普通混凝土與輕集料混凝土的受壓動力性能

孫 雪， 謝興華

(1.金陵科技學院 建筑工程學院， 江蘇 南京 211169； 2.南京水利科學研究院， 江蘇 南京 210029)

混凝土作為最常用的建筑材料之一，被廣泛應用在建筑、橋梁、大壩等結構上.作為多相復合性材料，混凝土相關力學特性具有非線性、隨機性和動力率相關性三大特征[1].其中輕集料混凝土作為新型混凝土材料的一種，由于其輕質、高強、保溫隔熱以及耐火性好等優(yōu)勢，受到建筑領域的青睞.日本曾將輕集料混凝土應用于新干線中，但對于輕集料混凝土的系統(tǒng)研究未能全面展開[2].

混凝土在結構應用中不僅會受到靜荷載的作用，還會受到動載作用，如地震、風和水流沖擊等.國內外學者針對混凝土動載作用展開了廣泛研究[3-5].Bischoff等[6]和Sparks等[7]研究結果表明混凝土具有明顯的動力率相關效應，其應力-應變曲線受到顯著影響；曾莎潔等[8]對混凝土單軸受壓動力特性全曲線進行了研究，并對其破壞形態(tài)與相關理論進行了細致分析；施林林等[9]對不同應變率下大骨料及濕篩混凝土單軸受壓性能進行了試驗研究.然而對于混凝土在動載作用下應力-應變曲線特征值的定量分析與輕集料混凝土動力率相關性，仍處于定性研究層面.

本文針對普通混凝土(OPC)、輕集料混凝土(LWAC)的單軸動力特性進行了系統(tǒng)研究，分別設置了10種應變率，得到動載作用下的應力-應變曲線，定量分析了應變率對峰值應力、峰值應變和彈性模量的影響，同時對不同應變率下普通混凝土與輕集料混凝土的破壞形態(tài)進行了對比研究，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了應變率與峰值應力、彈性模量的關系方程.對普通混凝土與輕集料混凝土動力率相關性進行了系統(tǒng)對比研究.

1 試驗概況

1.1 試件制備

普通混凝土和輕集料混凝土試件設計強度均為30MPa，所用水泥為P·O 32.5普通硅酸鹽水泥，細骨料采用天然河砂(中砂)，水為城市自來水，未添加任何外加劑.其中，普通混凝土的粗骨料(CA)采用粒徑為5～10mm的碎石，輕集料混凝土的輕集料(LWA)采用粒徑為5～10mm的陶粒.2種混凝土的配合比如表1所示.

表1 混凝土配合比Table 1 Mix proportion of concrete kg

對普通混凝土和輕集料混凝土試件進行單軸受壓動力特性試驗，試件尺寸為100mm×100mm×100mm.試驗加載工況一共采用10種應變率，分別為1.0×10-5，5.0×10-5，1.0×10-4，5.0×10-4，1.0×10-3，2.0×10-3，5.0×10-3，1.0×10-2，2.0×10-2，5.0×10-2s-1.其中1.0×10-5s-1為靜力加載應變率，其余9種為考慮地震作用量級的動力加載應變率.考慮到混凝土試驗數(shù)據(jù)的離散性，各應變率下取3個試件進行研究，如3個試件數(shù)據(jù)均離散，則進行第4個試件試驗，并以此類推，文中數(shù)據(jù)選取了具有代表性的試件應力-應變曲線進行分析.

1.2 試驗設備

采用西安力創(chuàng)WDW-600液壓伺服機對混凝土進行應變率影響研究.該設備由液壓加載機、荷載位移采集系統(tǒng)和中控裝置組成.該試驗機自帶高精度荷載傳感器和高精度位移傳感器，測量數(shù)據(jù)由試驗機配套程序自動記錄.精度滿足試驗要求.

1.3 試驗加載

根據(jù)本文研究目的,在加載過程中需要消除加載面混凝土的摩擦作用.本文應用3層聚乙烯塑料薄膜再分別夾2層機械黃油對試件進行夾持，這種減磨措施是受到國內外學者認可的[1].

試驗加載方法主要采用力和位移混合控制方式：首先是力控制，主要起到預壓的作用，從0MPa加載到0.05fc再卸載到0MPa，重復3次，其中fc為2種混凝土的設計強度；然后采用位移控制，由0mm 開始，直至試件發(fā)生破壞為止.

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態(tài)

圖1，2給出了不同應變率下各混凝土試件的破壞形態(tài)(考慮到篇幅原因，從2種混凝土的10種應變率加載工況中選取5種作為典型).由圖1,2可見，在靜力加載應變率下，2種混凝土的裂縫都在加載表面均勻分布，如圖1(a)和圖2(a)所示.普通混凝土的破壞主要是水泥膠體黏結材料的破壞，而輕集料混凝土的破壞主要是輕集料的剪切破壞，且后者與應變率大小沒有關系.隨著應變率的提高，普通混凝土與輕集料混凝土加載面裂縫均減少至2～3條主裂縫，并貫通至底部使試件破壞，裂縫多以斜裂縫為主.分析其原因在于：在靜力加載應變率下，荷載作用時間較短，試件能夠受到均勻應力作用，混凝土裂縫得到充分發(fā)展；當構件受到動載作用時，試件無法在短時間內形成均勻應力，即裂縫無法均勻發(fā)展，從而導致如圖1(b)～(e)和圖2(b)～(e)所示的破壞形態(tài).

圖1 不同應變率下單軸受壓普通混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.1 Failure modes of OPC specimens at uniaxial compression under different strain rates

圖2 不同應變率下單軸受壓輕骨料混凝土試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of LWAC specimens at uniaxial compression under different strain rates

2.2 應力-應變曲線

基于不同應變率對混凝土進行單軸受壓試驗，可得到混凝土的應力-應變曲線，如圖3,4所示.通過應力-應變曲線提取混凝土的峰值應力、峰值應變和彈性模量特征值，分析其動力特性.

圖3 不同應變率下普通混凝土試件的單軸受壓應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of OPC speciments at uniaxial compression under different strain rates

圖4 不同應變率下輕骨料混凝土試件的單軸受壓應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of LWAC speciments at uniaxial compression under different strain rates

由圖3,4可見：在不同應變率下2種混凝土的應力-應變曲線發(fā)展趨勢一致，其中峰值應力有明顯差別，而峰值應變和彈性模量隨應變率變化相對不明顯，需要進一步深入剖析；在不同應變率下，2種混凝土應力-應變曲線均符合單軸受壓基本特性，具有良好的連續(xù)性和光滑性，并且隨著應變率的提高，根據(jù)峰值應力與峰值應變數(shù)據(jù)初步分析，混凝土耗能能力明顯增加.本文普通混凝土動力特性研究結果與曾莎潔等[8]對普通混凝土單軸受壓動力特性的研究結論一致，同時輕集料混凝土反映出的動力特性與普通混凝土基本相同.

2.3 峰值應力

在混凝土動力特性研究中，應力-應變曲線中的峰值應力是重要研究參數(shù)，一般會引入動力提高系數(shù)αDIF[6]，以便探究普通混凝土峰值應力受動力率相關性的影響：

αDIF=σd/σs

(1)

式中：σs為靜力加載1.0×10-5s-1時應力-應變曲線的峰值應力；σd為動力加載工況下應力-應變曲線的峰值應力.

為便于進一步分析混凝土峰值應力受動力率相關性的影響，本文引入峰值應力提高幅度βσ：

βσ=(αDIF-1)×100%

(2)

不同應變率下普通混凝土和輕集料混凝土的峰值應力提高幅度如表2所示.

表2 不同應變率下混凝土的峰值應力提高幅度Table 2 Peak stress improvement range(βσ) of concretes under different strain rates %

由表2可見，隨著應變率的增加，混凝土峰值應力提高，其中，輕集料混凝土的峰值應力提高幅度較大，當應變率達到5.0×10-2s-1時，輕集料混凝土的峰值應力提高幅度為54.48%，而普通混凝土的峰值應力提高幅度為34.36%.曾莎潔等[8]研究表明，不同強度普通混凝土動力性能試驗加載應變率由1.0×10-5s-1提高到1.0×10-1s-1時，其峰值應力提高幅度一般在30%～40%之間.本文研究結果表明，輕集料混凝土峰值應力受動力性能影響要明顯高于普通混凝土.

當混凝土加載應變率增大時，其峰值應力提高，這符合混凝土損傷力學的關系，即在高應變率作用下，混凝土的損傷演化會出現(xiàn)一定的遲滯效應，導致其峰值應力相對于靜力狀態(tài)有明顯的提高，并且隨著加載應變率的提高而提高[9].這在圖1，2中2種混凝土的破壞形態(tài)中有明顯體現(xiàn).

圖5 不同應變率下混凝土動力提高系數(shù)Fig.5 Increase coefficient of peak stress of concretes under different strain rates

由圖5可見，普通混凝土擬合曲線的斜率(即變化率)明顯低于輕集料混凝土擬合曲線的斜率，說明輕集料混凝土峰值應力受動力特性的影響要明顯高于普通混凝土.

2.4 彈性模量

為了便于準確定量研究混凝土材料的彈性模量，本文采用50%峰值應力和10%峰值應力的割線模量作為彈性模量E[8]，即：

(3)

式中：σ0.5和σ0.1分別為50%，10%的峰值應力；ε0.5，ε0.1分別為50%，10%峰值應力所對應的應變.

按照式(3)計算得到各混凝土的彈性模量，同時參照2.3節(jié)所提出的峰值應力提高幅度公式，提出彈性模量提高幅度(βE)的計算式(見式(4))，其結果如表3所示.

(4)

式中：Es為靜力加載1.0×10-5s-1時試件的彈性模量；Ed為動力加載工況下試件的彈性模量.

表3 不同應變率下混凝土的彈性模量提高幅度Table 3 Elastic modulus improvement range(βE) of concretes under different strain rates %

根據(jù)表3，相對于靜力加載時試件的彈性模量(Es)，當應變率增加時2種混凝土平均彈性模量均增加，當應變率達到5.0×10-2s-1時，普通混凝土彈性模量提高幅度為23.15%，輕集料混凝土彈性模量提高幅度為28.75%，輕集料混凝土彈性模量受動力特性影響高于普通混凝土.與表2相比，應變率對2種混凝土彈性模量的影響均低于其對混凝土峰值應力的影響.

圖6 不同應變率下混凝土彈性模量提高系數(shù)Fig.6 Increase coefficient of elastic modulus of concretes under different strain rates

由圖6可見，隨著應變率的提高，混凝土彈性模量呈明顯提高趨勢.根據(jù)不同混凝土擬合曲線的斜率可知，輕集料混凝土彈性模量受動力特性的影響要明顯高于普通混凝土.

2.5 峰值應變

根據(jù)本試驗應力-應變曲線提取不同應變率下2種混凝土的峰值應變，參照峰值應力提高幅度與彈性模量提高幅度公式，提出峰值應變變化幅度βε的計算式(見式(5))，結果如表4所示.

(5)

式中：εs為靜力加載1.0×10-5s-1時試件的峰值應變；εd為動力加載工況下試件的峰值應變.

表4 不同應變率下混凝土的峰值應變變化幅度Table 4 Peak strain change range(βε) of concretes under different strain rates %

由表4可見，混凝土峰值應變受應變率的影響沒有明確的規(guī)律，目前主要有3種觀點：(1)混凝土峰值應變隨著應變率的提高而提高；(2)混凝土峰值應變隨著應變率變化基本沒有變化；(3)混凝土峰值應變隨著應變率的提高而降低[8].其主要原因在于混凝土材料的隨機性和離散性導致其在應變研究中存在不規(guī)律的現(xiàn)象.

圖7 不同應變率下混凝土峰值應變提高系數(shù)Fig.7 Increase coefficient of peak strain of concretes under different strain rates

由圖7可見，當應變率從1.0×10-5s-1增大到5.0×10-2s-1時，普通混凝土動力加載工況下的峰值應變變化幅度從減少3.02% 到增加17.17%，輕集料混凝土動力加載工況下的峰值應變變化幅度從減少12.64%到增加12.36%.混凝土峰值應變隨應變率變化沒有明確的變化規(guī)律，但整體趨勢隨著應變率的提高而提高，基本符合上述觀點(1).由圖7還可見，2種混凝土的峰值應變相類似，均具有明顯的隨機性，這是由于混凝土材料的隨機性和率相關效應的耦合作用所導致的.

3 結論

(1)普通混凝土和輕集料混凝土的破壞形態(tài)相似，裂縫均由靜力狀態(tài)下的豎向裂縫逐步發(fā)展成為受動力影響的斜向裂縫.但普通混凝土的破壞主要是黏結材料的破壞，而輕集料混凝土的破壞主要是輕集料的剪切破壞，后者破壞形態(tài)不受加載應變率的影響.

(2)隨著應變率的提高，2種混凝土的峰值應力和彈性模量都提高，其中峰值應力提高幅度最為明顯.輕集料混凝土較普通混凝土受應變率的影響更為明顯.混凝土峰值應變受加載應變率的影響規(guī)律均較為離散，究其原因可能在于混凝土材料具有隨機性與率相關效應.

(3)2種混凝土峰值應力和彈性模量的提高系數(shù)與相對應變率的對數(shù)值成線性關系.

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