含初始缺陷混凝土的拉伸試驗研究

史帥帥，張云發(fā)(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210098)*

含初始缺陷混凝土的拉伸試驗研究

史帥帥，張云發(fā)
(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210098)*

在相同配合比下的混凝土試件中加入4種不同含量的引氣劑，用來模擬混凝土試件的初始缺陷程度，并在WAW－E2000萬能試驗機(jī)上進(jìn)行混凝土試件的軸向拉伸試驗，測出了混凝土在拉伸試驗過程中的應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€，研究了不同含量的引氣劑對混凝土的抗拉強(qiáng)度、變形特性與損傷特性的影響.試驗結(jié)果表明:隨著引氣劑含量的增大，混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線逐漸變平緩，混凝土內(nèi)的初始損傷程度相應(yīng)增加，且抗拉強(qiáng)度隨之降低，而峰值應(yīng)變基本保持不變.

混凝土;初始缺陷;受拉;引氣劑;試驗研究

0 引言

混凝土在澆筑成型的過程中存在不同程度的內(nèi)部缺陷［1-2］，稱為初始損傷.在外部荷載作用下，混凝土中的這種初始損傷會不斷地發(fā)展，累積，直到破壞.為保證混凝土結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)使用年限的安全性，深入地研究混凝土材料的初始損傷以及其對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響是非常有必要的.

在混凝土結(jié)構(gòu)各項安全性能的研究中，最基本也是最重要的就是其力學(xué)性能的研究.截止到目前為止，關(guān)于混凝土材料的強(qiáng)度、變形等，在靜態(tài)方面，國內(nèi)外的研究人員基本都已達(dá)成共識，但是大多數(shù)都沒有考慮到混凝土初始缺陷的問題，在這方面的研究就相對更少了.在力學(xué)試驗的方面，Hsu等［2］研究了素混凝土中微裂縫對應(yīng)力－應(yīng)變曲線形狀的影響; Liners［3］研究了含微裂縫混凝土在壓縮下的性能及對拉伸強(qiáng)度的影響; Mitsuru［4］( 1987)通過試驗研究了混凝土內(nèi)部初始缺陷的組成和在荷載下的發(fā)展情況; Bascoul［5］( 1996)考慮混凝土的內(nèi)部缺陷，研究了加載情況下微裂縫的擴(kuò)展.

本文在WAW－E2000電液伺服萬能試驗機(jī)上對混凝土進(jìn)行單向拉伸試驗，研究了不同初始缺陷含量對混凝土的抗拉強(qiáng)度、變形特性和損傷特性的影響.

1 試驗概況

1.1混凝土初始缺陷的考慮

在澆筑混凝土試件的過程中，加入一定數(shù)量的苯磺酸鈉引氣劑，人為地制造出一些微孔隙、微裂紋，用來模擬初始損傷，所以初始損傷的程度隨著引氣劑含量的變化而變化.

1.2加載設(shè)備

加載設(shè)備采用河海大學(xué)工程力學(xué)與結(jié)構(gòu)檢測實驗室的WAW－E2000電液伺服萬能試驗機(jī).試驗機(jī)主機(jī)采用AMSLA式油缸上置主機(jī)，電器都采用DOLI控制器，試驗機(jī)的試驗力(最大試驗力為2 000 kN)、試件變形和活塞位移等參量均為閉環(huán)控制.

1.3量測、采集設(shè)備

軸拉試驗主要測量的力學(xué)參數(shù)有試件軸向荷載、作動器位移及試件軸向變形或應(yīng)變.試件軸向荷載、作動器位移可以通過加載設(shè)備上的荷載、位移傳感器確定，關(guān)鍵是得到試件的軸向變形或應(yīng)變.

電阻應(yīng)變片、千分表或引伸計是測量應(yīng)變的主要設(shè)備.課題組選擇了型號為B×120－100AA 100×3的電阻應(yīng)變片，其靈敏度系數(shù)為2.08±1%.

試驗過程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用江蘇省東華測試技術(shù)有限公司研制的DH3818靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，分辨率可達(dá)到1 με，完全可以滿足試驗的需要.

1.4試件制備

混凝土試塊的大小為: 100 mm×100 mm× 500 mm，兩端各埋入一根Φ16 mm、長245 mm的螺紋鋼，埋入深度為100 mm.混凝土試件設(shè)計強(qiáng)度等級為30 MPa，其配合比(按重量)為水泥∶水∶砂∶碎石= 367∶180∶649∶1 204.所用水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為32.5;水采用的是自來水;砂子采用的是中砂;粗骨料為連續(xù)粒徑大小的碎石，石子的最大直徑為20 mm.在( 20± 3)℃的溫度和相對濕度在90%以上的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d，測得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度.試驗通過加入不同的引氣劑的含量來表示混凝土初始缺陷程度的不同，因此可根據(jù)引氣劑含量的不同來分組，試件共為為四組，每組有8個試件，一組為引氣劑量為0的混凝土，編號為B1－n( n = 1，2，…，8)，其他三組的引氣劑摻入質(zhì)量比(對混凝土方量而言)分別為0.05%、0.1%和0.15%，編號分別為B4－n、B3－n和B2－n，各組引氣劑摻量與試件編號見表1.

表1 試件的編號

混凝土試塊的制作要求是根據(jù)GB/T 50081 －2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定.澆筑的模具兩端面開Φ16 mm的螺紋孔，用于預(yù)先埋置螺紋鋼.制作過程中，先將螺紋鋼用螺母固定于模具兩端面，一組試件一次配料，將集料放入攪拌機(jī)攪拌均勻，分別澆入水平放置、尺寸為100 mm×100 mm×500 mm長方體鋼模中，振動臺振動密實、成型，然后按照規(guī)范要求養(yǎng)護(hù)28 d，最后在自然條件下養(yǎng)護(hù).

1.5試驗過程

混凝土拉伸試驗在伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，受力采用單軸加載形式，不考慮側(cè)向加載力.試驗機(jī)可采用兩種控制方式:程序控制和手動控制，程序控制需設(shè)定試驗終止條件，手動控制則較為靈活，在試驗過程中可以根據(jù)試驗具體情況進(jìn)行調(diào)整，本試驗均采用手動控制.試驗采用位移加載的模式，加載速率為0.1 mm/min，應(yīng)變率為1.1× 10－5，查相關(guān)文獻(xiàn)可知，此應(yīng)變率下的試驗可以視作為準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1不同引氣劑含量對混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線的影響

混凝土經(jīng)過荷載的作用，使混凝土內(nèi)部的初始損傷發(fā)展、累積，因此經(jīng)歷荷載作用后，混凝土內(nèi)部損傷會使得混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生變化.圖1分別給出了引氣劑含量為0 ( B1)、0.05% ( B4)、0.1%( B3)和0.15% ( B2)時，混凝土試件準(zhǔn)靜態(tài)受拉過程的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，其中B1，B2，B3，B4分別為B1－n，B2－n，B3－n，B4－n中正常試件的平均值.從圖1中可以看出:混凝土在摻入引氣劑之后，其應(yīng)力－應(yīng)變曲線與未加引氣劑的混凝土有著較大的區(qū)別的，引氣劑的引入對混凝土的力學(xué)性能有著較大的影響，這種含有人為制造的初始損傷的混凝土力學(xué)性能是有區(qū)別于正常澆筑(引氣劑含量為0)的混凝土的.隨著引氣劑含量的增加，曲線的斜率、峰值應(yīng)力逐漸變小，而峰值應(yīng)力對應(yīng)下的峰值應(yīng)變則保持基本不變.

圖1 混凝土拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

2.2不同引氣劑含量對混凝土相關(guān)力學(xué)性能的影響

混凝土的力學(xué)性能與混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、峰值應(yīng)變等參數(shù)有關(guān)，隨著引氣劑的引入，使得這些參數(shù)與一般混凝土的參數(shù)不同.試驗中，每組有8個試塊，除去試驗中因偶然因素而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失敗外(如偏心試件)，第一組(引氣劑量為0)有4個正常試件，第二組(引氣劑量為0.05%)有4個正常試件，第三組(引氣劑量為0.1%)有3個正常試件，第四組(引氣劑量為0.15%)有1個正常試件.通過分析試驗結(jié)果，可得到引氣劑含量不同的混凝土試塊的相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表2所示.

表2 混凝土力學(xué)性能參數(shù)

2.2.1不同引氣劑含量對混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

從表2中可以看出，伴隨著引氣劑含量的加大，混凝土內(nèi)部的缺陷也隨之增多，混凝土的抗拉強(qiáng)度平均值也有所降低.相對于未加引氣劑的混凝土試件，加入了0.05%、0.1%和0.15%引氣劑含量后的平均抗拉強(qiáng)度分別降低了29. 36%、54. 22% 和60.37%.因此，可看出引氣劑的加入對混凝土產(chǎn)生了初始損傷，而且隨著引氣劑含量的加大，初始損傷的程度也越大.同時，也可以從上表中看出，隨著引氣劑量增大到一定程度時，混凝土內(nèi)部缺陷，則趨向于最大限度，強(qiáng)度也不增加了.

2.2.2不同引氣劑含量對混凝土峰值應(yīng)變的影響

混凝土應(yīng)力－應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力處的應(yīng)變?yōu)榉逯祽?yīng)變.邱玲、徐道遠(yuǎn)和鄧愛民等［6-7］通過加入引氣劑來模擬損傷的方法，得到的結(jié)論是:隨著引氣劑含量的增加，峰值應(yīng)變逐漸增大.由于試驗的局限性，文中的應(yīng)力應(yīng)變曲線并不完整，只有應(yīng)力應(yīng)變曲線的上升段，所以得到的峰值應(yīng)變存在一定的誤差.表2給出了本文試驗中，不同缺陷含量混凝土受拉時的峰值應(yīng)變值的情況.可以看出，峰值應(yīng)變離散性較大，但從均值來看，對不同含量引氣劑試件的峰值應(yīng)變影響不大，隨著引氣劑量的增加，峰值應(yīng)變基本保持為一常量不變.

2.2.3不同引氣劑含量對混凝土損傷特性的影響

本文定義混凝土的損傷程度為混凝土彈性模量的退化，即用下面的公式計算混凝土的損傷程度:

式中，D0為初始損傷，EC為混凝土的初始彈性模量，E0為理想的無損彈性模量，通過不同含量引氣劑得到的初始彈性模量擬合后得到.其中，取應(yīng)力應(yīng)變曲線上達(dá)到峰值應(yīng)力30%處的割線彈性模量作為混凝土的彈性模量.從表2中可以看出，隨著引氣劑含量的加大，混凝土彈性模量在慢慢減小.

由表2中的實驗數(shù)據(jù)，在彈性模量和引氣劑的兩個變量中按下式方程進(jìn)行擬合:

式中，x為引氣劑含量，y為彈性模量，單位為GPa;根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，將加入引氣劑的三組數(shù)據(jù)中正常試件彈性模量的平均值和引氣劑的含量帶入方程，可解出: a = 32.54，b = 1.238，c = 15.20，并將結(jié)果代入原方程( 2)，可得:

當(dāng)無引氣劑時，即x = 0時，為理想的彈性模量，即

由表2可知，引氣劑含量為0的混凝土初始彈性模量為31.88 GPa，由式( 1)可算出引氣劑含量為0的混凝土試件的損傷值為0.332.

類似的，可以得到摻入引氣劑含量為0. 05%、0.1%和0.15%的混凝土試件的初始損傷值分別為0.484、0.624和0.665，從這幾個數(shù)字可以看出，引氣劑含量越多，數(shù)字就越大，損傷程度也就越大.

3 結(jié)論

本文通過引氣劑含量的不同來表征初始缺陷的程度不同，并在電液伺服試驗機(jī)上進(jìn)行單抽拉伸試驗，可以得到:

( 1)隨著加入引氣劑含量的增加，混凝土內(nèi)部所受到的初始損傷隨之增加，混凝土應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€也變得越平緩;

( 2)隨著加入引氣劑含量的增加，開始時混凝土的抗拉強(qiáng)度逐漸減小，但隨著引氣劑含量的加大，強(qiáng)度減少程度逐漸變小，并趨向一個限值，為以后學(xué)者進(jìn)行類似研究提供了一個方向;

( 3)隨著加入引氣劑含量的增加，混凝土的彈性模量逐漸減小，而峰值應(yīng)變則基本不變;

( 4)通過試驗數(shù)據(jù)、曲線擬合得到的初始損傷值，不僅可以把損傷程度進(jìn)行量化，也為進(jìn)一步采用數(shù)值方法進(jìn)行含初始缺陷混凝土結(jié)構(gòu)的安全分析奠定了基礎(chǔ).

［1］陳厚群.對水工抗震的思考［J］.中國電力企業(yè)管理，2008( 8) : 35-35.

［2］HSU T T C，SLATE F O，STURMAN G M，et al.Microcracking of plain concrete and the shape of the stressstrain curve［J］.ACI Journal Proceedings，1963，60 ( 2) : 201-204.

［3］LINERS A D.Microcracking of concrete under compression and its influence on tensile strength［J］.Materials and Structures，1987，20( 2) : 111-116.

［4］MITSURU S.Characteristics of microcracking in concrete under static and repeated tensile loading［J］.Cement and concrete research，1987，17( 2) : 211-218.

［5］BASCOUL A.State of the art report-Part 2: Mechanical micro-cracking of concrete［J］.Materials and Structures，1996，29( 2) : 67-78.

［6］邱玲，徐道遠(yuǎn)，朱為玄，等.混凝土壓縮時初始損傷及損傷演變的試驗研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，24( 6) : 1061-1065.

［7］鄧愛民，徐道遠(yuǎn)，符曉陵，等.混凝土單軸拉伸損傷試驗研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，26( 1) : 77-80.

Study Impact on Tensile Properities of Concrete with Different Initial Defections

SHI Shuaishuai，ZHANG Yunfa
( College of Mechanics and Materials，Hehai University，Nanjing 210098，China)

Initial defections were simulated through mixing different quantities of air entraining agent into four test samples of the same concrete，and then tensile tests of plain concrete specimens were carried out by using a static-dynamic test machine.The relation of stress-strain curves of the concrete were obtained，and the effects of different initial defections on tensile strengths，stress-strain curves and damage behaviors of the concrete were investigated.It is found that the initial damage of concrete are increasing，and the stress-strain curves are began to flatten.The bending strengths of the concrete are decreased with the increasing quantities of air entraining agent，but the peak strains are remained unchanged.

concrete; initial defections; tensile; air entraining agent; experiment study

A

1673-9590( 2016) 01-0048-04

2015-03-16

國家自然科學(xué)基金資助項目( 51179064)

史帥帥( 1989－)，男，碩士研究生，主要從事?lián)p傷斷裂的研究

E-mail: 726631543@ qq.com.