全輕混凝土尺寸效應(yīng)研究

李瀟雅 ,陳衛(wèi)峰

(1.河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.中通鋼構(gòu)股份有限公司，山東 聊城 252000)

混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料[1]，隨著建筑技術(shù)的不斷深入發(fā)展，普通混凝土材料的強(qiáng)度不斷提升，但其自重也較大。由輕粗集料、輕砂(普通砂)、水泥和水配制而成的混凝土稱為輕骨料混凝土[2]，相對(duì)于普通混凝土，輕骨料混凝土具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔熱、耐火抗震等優(yōu)良性能[3-4]，能夠提高混凝土工程的質(zhì)量，具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[5],特別是對(duì)于有特殊需求的人防建筑、水利大壩等具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了考慮日常的靜力荷載對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響，還需要考慮建筑物在抗沖擊爆炸性能方面的力學(xué)行為響應(yīng)。SHPB實(shí)驗(yàn)裝置是研究各類工程材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的最基本實(shí)驗(yàn)手段[6]，對(duì)輕骨料混凝土而言，研究其在動(dòng)態(tài)沖擊性能下的力學(xué)響應(yīng)對(duì)于深入了解材料的性質(zhì)、破壞形態(tài)具有十分重要的意義。

大量試驗(yàn)表明：SHPB動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)測(cè)得的混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與試件尺寸有關(guān)，試件的長(zhǎng)徑比越大，影響越大[7]。為了研究輕骨料混凝土試件長(zhǎng)徑比對(duì)動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變的影響，確定全輕混凝土的最優(yōu)長(zhǎng)徑比，需要深入了解全輕混凝土的尺寸效應(yīng)。

本文采用頁(yè)巖陶砂和頁(yè)巖陶粒制作強(qiáng)度等級(jí)分別為L(zhǎng)C30、LC40全輕混凝土，利用SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)直徑為50 mm，長(zhǎng)徑比分別為0.4、0.5、0.6的全輕混凝土試塊進(jìn)行沖擊壓縮試驗(yàn)，研究全輕混凝土的尺寸效應(yīng)，以確定全輕混凝土SHPB試驗(yàn)的最優(yōu)長(zhǎng)徑比。

1 全輕混凝土配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)水泥采用焦作堅(jiān)固水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5R 級(jí)早強(qiáng)型普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用焦作電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。頁(yè)巖陶粒、頁(yè)巖陶砂均為洛陽(yáng)正全實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。其中，根據(jù)量級(jí)影響及泵送混凝土的要求，挑選粒徑為5～15 mm的不規(guī)則碎石型頁(yè)巖陶粒，密度等級(jí)為700級(jí)，表觀密度為950～1 000 kg/m3，堆積密度為570～770 kg/m3，24 h 吸水率為4.0%；頁(yè)巖陶砂顆粒粒徑≤ 5 mm，堆積密度為600～770 kg/m3，密度等級(jí)為600～800級(jí)，顆粒級(jí)配連續(xù)，細(xì)度模數(shù)為2.31～3.36，24 h吸水率為12.5%，陶砂顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。試驗(yàn)采用河南美亞公司生產(chǎn)的聚羧酸系高效減水劑，減水劑的減水性高達(dá)35%，且摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.4%～2.0%。

表1 陶砂顆粒級(jí)配

根據(jù)《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》(JGJ51-90)中相關(guān)規(guī)定，考慮實(shí)際工程中對(duì)于混凝土材料的泵送要求，依據(jù)三水平、四因素的正交實(shí)驗(yàn)，得到LC30、LC40兩種不同強(qiáng)度下的全輕混凝土最優(yōu)配合比，具體參數(shù)如表2所示。

表2 全輕混凝土最優(yōu)配合比

注：mc表示水泥質(zhì)量/kg；ma表示粉煤灰質(zhì)量/kg；W/B表示水膠比；Sp表示砂率/%。

2 試驗(yàn)方案

依據(jù)LC30、LC40全輕混凝土的最優(yōu)配合比，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)中的相關(guān)測(cè)試方法，制作試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的非標(biāo)準(zhǔn)試件，每種強(qiáng)度制作試件兩組，其中一組測(cè)試全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度，另一組進(jìn)行取芯打磨并切割，制作直徑為50 mm，長(zhǎng)度分別為20 mm、25 mm、30 mm的圓柱體試塊，即長(zhǎng)徑比分別為0.4、0.5、0.6，在沖擊強(qiáng)度為0.3 MPa的條件下進(jìn)行SHPB試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

3.1 全輕混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度

混凝土材料的立方體抗壓強(qiáng)度是驗(yàn)證混凝土材料是否合格的重要指標(biāo)，同時(shí)，為了進(jìn)一步研究全輕混凝土抗沖擊性能與立方體抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，根據(jù)表1的配合比對(duì)制作好的試件進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同強(qiáng)度等級(jí)的全輕混凝土抗壓強(qiáng)度及表觀密度

注：(1)fcu28d表示混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度/MPa；(2)下文中相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)不標(biāo)注28 d的，均為28 d強(qiáng)度；(3)ρd表示混凝土試塊的表觀密度/(kg/m3)；(4)SS表示比強(qiáng)度/(kN·m3/kg)，即SS=fcu28d/ρd。

3.2 SHPB試驗(yàn)基本原理

試驗(yàn)采用直徑為50 mm的霍普金森壓桿(SHPB)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)壓力閥控制壓縮氮?dú)獾妮敵鰤毫ψ鳛閯?dòng)力裝置，桿件材質(zhì)為鋼桿，密度(ρ)為7 800 kg/m3，彈性模量(E)為210 GPa，子彈沖擊入射桿后，脈沖信號(hào)在桿件中的傳播速度(C)為5.19 km/s。

考慮到應(yīng)變率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致試塊的不均勻性，從而影響試驗(yàn)結(jié)果，本試驗(yàn)將沖擊強(qiáng)度設(shè)置為0.3 MPa，應(yīng)變率變化范圍控制在0～150 s-1。

在滿足SHPB試驗(yàn)的一維應(yīng)力波假定和試樣均勻性假定基礎(chǔ)上，根據(jù)一維應(yīng)力波和應(yīng)力均勻假設(shè)理論[8-9]，利用兩組分別對(duì)稱粘貼在入射桿、透射桿上的電阻式應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)出的試件平均應(yīng)力(σ)、平均應(yīng)變率(εs)及平均應(yīng)變(ε)分別如式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：A0、l0—分別表示試件的初始截面積(m2)、長(zhǎng)度(m)；

E、C、A—分別表示壓桿的彈性模量(GPa)、波速(m/s)、橫截面面積(m2)；

3.3 尺寸效應(yīng)

按照上述試驗(yàn)方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)試塊的制作并編號(hào)，見(jiàn)表4。隨后對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為L(zhǎng)C30、LC40的全輕混凝土，進(jìn)行沖擊強(qiáng)度為0.3 MPa時(shí)，不同長(zhǎng)徑比的試塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn)，根據(jù)公式(1)～(4)計(jì)算出的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1、圖2所示。

表4 不同強(qiáng)度等級(jí)的全輕混凝土動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)編號(hào)

圖1 LC30全輕混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖2 LC40全輕混凝土的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖1、圖2可知：在沖擊強(qiáng)度相同的情況下，兩種不同強(qiáng)度的全輕混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)與靜力學(xué)響應(yīng)完全不同。在沖擊強(qiáng)度相同的情況下，無(wú)論LC30還是LC40，其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度較立方體抗壓強(qiáng)度均有提高，其強(qiáng)度增長(zhǎng)系數(shù)在1.12～1.50，但LC40全輕混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)系數(shù)略大于LC30全輕混凝土。兩種強(qiáng)度的混凝土在彈性階段的變化趨勢(shì)基本一致，且隨著全輕混凝土強(qiáng)度的提高，峰值應(yīng)變也隨之增大。

在沖擊強(qiáng)度相同的條件下，直徑相同，長(zhǎng)度不同(分別為20 mm、25 mm和30 mm)的全輕混凝土試塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線卻不相同，設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)分別為L(zhǎng)C30、LC40的全輕混凝土均表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)。兩種強(qiáng)度的全輕混凝土試塊在受到?jīng)_擊壓縮時(shí)，隨著試塊長(zhǎng)徑比的增大，全輕混凝土的動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度卻下降，其強(qiáng)度比值在0.70～1.05；當(dāng)試塊的長(zhǎng)度為25 mm時(shí)，兩者的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變均達(dá)到最大值；長(zhǎng)徑比的變化對(duì)于全輕混凝土試塊吸收能量的能力也產(chǎn)生影響，長(zhǎng)徑比越大，材料的吸收能力越低。表明全輕混凝土材料在一定長(zhǎng)徑比范圍內(nèi)，尺寸效應(yīng)對(duì)于其動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響有限制效果。

試塊長(zhǎng)徑比越小，其峰值強(qiáng)度越大，分析其原因：試塊尺寸較小時(shí)，入射桿與試塊、試塊與透射桿之間產(chǎn)生摩擦效應(yīng)，對(duì)于桿件在試塊上產(chǎn)生的橫向效應(yīng)有一定約束作用，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生三維加載波，進(jìn)一步提高全輕混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度。在試驗(yàn)過(guò)程中，還需要考慮應(yīng)力波在試塊中傳播需要的時(shí)間，試塊厚度越厚，應(yīng)力波傳播需要的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)材料達(dá)到應(yīng)力均勻?qū)a(chǎn)生影響，綜合考慮動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及一維應(yīng)力波理論，本試驗(yàn)最終確定全輕混凝土材料SHPB試驗(yàn)的最優(yōu)長(zhǎng)徑比為0.5，即試塊直徑為50 mm，長(zhǎng)度為25 mm。

4 結(jié)論

(1) LC30、LC40全輕混凝土的SHPB試驗(yàn)表明：全輕混凝土材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度較立方體抗壓強(qiáng)度明顯提高，且隨著全輕混凝土強(qiáng)度的提高，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

(2) 在沖擊強(qiáng)度相同的情況下，隨著長(zhǎng)徑比的增加，全輕混凝土表現(xiàn)出尺寸效應(yīng)，長(zhǎng)徑比越大，其動(dòng)態(tài)峰值強(qiáng)度越低。

(3) 在一定的尺寸范圍內(nèi)，尺寸效應(yīng)對(duì)于動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響有限制作用，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，最終確定全輕混凝土SHPB試驗(yàn)的最優(yōu)長(zhǎng)徑比為0.5。

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