水泥基材料的準靜態(tài)耐壓強度

高曉芳

(山西省公路局呂梁分局，山西呂梁 033000)

人們早已認識到，水泥基材料的行為在動態(tài)荷載下和靜態(tài)荷載下是不同的。載荷試驗結果已經證實，動態(tài)載荷可以增加混凝土抗壓強度。在近幾十年來，許多研究人員已經證實了這一點［1，2］。另外，與干物料相比，濕物料的抗壓強度隨著載荷速率增加而明顯增加。水分含量是影響混凝土之間強度和負荷率關系的主要因素之一。最近，有關學者指出混凝土中孔隙水的粘性影響準靜態(tài)區(qū)域(10－4s－1～100s－1)的強度，骨料類型、水灰比或測試齡期與其關系不大［3-6］。本文的目的是提出一些有關水泥基材料準靜態(tài)耐壓強度建設性的分析結果，進而來指導工程中的應用。

1 水泥基材料動態(tài)耐壓強度的影響因素

隨著載荷強度的增加，動態(tài)強度最大量的增加有一定的分散性。這些差異的存在，主要是因為混凝土的行為依賴于許多變量，如靜態(tài)強度，固化條件，樣品尺寸、形狀和類型。只要加載速率進一步增加，孔隙水粘性效應，慣性力等因素，如傳播或純應力對動態(tài)強度的影響就會變得非常重要［7］。

表1指出了水泥基材料的動態(tài)區(qū)域和典型的影響混凝土的動態(tài)抗壓強度的因素。在準靜態(tài)的區(qū)域，孔隙水對混凝土具體的動態(tài)行為起著決定性的作用。孔隙水的粘滯阻力可以抵抗拉伸擴展。粘性效應被形容為孔隙水的粘性流動，往往會違背加載。更快的加載，較大的阻礙被建立。在靜態(tài)負載期間(～10－5s－1)，阻力很小可以忽略。但在準靜態(tài)負載期間(～10－4s－1，100s－1)，粘滯效應占據主導。這可能是由于相同的孔隙水的粘性流受阻機制發(fā)生在準靜態(tài)區(qū)域內純粹的壓縮試驗。然而，在更高的動態(tài)負載期間(～10 s－1)，系統(tǒng)中慣性力作用顯著［8］。

表1 水泥基材料動態(tài)區(qū)間的分布

2 動態(tài)耐壓強度

水泥基材料的動態(tài)壓縮強度可由式(1)表示，其反映了混凝土內壓試驗中的動態(tài)行為。其中，σd為動態(tài)強度;σs為靜態(tài)強度;r為水灰比;σ0，r0均為靜態(tài)材料常數;Δσ為動態(tài)強度自由變量。

式(1)的第一部分是Abrams的公式標準表達式。由于它是靜態(tài)載荷下的有效表達式，因此相關參數σ0和r0都是在靜態(tài)載荷條件下測量的。只要靜態(tài)參數已知，將其代入式(1)就可以確定動態(tài)自由變量。為了確定動態(tài)自由變量Δσ，專門設計了兩個系列實驗。第一個系列實驗濕樣品的靜態(tài)載荷率為4×10－5s－1，第二個系列實驗樣品的靜動態(tài)載荷率為2×10－4s－1。

圖1是靜態(tài)和動態(tài)載荷下的試驗數據圖。由數據擬合知，靜態(tài)參數σ0=300 MPa，r0=0.21。為了得到動態(tài)自由變量，將其代入動態(tài)數公式結合數據擬合得到Δσ=2.28 MPa。這個數據與靜態(tài)動實驗數值平均差值2.00 MPa相符。

圖1 不同水灰比條件下的水泥基材料動態(tài)耐壓強度

從圖1中可以看出，兩條數據曲線的形狀相似，動態(tài)自由變量在垂直軸上有變化。但是數據的不確定性可能會影響到動態(tài)自由參數的精確性。另外，是否所有的靜態(tài)自由參數由公式導出的動態(tài)自由參數都符合實際。當σ0=307 MPa，r0=0.2，動態(tài)自由參數為Δσ=4.34 MPa。明顯，這個值是被高估了，然而，這種轉變的主要部分是動態(tài)加載相關聯(lián)的貢獻。

3 結語

對于濕水泥基材料的動態(tài)耐壓強度，Abrams公式需要增加動態(tài)自由變量Δσ來描述。動態(tài)自由變量Δσ是在準靜態(tài)區(qū)域僅依賴于所使用的加載速率，獨立于水與水泥的比。在靜態(tài)區(qū)域，Δσ接近零，但隨著負荷速率的增加，其值不可忽略。

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［8］Dan Zheng，Li Qingbin.An explanation for rate effect of concrete strength based on fracture toughness including free water viscosity［J］.Engineering Fracture Mechanics，2004(71)：2319-2327.