火災(zāi)（高溫）后破碎卵石混凝土三軸受力性能研究

蘇益聲，孟二從，陳宗平，曾文祥

（1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西大學(xué) 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室，廣西 南寧 530004）

近年來，隨著城市化建設(shè)的進(jìn)一步加快，建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，對建筑用石的需求量日益增大.卵石具有抗壓、質(zhì)地堅硬、耐腐蝕等特點，廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中.但是，對其過度的開采，使得級配良好的優(yōu)質(zhì)卵石資源日益枯竭，而廢棄的大塊卵石隨意堆積于河床和灘地上，給河道造成了極大的安全隱患［1］.由于卵石表面光滑，沒有普通碎石應(yīng)有的凹凸面，將其作為骨料直接用于混凝土中，黏結(jié)力較差.對廢棄的大塊卵石進(jìn)行破碎，使其表面形成盡可能多的破碎面，然后作為骨料用于工程建設(shè)中是解決廢棄大塊卵石隨意堆積問題的有效手段，相關(guān)研究［2］表明，破碎工藝能改善卵石混凝土的抗壓與抗拉強(qiáng)度.

在實際工程中，不少混凝土結(jié)構(gòu)常處于高溫工作環(huán)境［3］，導(dǎo)致其力學(xué)性能劣化.目前，國內(nèi)外已有相關(guān)學(xué)者［4－7］對高溫后混凝土在單向應(yīng)力下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，而關(guān)于混凝土多軸強(qiáng)度的研究卻較少［8－10］，關(guān)于火災(zāi)（高溫）后破碎卵石混凝土三軸力學(xué)性能的研究還未見報道，因此有必要對其進(jìn)行研究，為破碎卵石混凝土的推廣應(yīng)用提供試驗與理論依據(jù).

1 試驗

1.1 試件設(shè)計與制作

以側(cè)向圍壓、溫度為試驗參數(shù)，設(shè)計了30 個φ100×200mm 的圓柱體試件，試件編號為NC－i－j，其中i代表試件經(jīng)歷的高溫，j代表側(cè)向圍壓.

試件混凝土為人工攪拌，其設(shè)計強(qiáng)度為C30，配合比如表1所示，其中拌和水（W）為自來水，砂（S）采用天然黃砂，水泥（C）采用海螺牌P·O 32.5R 級水泥，粗骨料（CA）為鄂式破碎機(jī)破碎并嚴(yán)格篩分后得到的連續(xù)級配卵石，粒徑為5～20mm.攪拌完成后測其坍落度，然后將混凝土拌和物注入模板，放在振動臺振搗密實并抹平，靜置24h后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，28d后進(jìn)行升溫與三軸試驗.

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion

1.2 升溫處理

試件的升溫處理在RX3－45－9工業(yè)電阻爐內(nèi)進(jìn)行，升溫過程由升溫控制系統(tǒng)全程控制，達(dá)到預(yù)定溫度后恒溫1h，于空氣中自然冷卻，24h后開始三軸試驗，試件的升溫曲線如圖1所示.

圖1 試件的升溫曲線Fig.1 Heating curves of specimens

1.3 試驗裝置與加載方法

試驗采用RMT－201巖石與混凝土力學(xué)試驗壓力機(jī)進(jìn)行加載，加載裝置及受力模型如圖2所示.

圖2 試驗加載裝置及受力模型Fig.2 Test setup and mechanical model

試驗采用如下的加載制度：首先對試件施加預(yù)定側(cè)向圍壓值，在施加圍壓過程中，按1∶1的速率同步施加豎向荷載；隨后，保持側(cè)向圍壓值恒定，豎向荷載采用行程控制的加載制度，其加載速率為0.01mm／s，直到試件破壞.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

將RMT－201試驗機(jī)自動采集的試件受力全過程軸向荷載－位移數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，得到應(yīng)力－應(yīng)變（σ－ε）全過程曲線.圖3為不同側(cè)向圍壓下試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線.由圖3 可見：在單軸應(yīng)力下，應(yīng)力－應(yīng)變曲線有明顯的峰值點；在三向應(yīng)力作用下，試件的彈性模量、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變均顯著增加，隨著圍壓的不斷增加，應(yīng)力－應(yīng)變曲線逐漸平緩，當(dāng)圍壓為5MPa時，曲線出現(xiàn)了較明顯的下降段，當(dāng)圍壓為10MPa時，峰值點已不明顯，當(dāng)圍壓≥15MPa時，曲線的峰值點消失.

圖3 不同側(cè)向圍壓下試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.3 Stress－strain curves of specimens under different lateral confining pressure

2.2 峰值應(yīng)力與彈性模量

將各試件的峰值應(yīng)力σ1與初始彈性模量E 列于表2.由表2可見：溫度及側(cè)向圍壓對試件的初始彈性模量及峰值應(yīng)力均有較大的影響.

表2 試件峰值應(yīng)力與初始彈性模量Table 2 Peak stress and initial elastic modulus of specimens

3 影響因素分析

3.1 溫度

3.1.1 溫度對峰值應(yīng)力的影響

圖4為試件的峰值應(yīng)力與溫度關(guān)系，其中σij表示經(jīng)溫度i后，在圍壓j時試件的峰值應(yīng)力.由圖4可見，在不同圍壓下，隨著溫度的上升，試件的峰值應(yīng)力變化幅度雖然有所波動，但總體上呈下降趨勢，并且隨著圍壓的上升，這種下降趨勢會明顯減小，相比于常溫，經(jīng)歷200，300，500，600 ℃高溫后，試件的峰值應(yīng)力分別下降了4.80%，4.23%，3.56%，8.44%，而經(jīng)歷400℃高溫后，試件的峰值應(yīng)力卻上升了0.03%，這主要是因為側(cè)向應(yīng)力限制了試件的橫向變形及裂縫發(fā)展，從而使溫度損傷帶來的強(qiáng)度減小程度受到了大幅度限制.

圖4 試件的峰值應(yīng)力與溫度關(guān)系Fig.4 Relationship between peak stress and temperature

3.1.2 溫度對初始彈性模量的影響

圖5 試件的初始彈性模量與溫度關(guān)系Fig.5 Relationship between initial elastic modulus and temperature

3.2 側(cè)向圍壓

3.2.1 側(cè)向圍壓對峰值應(yīng)力的影響

由圖6可以看出：隨著圍壓的上升，試件的峰值應(yīng)力近似呈直線上升趨勢，按Richart公式［11］對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，可得：

3.2.2 側(cè)向圍壓對初始彈性模量的影響

圖6 試件的峰值應(yīng)力與側(cè)向圍壓關(guān)系Fig.6 Relationship between peak stress and lateral confining pressure

圖7 試件的初始彈性模量與側(cè)向圍壓關(guān)系Fig.7 Relationship between initial elastic modulus and lateral confining pressure

4 應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系分析

試件的σ／σ1－ε／ε1曲線見圖8，其中ε1為峰值應(yīng)變.

由圖8可見，在單軸應(yīng)力 下，σ／σ1－ε／ε1曲 線上升段基本重合，下降段離散性較大，總體上看，隨著溫度的上升，下降段逐漸變緩，說明高溫會使試件的變形增大.這主要是因為經(jīng)高溫后，試件逐漸酥松，導(dǎo)致其下降段逐漸變緩.隨著圍壓的上升，無量綱化后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的上升段出現(xiàn)了一些波動，但波動幅度不大，下降段逐漸平緩一致，說明側(cè)向圍壓能夠有效約束試件的橫向變形及裂縫發(fā)展，提升試件的變形性能.

圖8 試件的σ／σ1－ε／ε1曲線Fig.8 Nondimensional stress－strain curves of specimens

按文獻(xiàn)［11］中的有理分式對曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示，其中a，b分別為無量綱化后的應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升和下降段的擬合參數(shù).

表3 擬合參數(shù)Table 3 Fitting results of parameters

5 結(jié)論

（1）在單向應(yīng)力下，破碎卵石混凝土試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線有明顯的峰值；隨著圍壓的不斷增加，試件的應(yīng)力－應(yīng)變曲線逐漸平緩，峰值也越來越不明顯.

（2）在三向應(yīng)力下，隨著溫度的上升，破碎卵石混凝土試件的峰值應(yīng)力與彈性模量整體上呈下降趨勢.

（3）隨著側(cè)向應(yīng)力的增加，溫度試件的彈性模量及峰值應(yīng)力的影響逐漸減??；而試件的峰值應(yīng)力及初始彈性模量隨著側(cè)向圍壓的增加呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢.

（4）基于試驗數(shù)據(jù)建立了不同圍壓下試件峰值應(yīng)力的計算公式和高溫后破碎卵石混凝土在三軸應(yīng)力下的應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)方程，可供相關(guān)研究及工程應(yīng)用參考.

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