大摻量粉煤灰混凝土應力－應變關(guān)系

曾　榕，陳慕杰，黃美玲，包恩和(桂林理工大學a.廣西巖土力學與工程重點實驗室; b.土木與建筑工程學院，廣西桂林　541004)

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大摻量粉煤灰混凝土應力－應變關(guān)系

曾榕，陳慕杰，黃美玲，包恩和
(桂林理工大學a.廣西巖土力學與工程重點實驗室; b.土木與建筑工程學院，廣西桂林541004)

摘要:為研究大摻量粉煤灰混凝土后期力學關(guān)系，通過3種配合比的粉煤灰混凝土90 d及365 d的單向軸向加載試驗，探討其軸向和橫向應力應變的力學特性以及耗能等。同時，采用我國規(guī)范公式以及國外具有代表性的公式進行應力應變計算并與試驗結(jié)果相比較。研究表明:隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土抗壓強度以及抗壓強度對應的應變及彈性模量均能有效增大，但橫向變形能力降低;中國規(guī)范公式和日本公式與試驗數(shù)據(jù)吻合程度較高，尤其齡期為365 d時基本一致。因此，中國規(guī)范普通硅酸鹽混凝土公式和日本常用普通硅酸鹽混凝土公式能夠較好的評價粉煤灰混凝土后期應力應變關(guān)系。

關(guān)鍵詞:粉煤灰;混凝土;抗壓強度;應力－應變

在土木工程行業(yè)，為提高粉煤灰的利用率，學者和工程技術(shù)人員對粉煤灰混凝土的性能進行了大量的研究。魯麗華等［1］通過試驗指出，粉煤灰用于混凝土的主要技術(shù)優(yōu)勢就是能夠非常顯著地改善新拌混凝土的和易性，提高混凝土泵送性，減少混凝土需水量，減少泌水與離析現(xiàn)象，降低坍落度損失。汪瀟等［2－3］通過較長齡期的試驗研究了煤灰摻量為50%和60%的混凝土經(jīng)較長時間養(yǎng)護和適量激發(fā)劑作用后，其后期強度發(fā)展較快，與基準混凝土強度相當，抗碳化性能有明顯提高，并可改善混凝土的收縮性能，但對收縮變化趨勢影響不大，還研究了水膠比、養(yǎng)護期齡和激發(fā)劑等對粉煤灰混凝土抗碳化性能的影響。孫家國等［4］采取大摻量粉煤灰、降低水膠比、摻入減水劑等技術(shù)措施，研究了大摻量粉煤灰對混凝土28 和60 d抗壓強度的影響，試驗表明:該混凝土適用于對工作性要求較高和對早期強度要求不高的工程。劉丹等［5］通過不同配合比混凝土試件28 d力學性能試驗表明，在低水膠比情況下加大粉煤灰摻量是可行的。宋少民等［6］通過試驗得出最優(yōu)輔助膠凝材料摻量組合為煤灰摻量50%～60%、膨脹劑摻量為6%，在此條件下膠凝材料具有良好的膨脹與強度的協(xié)調(diào)性。賈福萍等［7］研究了高溫作用對大摻量粉煤灰混凝土早期力學性能的影響。

以上關(guān)于粉煤灰混凝土力學性能研究很多，但多數(shù)研究局限于早期抗壓強度且最大煤灰摻量為水泥摻量的1. 2倍以內(nèi);同時，相關(guān)學者的研究［8－9］指出，利用28 d齡期的性能指標并不能很好地反映大摻量粉煤灰混凝土的真實性能，進行較長期齡養(yǎng)護條件下粉煤灰混凝土力學性能研究具有良好的科研意義。因此，本文在水灰比不變的條件下，建立3種混凝土配合比A、B、C，分別為普通硅酸鹽混凝土、大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量為水泥摻量的0. 87倍)和特大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量為水泥摻量的1. 63倍)，對其90及365 d齡期的標準試件進行加載試驗，探討其軸向和橫向應力應變的力學特性以及耗能等，研究大、特大摻量粉煤灰混凝土后期力學性能。

1　試驗部分

1. 1材料、配合比及試件

本試驗采用的試件為標準條件下進行養(yǎng)護，齡期為90和365 d的標準試件。粉煤灰混凝土材料組成見表1。

混凝土配合比共3種，粉煤灰摻量分別為水泥摻量的0、0. 87和1. 63倍(表2)。每種配合比類型各制作2組試件，每組試件3個，共18個試件。

表1　粉煤灰混凝土材料組成Table 1　Compositions of fly-ash concrete

表2　粉煤灰混凝土配合比Table 2　Mixture ratios of fly-ash concrete

1. 2加載試驗

采用1 000 kN萬能試驗機，單向軸向加載至試件破壞。為消除試件端部制作不平整產(chǎn)生的影響，在彈性階段對試件進行3次重復的加載、卸載，然后再一次性加載至試件破壞。在圓柱形試件縱向、橫向?qū)ΨQ位置各布置2個應變片，應變片長度為70 mm。本試驗每組試件試驗數(shù)據(jù)都進行了均值法處理，得到均化后的一條應力－應變曲線。

2　結(jié)果分析

2. 1應力－應變關(guān)系

圖1、圖2分別為90 d和365 d齡期試件在軸向應力作用下的軸向應變曲線和橫向應變曲線。圖1表明:混凝土抗壓強度隨著粉煤灰摻量的增加而提高，但提高的幅度逐漸減小;隨著齡期的增加，粉煤灰混凝土(配合比B和C)與普通混凝土(配合比A)相比，其后期抗壓強度提高的幅度更大;隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土軸向變形能力略有提高。圖2表明:隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的軸向應力顯著增大;當齡期為90 d時，粉煤灰明顯提高了混凝土的橫向變形能力，但隨著齡期的繼續(xù)增加，粉煤灰混凝土橫向變形能力明顯降低，且粉煤灰摻量越大，其橫向變形能力降低越多。

圖1　軸向應力－應變曲線Fig. 61Curves of axial stress-strain

圖2　軸向應力－橫向應變曲線Fig. 62Curves of axial stress and hoop strain

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2. 2應力應變關(guān)系模型

2. 2. 1模型概要為推廣粉煤灰混凝土的廣泛應用，有必要建立粉煤灰混凝土的應力應變關(guān)系公式。文獻［11］給出了一種普通硅酸鹽水泥混凝土的應力應變關(guān)系公式。由于該公式適用范圍較廣，能夠應用于抗壓強度不超過130 MPa的混凝土，以下將根據(jù)本次試驗結(jié)果對該式進行討論。

式中:σ為混凝土應力; fc，r為混凝土抗壓強度試驗值; X是軸向變形與抗壓強度對應應變εc，r的比值。式( 1)表明，要定義大摻量粉煤灰混凝土應力應變關(guān)系，需要明確3個參數(shù)X、a和b。根據(jù)文獻［11］，試件的εc，r以及控制應力－應變曲線的系數(shù)a和b可用下式表示:

其中:εc，r為抗壓強度fc，r對應的混凝土峰值壓應變; Ec為混凝土彈性模量，可用式( 6)來確定; Esec為峰值點對應的割線模量。

由式( 2)～( 6)知，只要確定混凝土抗壓強度試驗值，就能求得3個參數(shù)以及混凝土的彈性模量?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》( GB 50010—2010)中計算公式如下:根據(jù)以上公式確定各試件主要參數(shù)，見表3。

2. 2. 2公式計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較將試驗中測得的數(shù)據(jù)代入式( 2)和式( 6)，可確定抗壓強度與其對應應變和彈性模量的關(guān)系，計算結(jié)果與試驗結(jié)果分別見圖3、圖4。就本次試驗結(jié)果而言，式( 2)和式( 6)與實測數(shù)據(jù)符合情況較好。

由圖3可得:隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的抗壓強度與其對應應變εo隨之增大，特別是后期抗壓強度提高明顯，但對應壓應變提高幅度不大。各公式計算結(jié)果基本一致，壓應變的計算值略大于試驗值。從圖4可知，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的抗壓強度與彈性模量隨之增大，特別是后期抗壓強度和彈性模量提高明顯，各公式計算結(jié)果基本一致，彈性模量的試驗值均略大于計算值。

不同配合比各種計算方法的應力應變關(guān)系理論值和試驗值如圖5所示。

對比可以看出，各公式的契合程度都較好，計算值都略大于試驗值。從整體來看，中國規(guī)范公式和日本公式契合程度最好，素混凝土時誤差小于1%，齡期90、365 d時隨著粉煤灰摻量的增多，誤差有所增大。因此，中國規(guī)范普通硅酸鹽混凝土公

表3　試件主要參數(shù)Table 3　Main parameters of fly-ash concrete blocks

式和日本常用普通硅酸鹽混凝土公式能夠較好的評價大、特大摻量粉煤灰混凝土后期應力－應變關(guān)系。

為了從能量的角度評價試驗結(jié)果與計算公式，將式( 1)、式( 2)計算的變形能量和試件破壞過程中吸收的變形能量用圖6表示。

可知，各公式的契合程度都較好，隨著粉煤灰摻量越多，都出現(xiàn)一定的誤差，但從整體來看，中國規(guī)范公式和日本公式契合程度最好。

圖3　抗壓強度與對應應變關(guān)系Fig. 63Curves of axial compressive strength and corresponding strain

圖4　抗壓強度與彈性模量的關(guān)系Fig. 64Curves of axial compressive strength and elastic modulus

圖5　應力應變理論值與實測值關(guān)系Fig. 65Stress-strain curves of measured and theoretical value

3　結(jié)論

通過粉煤灰混凝土試塊的單向軸向加載試驗以及在普通硅酸鹽水泥混凝土應力應變關(guān)系的研究基礎(chǔ)上得到以下結(jié)論:

( 1)單位體積混凝土中粉煤灰用量在462 kg的范圍內(nèi)，隨著粉煤灰摻量和齡期的增加，混凝土的抗壓強度、抗壓屈服應變εc，r以及彈性模量增大。

( 2)隨著齡期的增加，粉煤灰混凝土橫向變形能力降低，且粉煤灰摻量越大，橫向變形能力下降越快。

( 3)中國規(guī)范公式和日本公式較好的評價了本次試驗的粉煤灰混凝土應力應變關(guān)系。

圖6　應變能量的理論值與實測值Fig. 66Strain energy curves of measured and theoretical value

參考文獻:

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Stress-strain characteristics of high-volume fly-ash concrete

ZENG Rong，CHEN Mu-jie，HUANG Mei-ling，BAO En-he
( a. Guangxi Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering; b. College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China)

Abstract:Through the axial compression tests of the fly-ash concrete-blocks with three different mixture ratios during 90 and 365 days concrete age，the axial and transverse mechanical characteristics of stress-strain were determined and the mechanical property and energy costing of the test blocks were discussed．The stress and the strain of the test-blocks were calculated according to the national standard formulas and foreign representative formulas and were compared with the test results．The results show that the compressive strength，peak strain and elastic modulus of the test blocks increase with the quantity of fly-ash age increasing，while the hoop strain decreases．The research also indicates that the stress and the strain calculated by national standard formulas and Japanese formulas provide better evaluation both in the experiment result，and post-tress-strain relation of fly-ash concrete．

Key words:fly-ash; concrete; compression strength; stress-strain

通訊作者:陳慕杰，高級工程師，cmj1@ glut. edu. cn。

作者簡介:曾榕( 1977—)，男，碩士，實驗師，研究方向:結(jié)構(gòu)工程，190556075@ qq. com。

基金項目:廣西礦冶與環(huán)境科學實驗中心項目( KH2012YB027)

收稿日期:2014－03－28

doi:10. 3969/j．issn. 1674－9057. 2015. 01. 012

文章編號:1674－9057( 2015) 01－0086－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:TU528. 01

引文格式:曾榕，陳慕杰，黃美玲，等．大摻量粉煤灰混凝土應力－應變關(guān)系［J］．桂林理工大學學報，2015，35 ( 1) : 86－90．