義表征混凝土材料的諸多參數(shù)，混凝土的雙軸等壓強(qiáng)度與單軸壓強(qiáng)度的比值β即為其中的一個(gè)重要參數(shù)。

Kupfer、商懷帥、Lee、Hussein 等人都對(duì)混凝土二軸壓強(qiáng)度進(jìn)行過(guò)研究，Kupfer 通過(guò)試驗(yàn)得到的混凝土 β 值變化范圍為 1.14~1.18；商懷帥得到的混凝土 β 值為 1.06~1.07；Lee 得到的混凝土 β 值為 1.16~1.17；Hussein 得到的混凝土β 值為 1.19。

通過(guò)以上可以看出混凝土的β值并非一個(gè)定值。一方面由于試驗(yàn)試件尺寸形狀、加載裝置、加載速率的不同可能引起 β的試驗(yàn)值不盡相同，另一方面則是由于混凝土本身的性質(zhì)的不同可能導(dǎo)致 β值的不同。目前，混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件中，β 的取值范圍 為 1.0~1.2，GB50010-2010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的參考取值為 1.16。

以上研究均針對(duì) 28 d強(qiáng)度的混凝土，并未考慮混凝土的齡期對(duì) β值的影響。實(shí)際上，早齡期混凝土由于水化反應(yīng)不完全，強(qiáng)度指標(biāo)變化較大，因此其 β 值不再是一個(gè)定值，而是隨齡期的變化而改變。而近年來(lái)針對(duì)早齡期混凝土的研究多集中在早齡期混凝土收縮、裂縫控制、早齡期力學(xué)性能等，對(duì)于早齡期混凝土的多軸強(qiáng)度，還未開展廣泛研究。針對(duì)以上問(wèn)題，下面對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為 C 30，C40，C50，齡期為 6 h，12 h，24 h，3 d ，7 d，14 d，28 d 的普通混凝土進(jìn)行雙軸等壓強(qiáng)度和單軸壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，討論了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和齡期對(duì)于β值的影響，并總結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出β值與齡期的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件制備

采用大連小野田水泥廠生產(chǎn)的標(biāo)號(hào)為 425，525 普通硅酸鹽水泥，沙子為天然河沙(粒徑小于 5 mm)，粗骨料為石灰?guī)r碎石，最大骨料粒徑為 20 mm，由粒徑范圍為 5~ 10 mm 和粒徑范圍為 10~20 mm 的兩種石子以 43:57 的比例混合?；炷僚浔群?28 d 未減摩強(qiáng)度見(jiàn)表 1。

表 1 混凝土配合比和28 d末減摩強(qiáng)度

混凝土試件為 100 mm×100 mm×100 mm 的立方體，待混凝土澆筑完畢，振搗密實(shí)后，在試件表面覆蓋保鮮膜以水分蒸發(fā)，再整體覆以遮光布，于室外養(yǎng)護(hù) 24 h。24 h 后脫模，移至養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。當(dāng)試驗(yàn)齡期為 6~24 h 混凝土試件時(shí)，試件在試驗(yàn)前 1 h脫模。

1.2 試驗(yàn)方法

此次試驗(yàn)，在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的三軸試驗(yàn)機(jī)上完成。該試驗(yàn)機(jī)由四部分組成：加載裝置、應(yīng)變量測(cè)裝置、應(yīng)變控制裝置、數(shù)據(jù)采集處理裝置?？蛇M(jìn)行拉壓各種應(yīng)力比下的變形和強(qiáng)度試驗(yàn)，加載時(shí)，即可用于荷載控制，也可用于應(yīng)變控制，適用范圍較廣。各軸的最大壓力為 2 000 kN，最大拉力為 500 kN，最大行程為 350 mm。

為了便于對(duì)比混凝土的雙單軸強(qiáng)度，混凝土試件的雙單軸強(qiáng)度試驗(yàn)均于三軸試驗(yàn)機(jī)上完成。減摩采用兩層聚四氟乙烯塑料板夾一層黃油的方式，保證試驗(yàn)所測(cè)得的單軸壓強(qiáng)度與雙軸等壓強(qiáng)度為消除試驗(yàn)機(jī)與試件表面摩擦影響的混凝土強(qiáng)度。

加載之前，為保證混凝土雙向受力相互垂直，預(yù)先用直角鋼尺對(duì)混凝土試件進(jìn)行測(cè)量，以確定混凝土的四個(gè)加載面相互垂直。加載時(shí)，先將試件置于三軸試驗(yàn)機(jī)中，對(duì)試件施加一較小靜載反復(fù)預(yù)壓，并通過(guò)調(diào)節(jié)球鉸與加載板之間的 4個(gè)彈簧，保證試件的對(duì)中和加載板與加載面的有效接觸。正式加載時(shí)，由荷載控制進(jìn)行加載，加載速率為 0.1 MPa/s。雙向加載時(shí)，以 1∶1 的比例同時(shí)加載，直至試件破壞。試驗(yàn)時(shí)每組 3 個(gè)試件，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果離散性較大時(shí)，適當(dāng)增加試件的數(shù)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

在混凝土強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中，齡期為 6~12 h 的混凝土試件與齡期為 1~28 d 的混凝土試件破壞形態(tài)有所不同。在此，將齡期為 6~12 h 的混凝土破壞形態(tài)定義為第一種破壞形態(tài)，將齡期為 1~28 d 的混凝土破壞形態(tài)定義為第二種破壞形態(tài)。

在混凝土第一種破壞形態(tài)中，當(dāng)混凝土單軸壓破壞時(shí)，試件表面的砂漿表皮脫離骨料剝落，試件內(nèi)部均為砂漿與骨料間的界面破壞，由于粗骨料的骨架作用，試件的破壞形態(tài)較為完整，破壞時(shí)試件的變形很大。當(dāng)混凝土雙軸等壓破壞時(shí)，試件在雙向壓應(yīng)力的作用下，沿兩個(gè)自由面方向產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，試件的兩個(gè)自由面沿骨料脫落，試件的加載面存在少量平行于自由面的細(xì)小裂縫，試件內(nèi)部裂縫多源于砂漿與骨料間界面粘結(jié)破壞。

在混凝土試件的第二種破壞形態(tài)中，單軸受壓的混凝土試件，由于采取了減摩措施，消減了加載面對(duì)試件的約束作用，垂直于加載面的裂縫發(fā)展、貫通，將混凝土試件分割成分離的短柱群，混凝土的單軸壓破壞呈現(xiàn)典型的柱狀破壞形態(tài)。當(dāng)混凝土試件處于雙軸等壓應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，由于作用于加載面上的壓應(yīng)力限制了垂直于該壓應(yīng)力方向的受拉裂縫，進(jìn)而使其形成了平行于自由面的多個(gè)裂縫面，試件發(fā)生片狀破壞。此外，由于裂縫發(fā)展受到粗骨料的阻擋，理論上的平行裂縫面會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的傾斜角度。

6~12 h 的混凝土由于水化反應(yīng)不完全，粗骨料間砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度較弱，不能提供足夠的粘結(jié)作用，因此試件破壞時(shí)裂縫都繞過(guò)粗骨料，均為骨料間的粘結(jié)破壞。對(duì)于齡期為 28 d 的混凝土試件，一部分破壞出現(xiàn)在混凝土的粗骨料和砂漿的界面，還有一些裂縫則貫穿粗骨料，

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）雙軸等壓強(qiáng)度與單軸壓強(qiáng)度隨齡期的變化

圖 1 為 C30，C40，C50 混凝土單軸壓強(qiáng)度與雙軸等壓強(qiáng)度隨齡期的變化示意圖。從圖中可以看出混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度與雙軸等壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，其變化規(guī)律與對(duì)數(shù)函數(shù)吻合良好。

2）β 隨齡期的變化規(guī)律

將 C30-C50 混凝土各齡期的雙單軸強(qiáng)度比 β 繪于圖2 中，從圖中可以看出強(qiáng)度等級(jí)為 C 30~C 50 混凝土的 β 值隨齡期的增長(zhǎng)而下降。齡期在 6~24 h 時(shí)，β 值下降的很快；齡期在 1~28 d 時(shí)，下降的趨勢(shì)較為平緩。相同齡期 C30，C40，C 50 混凝土的 β 值相互重疊，其值變化幅度較小。因此，此文認(rèn)為對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為 C30~C50 的普通混凝土，強(qiáng)度等級(jí)對(duì) β值的影響很小，可忽略不計(jì)。

圖1 混凝土的單軸壓和雙軸壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展曲線

由于混凝土雙軸等壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化符合對(duì)數(shù)函數(shù)的變化規(guī)律，所以采 用公式：fbc/fc=1/（A·lnt+B）+C 來(lái)擬合早齡期混凝土 β 與齡期的變化關(guān)系。其中，t為齡期，h；fbc 為雙軸等壓強(qiáng)度；fc 為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度；A，B，C 為待擬合的參數(shù)。

經(jīng)過(guò)擬合得到：A=1.531 2；B=-2.306 7；C=1.027 2。

擬合曲線見(jiàn)圖 2。為了方便查閱，表 2 列出了 C 30~C50混凝土各齡期β 的建議取值。從表中數(shù)值可以看出，在 6~ 24 h 范圍內(nèi)，混凝土的β 值隨齡期的變化幅度很大，3 d 之后混凝土的β變化漸趨穩(wěn)定。在 7~28 d 范圍內(nèi)，混凝土的 β值變化值不大，與文獻(xiàn)混凝土的β 的試驗(yàn)值相近；到 28 d，β值漸趨于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的建議值 1.16。

圖2 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土β值隨齡期的變化示意圖

表 2 C30~C50 混凝土各齡期 β 的建議取值

齡期 β取值6 h 3 . 3 2 1 2 h 1 . 7 0 2 4 h 1 . 4 2 3 d 1 . 2 6 7 d 1 . 2 1 1 4 d 1 . 1 8 2 8 d 1 . 1 6

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)齡期為 6 h，12 h，24 h，3 d，7 d，14 d，28 d 的混凝土進(jìn)行單軸壓和雙軸等壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究其雙單軸強(qiáng)度比 β 隨齡期的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于齡期為 6~ 12 h 的混凝土試件，破壞多為砂漿與骨料間的界面粘結(jié)破壞；對(duì)于齡期為 24 h~28 d 的混凝土試件，在雙軸壓和單軸等壓應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生典型的柱狀破壞和片狀劈裂破壞。通過(guò)對(duì) β 的分析，發(fā)現(xiàn)其隨齡期的發(fā)展而降低，6~24 h 時(shí)下降較快，3 d 后漸趨平緩。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)為 C 30~C 50 的混凝土，其強(qiáng)度對(duì) β 與齡期曲線影響較小，可以忽略不計(jì)。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，給出了 C30~C50 早齡期混凝土 β 與齡期的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

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TU 502

A

1002－0624（2014）01－0056－03

2013-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109026)；高等學(xué)校博士點(diǎn)科研基金資助項(xiàng)目（20110041120012）。