大尺寸飽和混凝土單軸壓縮動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究

王孝政，彭 剛，馬小亮，鄧 媛

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

大尺寸飽和混凝土單軸壓縮動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)研究

王孝政，彭 剛，馬小亮，鄧 媛

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了解飽和混凝土材料的動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)展了大尺寸飽和混凝土在不同應(yīng)變速率下的單軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)在大型多功能液壓靜動(dòng)力三軸儀上進(jìn)行，采用φ300 mm×600 mm圓柱體混凝土試件, 得到了大尺寸飽和混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能參數(shù)，并根據(jù)破壞形態(tài)分析了其破壞機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明:峰值應(yīng)力、吸能能力隨著應(yīng)變速率增大而增加，峰值應(yīng)變、彈性模量隨著應(yīng)變速率的增大整體上增加。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的特點(diǎn)，建立了峰值應(yīng)力前服從Weibull統(tǒng)計(jì)分布，峰值應(yīng)力后服從Lognormal統(tǒng)計(jì)分布的損傷本構(gòu)模型?；炷疗茐男螒B(tài)表現(xiàn)為多個(gè)共軛斜面的剪切破壞，根據(jù)試件破壞后裂縫開(kāi)展情況，解釋了混凝土破壞剝落原因，并從材料組成、吸能能力等方面分析了其破壞機(jī)理。

大尺寸；飽和混凝土；動(dòng)態(tài)性能；本構(gòu)模型；破壞機(jī)理

1 研究背景

混凝土在當(dāng)今土木建筑領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，其中大壩、橋梁墩基、近海岸建筑物等混凝土結(jié)構(gòu)常年處于水環(huán)境中，水的存在對(duì)混凝土力學(xué)性能影響比較大。地震作用對(duì)飽和混凝土結(jié)構(gòu)安全性能影響也比較大，這些結(jié)構(gòu)又往往在國(guó)計(jì)民生中發(fā)揮重要的作用，使得飽和混凝土在地震作用(應(yīng)變速率為10-4～10-2/s)下動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究顯得非常重要。

1994年Bartlett等[1]分析了含水率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。Ross等[2]研究應(yīng)變速率和含水率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，認(rèn)為應(yīng)變速率對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響存在過(guò)渡區(qū)，含水率對(duì)混凝土強(qiáng)度關(guān)系也受此過(guò)渡區(qū)影響。王海龍等[3]從細(xì)觀角度分析了飽和混凝土孔隙水壓力對(duì)裂紋發(fā)展的影響。周繼凱等[4]等研究了混凝土受沖擊荷載時(shí)，含水率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明含水率對(duì)混凝土強(qiáng)度增加影響不明顯，對(duì)其臨界應(yīng)變無(wú)影響。彭剛等[5]對(duì)圓柱體混凝土試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)，分析了干燥、飽和、飽和有水壓等不同狀態(tài)下混凝土力學(xué)性能。王海龍等[6]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)飽和混凝土與干燥混凝土相比對(duì)加載速率更敏感，并從混凝土孔隙及自由水存在方面對(duì)其強(qiáng)度變化機(jī)理進(jìn)行了分析。閆東明[7]研究發(fā)現(xiàn)濕度變化對(duì)混凝土強(qiáng)度有顯著影響，應(yīng)變速率影響大于含水率影響。還有一些學(xué)者從孔隙自由水的影響、滲透作用等方面研究了混凝土損傷變化[8-9]。

綜上所述，目前研究多是集中在含水率對(duì)混凝土靜態(tài)性能的影響，而動(dòng)態(tài)荷載下力學(xué)特性的研究還非常有限，而且得到的應(yīng)變速率對(duì)飽和混凝土強(qiáng)度等力學(xué)性能影響的結(jié)論也不同。為了充分了解濕態(tài)混凝土材料動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行了大尺寸飽和混凝土的動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備有圍壓桶以及10 MN微機(jī)控制電液伺服多功能動(dòng)靜力三軸儀。多功能動(dòng)靜力三軸儀主要由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)控制箱、加載框架系統(tǒng)、液壓油泵系統(tǒng)等幾部分組成，如圖1所示,該設(shè)備豎向最大動(dòng)、靜力加載值分別為5 000 kN和10 000 kN，滿(mǎn)足本文試驗(yàn)要求。

圖1 三軸設(shè)備系統(tǒng)

2.2 試件制作及試驗(yàn)步驟

混凝土試件采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥；拌合水為飲用自來(lái)水；粗骨料采用5～40 mm連續(xù)級(jí)配的碎石；細(xì)骨料為連續(xù)級(jí)配河砂，其篩分細(xì)度模數(shù)為1.8。制作直徑為300 mm、高為600 mm的圓柱體混凝土試件，采用的配合比為水∶水泥∶砂∶石子=0.50∶1.00∶2.28∶3.72(按質(zhì)量計(jì))，每1 m3用量如表1，試件澆注完成后在養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)。

表1 混凝土材料用量Table 1 Amounts of concrete materials per cubic meter

將養(yǎng)護(hù)完成的試件進(jìn)行表面磨平處理，以避免試驗(yàn)中局部受壓情況。然后將試件置于圍壓桶中，在圍壓桶中注滿(mǎn)水將試件浸泡15 h左右，用位移控制顯示位移30 min內(nèi)不再隨時(shí)間的增加而改變，即認(rèn)為混凝土已達(dá)水飽和狀態(tài)。然后取出試樣放置在加載臺(tái)指定位置，對(duì)試樣進(jìn)行不同應(yīng)變速率下單軸壓縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 峰值應(yīng)力分析

試驗(yàn)得到不同應(yīng)變速率下飽和混凝土峰值應(yīng)力，如表2所示。

表2 不同應(yīng)變速率下峰值應(yīng)力Table 2 Peak stresses under different strain rates

為了進(jìn)一步說(shuō)明混凝土峰值應(yīng)力與應(yīng)變速率之間的關(guān)系，對(duì)相對(duì)峰值應(yīng)力與相對(duì)峰值應(yīng)變對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行了擬合，如圖2所示。圖2擬合公式為

DIF=σc/σ0=0.958 1+0.166 1lg(εd/εs) 。

(1)

式中：DIF表示混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)因子；σc為當(dāng)前應(yīng)變速率下混凝土峰值應(yīng)力；σ0為擬靜態(tài)應(yīng)變速率下混凝土峰值應(yīng)力；εd為當(dāng)前應(yīng)變速率下混凝土峰值應(yīng)變；εs為擬靜態(tài)應(yīng)變速率下混凝土峰值應(yīng)變。

圖2 相對(duì)峰值應(yīng)力與 相對(duì)峰值應(yīng)變對(duì)數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between relative peak stress and logarithm of relative peak strain

由表2及圖2可以看出，飽和混凝土峰值應(yīng)力隨著應(yīng)變速率的增大而增加，與眾多學(xué)者研究結(jié)論一致[5-6]。但混凝土峰值應(yīng)力增加并不是簡(jiǎn)單的隨著應(yīng)變速率線(xiàn)性增大而增加，一方面混凝土材料組成復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果存在較大的離散性;另一方面混凝土結(jié)構(gòu)必然存在初始微裂紋，特別是在骨料與水泥漿界面的薄弱部位，在荷載作用下微裂紋處應(yīng)力集中，裂紋逐漸發(fā)展最終形成宏觀裂縫，材料破壞。

3.2 峰值應(yīng)變分析

混凝土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)對(duì)應(yīng)的縱向應(yīng)變即為峰值應(yīng)變，它是表征混凝土變形性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)得到不同應(yīng)變速率下飽和混凝土峰值應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表3 不同應(yīng)變速率下峰值應(yīng)變Table 3 Peak strains under different strain rates

目前對(duì)于混凝土峰值應(yīng)變隨著速率變化有2種觀點(diǎn)[5，7]：①應(yīng)變速率越大，峰值應(yīng)變?cè)酱?；②?yīng)變速率變化而峰值應(yīng)變基本不變。本文試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其他應(yīng)變速率下混凝土峰值應(yīng)變都比準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)大，但存在一定的離散性。從增長(zhǎng)幅度分析，峰值應(yīng)變隨應(yīng)變速率有明顯的變化，即可以認(rèn)為混凝土峰值應(yīng)變與應(yīng)變速率存在動(dòng)態(tài)正相關(guān)性。

3.3 彈性模量分析

彈性模量是表征混凝土材料特性的物理量，是分析其本構(gòu)關(guān)系重要參數(shù)。本文取峰值應(yīng)力的35%～45%處應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)割線(xiàn)模量作為混凝土彈性代表值，試驗(yàn)得到飽和混凝土不同應(yīng)變速率下彈性模量如表4所示。根據(jù)表4，除去應(yīng)變速率10-4/s時(shí)，混凝土彈性模量隨著應(yīng)變速率增大而增加，而且在高應(yīng)變速率(10-3/s和10-2/s)下增長(zhǎng)幅度很明顯。

表4 不同應(yīng)變速率下彈性模量Table 4 Elastic moduli under different strain rates

3.4 吸能能力分析

混凝土吸能能力是反映混凝土從產(chǎn)生裂縫到破壞過(guò)程吸收能量大小的物理量，定義為從加載到達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與坐標(biāo)軸圍成的面積，其計(jì)算公式為

(2)

式中：S為吸能能力;U為單位體積的能量密度;V為體積;σ為應(yīng)力;ε為應(yīng)變;εpk為峰值應(yīng)變。

采用公式(2)對(duì)本文試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)計(jì)算得混凝土吸能能力如表5所示。從表5彈性模量增幅可以看出，混凝土的吸能能力隨應(yīng)變速率的增大而增加，混凝土吸能能力與應(yīng)變速率表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性。

表5 不同應(yīng)變速率下吸能能力Table 5 Energy absorption capacities under different strain rates

4 混凝土損傷本構(gòu)及破壞機(jī)理

4.1 混凝土損傷本構(gòu)模型構(gòu)建

應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)研究能夠綜合地反映混凝土在加載過(guò)程中的力學(xué)性能，是混凝土材料非線(xiàn)性分析的重要依據(jù)。很多學(xué)者在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)描述中采用了以鏈條模型為基礎(chǔ)的脆性破壞統(tǒng)計(jì)Weibull分布理論[10-14]。本文試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力前Weibull分布理論可以很好地描述應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，峰值應(yīng)力后Lognormal對(duì)數(shù)正態(tài)分布理論用于描述峰值后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比Weibull統(tǒng)計(jì)分布理論更合適。從而，本文采用的混凝土損傷本構(gòu)方程為

(3)

式中：εpk，σpk，E分別為峰值應(yīng)變、峰值應(yīng)力和彈性模量；m和t分別為上升段和下降段的形狀控制參數(shù)。根據(jù)公式(3)利用最小二乘法對(duì)飽和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)進(jìn)行擬合，并與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)進(jìn)行對(duì)比如圖3所示。

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)與擬合圖Fig.3 Stress-strain curves and fitting curves

從圖3可以看出Weibull-Lognormal統(tǒng)計(jì)分布模型能很好地描述混凝土加載過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變變化關(guān)系。圖形形狀與過(guò)鎮(zhèn)海[15]經(jīng)典單軸壓縮試驗(yàn)曲線(xiàn)很相似，為混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)不同狀態(tài)、不同加載條件下應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€(xiàn)簡(jiǎn)化分析提供了重要補(bǔ)充。

4.2 混凝土破壞機(jī)理分析

試驗(yàn)得到大尺寸飽和混凝土的破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 不同應(yīng)變速率下混凝土破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of concrete under different strain rates

圖4中的(a)，(b)，(c)，(d)分別表示4種不同應(yīng)變速率下的破壞形態(tài)，具體破壞原因分析如下所述。

從本文試驗(yàn)結(jié)果看，試件破壞時(shí)，試件兩端面保存完整，從端部向中間部分形成斜裂縫，外部混凝土開(kāi)裂剝落，最終混凝土試件破壞形態(tài)為多個(gè)共軛斜面剪切破壞。產(chǎn)生多個(gè)共軛斜面剪切破壞的原因?yàn)椋夯炷猎嚰谠囼?yàn)機(jī)上受壓時(shí)，縱向發(fā)生壓縮變形，橫向產(chǎn)生拉應(yīng)力而使試件膨脹變形，由于混凝土與壓力機(jī)墊板彈性模量及橫向變形存在明顯的差異，即壓力機(jī)墊板的橫向變形會(huì)明顯小于混凝土的橫向變形。又因?yàn)樵谠囼?yàn)中，未對(duì)試件承壓接觸面上采取減摩措施，混凝土的橫向變形受到摩擦力的約束，形成“箍套”作用，從而使試件與墊板的接觸面局部混凝土處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，試件破壞時(shí)形成2個(gè)對(duì)頂?shù)腻F形破壞面。

從另一方面分析，混凝土是由石子、沙、水泥和水按一定比例混合形成的非均勻復(fù)合材料，其破壞劃分為3個(gè)層次。第1個(gè)層次，在砂漿和骨料結(jié)合處容易產(chǎn)生結(jié)合縫并十分薄弱，混凝土往往最先從此最薄弱部位開(kāi)始破壞；第2個(gè)層次，水泥和砂二者結(jié)合處也產(chǎn)生結(jié)合縫，但尺寸要比砂漿和骨料處的結(jié)合縫小得多，破壞需要的力也更大；第3個(gè)層次，破壞往往發(fā)生在混凝土粗骨料有缺陷的部分。從吸能能力角度分析，高應(yīng)變速率(10-3/s和10-2/s)下，混凝土吸能能力增幅分別為34.03%，44.62%，結(jié)合圖4分析混凝土粗骨料破壞明顯，吸收能量更多。從損傷力學(xué)的角度來(lái)看，上述混凝土不同形式的缺陷可以被稱(chēng)為初始損傷。混凝土在荷載作用下，其內(nèi)部原始損傷得到發(fā)展并形成微裂縫，造成新的損傷，當(dāng)損傷持續(xù)累積，微裂縫會(huì)貫通形成宏觀裂縫，當(dāng)宏觀裂縫得到擴(kuò)展，最終將導(dǎo)致混凝土體的破壞。

5 結(jié) 論

(1) 混凝土峰值應(yīng)力、吸能能力隨著應(yīng)變速率的增大而增加，應(yīng)變速率越大增加幅度越明顯；峰值應(yīng)變以及彈性模量隨著應(yīng)變速率的變化表現(xiàn)出一定的離散性，總體而言高應(yīng)變速率下的值(10-3/s和10-2/s)要大于低應(yīng)變速率(10-5/s和10-4/s)的值。

(2) 不同應(yīng)變速率下應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)具有很大的相似性，基于統(tǒng)計(jì)分布理論，構(gòu)建了不同應(yīng)變速率下飽和混凝土單軸動(dòng)態(tài)壓縮本構(gòu)模型。該模型參數(shù)少，與應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)對(duì)比而且能較好地反映加載過(guò)程應(yīng)力-應(yīng)變變化關(guān)系。

(3) 本文試驗(yàn)混凝土的破壞形態(tài)表現(xiàn)為多個(gè)共軛斜面的剪切破壞。加載時(shí)由于端部摩擦力的約束，形成“箍套”作用，試件破壞時(shí)呈現(xiàn)出2個(gè)對(duì)頂?shù)腻F形破壞面。破壞現(xiàn)象上應(yīng)變速率越大，粗骨料破壞比例越大，高能量破壞越明顯。

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(編輯：王 慰)

Dynamic Performance of Large Size Saturated ConcreteUnder Uniaxial Compression Test

WANG Xiao-zheng，PENG Gang，MA Xiao-liang，DENG Yuan

(College of Civil Engineering & Architecture, Three Gorges University, Yichang 443002, China)

In order to study the dynamic properties of large size saturated concrete, we carried out uniaxial compression tests under different strain rates. By using large-scale multi-function static and dynamic triaxial test machine, we prepared cylindrical concrete specimens with diameter 300 mm and length 600 mm and obtained dynamic mechanical properties of the concretes. Then, we analyzed the failure mechanism according to failure shape. Test results show that peak stress and energy absorption capacity increased with the increase of the loading rate, so did peak strain and elastic modulus. On the basis of stress-strain relation, we established a damage constitutive model of concrete. In the model, stress-strain relation conformed with Weibull statistical distribution before peak stress; while after peak stress, the relation conformed with Lognormal statistical distribution. Shear failure at a few conjugated inclined planes were observed . According to crack expansion after specimen failure, we explained the causes of spalling failure of concrete and analyzed the failure mechanism in aspects of material composition and energy absorption ability.

large size; saturated concrete; dynamic behavior; constitutive model; failure mechanism

2015-11-30；

2016-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279092)；三峽大學(xué)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2015025)

王孝政(1991-)，河南商丘人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛炷敛牧蟿?dòng)力特性及結(jié)構(gòu)抗震研究，(電話(huà))15586372706(電子信箱)xzdemx@qq.com。

彭 剛(1963-)，湖南岳陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榛炷敛牧蟿?dòng)力特性及結(jié)構(gòu)抗震研究，(電話(huà))13972604433(電子信箱)gpeng158@126.com。

10.11988/ckyyb.20151017

2017,34(3):134-138

TV431

A

1001-5485(2017)03-0134-05