不同加載速率對(duì)混凝土變角剪切的影響

陳旭鵬

(安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料與配合比

1)水泥：采用安徽省淮南市某水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)指標(biāo)完全符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)

2)粉煤灰：采用的是二級(jí)粉煤灰，含鈣量和需水量均偏小，氯離子的含量≤0.02%。

3)細(xì)骨料：采用的是細(xì)度模數(shù)為1.84的細(xì)砂以及細(xì)度模數(shù)約為4.5的陶砂。

4)粗骨料：采用的是5～10 mm的石灰石和粒徑≤15 mm的陶粒。

5)減水劑：高性能減水劑，減水率≥25%，各項(xiàng)指標(biāo)均符合《混凝土外加劑》(GB9076—2008)中的規(guī)定。

6)玄武巖纖維：本實(shí)驗(yàn)采用的為短切玄武巖纖維，產(chǎn)地為淮南某纖維有限公司，長(zhǎng)度為12 mm。纖維的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

表1 玄武巖纖維的性能指標(biāo)

7)玻化微珠：河南某建材公司生產(chǎn)的憎水型?；⒅?，性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 玻化微珠的性能指標(biāo)

7)植物纖維：本實(shí)驗(yàn)采用的是木質(zhì)素纖維，原產(chǎn)地為淮南某纖維有限公司。

1.2 混凝土配合比(見(jiàn)表3)

表3 混凝土配合比 單位：kg·m-3

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)為變角剪切實(shí)驗(yàn)，可以通過(guò)改變夾具的角度來(lái)改變剪切的角度，并可以以此實(shí)現(xiàn)對(duì)正應(yīng)力與剪應(yīng)力的調(diào)整與變動(dòng)，試驗(yàn)加載的方式見(jiàn)圖1。

圖1 試件加載方式

試驗(yàn)時(shí)，分別選取34°，42°，50°，58°，66°五個(gè)剪切角度來(lái)進(jìn)行變角實(shí)驗(yàn)，每個(gè)角度分別以1、3、5、7 mm/min的加載速率進(jìn)行剪切，每種速率下的標(biāo)準(zhǔn)試件為3個(gè)，故每個(gè)角度的試驗(yàn)試件為12個(gè)，一共60個(gè)試件。試驗(yàn)試件如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)試件

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

將夾具調(diào)整到角度分別為34°、42°、50°、58°、66°。分別以1、3、5、7 mm/min的加載速率進(jìn)行加載，直到加載到試件破壞為止，得到如表4所示的的試驗(yàn)結(jié)果。

表4 變角剪切試驗(yàn)結(jié)果

因?yàn)樽兘嵌燃羟性囼?yàn)中，水平面和剪切面存在著夾角α，所以可以將試件中的最大壓力分解為正應(yīng)力σ以及剪應(yīng)力τ[1]，如圖3所示。

根據(jù)規(guī)范《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》(GB/T 23561.2-2009)可以得到單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件剪切面上破壞的正應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ分別為：

σ=(p/s)×cosα

τ=(p/s)×sinα

式中，σ為正應(yīng)力，MPa；τ為切應(yīng)力，MPa；P為試件達(dá)到斷裂并破壞的峰值荷載，N；S為試件剪切面的表面積，mm2；α為試件的剪切面與水平面之間的夾角，(°)。

圖3 試件正應(yīng)力及剪應(yīng)力

根據(jù)上述公式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一系列的處理，每組數(shù)據(jù)取其平均值得到每個(gè)角度在不同速率下的的正應(yīng)力以及切應(yīng)力，見(jiàn)表5～9。

表5 剪切角度為34°的應(yīng)力

表6 剪切角度為42°的應(yīng)力

表7 剪切角度為50°的應(yīng)力

表8 剪切角度為58°的應(yīng)力

表9 剪切角度為66°的應(yīng)力

2.2 同一角度不同速率應(yīng)力變化規(guī)律分析

同一角度不同速率應(yīng)力變化見(jiàn)圖4～8。從圖4～8可知，剪切角度從34°變化到66°時(shí)，隨著加載速率的增加正應(yīng)力和剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，并且當(dāng)加載速率為5 mm/min時(shí)，正應(yīng)力和剪應(yīng)力為最大值。

圖4 剪切角度為34°應(yīng)力大小

圖5 剪切角度為42°應(yīng)力大小

圖6 剪切角度為50°應(yīng)力大小

圖7 剪切角度為58°應(yīng)力大小

圖8 剪切角度為66°應(yīng)力大小

2.3 同一速率不同角度應(yīng)力變化情況

同一速率不同角度應(yīng)力變化見(jiàn)表10～13和圖9～12。

表10 加載速率為1 mm/min的應(yīng)力

表11 加載速率為3 mm/min的應(yīng)力

表12 加載速率為5 mm/min的應(yīng)力

表13 加載速率為7 mm/min的應(yīng)力

圖9 加載速率為1 mm/min應(yīng)力大小

圖10 加載速率為3 mm/min應(yīng)力大小

圖11 加載速率為5 mm/min應(yīng)力大小

圖12 加載速率為7 mm/min應(yīng)力大小

由圖9～12所知當(dāng)加載速率一定時(shí)，試件的正應(yīng)力隨著剪切角度的增加而減少，而試件的剪應(yīng)力隨著剪切角度的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)剪切角度比較小的時(shí)候，當(dāng)剪切角度越靠近45°時(shí)，剪應(yīng)力越大。此外，當(dāng)剪切角度在40°～50°時(shí)，在混凝土試塊發(fā)生破壞的時(shí)候正應(yīng)力和剪應(yīng)力相差不大，都在20 MPa左右上下徘徊，當(dāng)剪切角度較大時(shí)，發(fā)生在66°時(shí)，混凝土表面剪切力學(xué)性能迅速增強(qiáng)，發(fā)生破壞時(shí)正應(yīng)力大約在15 MPa左右，剪應(yīng)力大約為6 MPa[2]。

3 結(jié) 論

1)當(dāng)剪切的角度一定時(shí)，隨著加載速率的提升，正應(yīng)力和剪應(yīng)力大小呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。

2)當(dāng)加載速率一定時(shí)，隨著剪切角度的增加，正應(yīng)力逐漸減小，而剪應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，并且當(dāng)剪切角度越是靠近近45°時(shí)，剪應(yīng)力越大。

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