混凝土三軸抗壓強度尺寸效應試驗研究

蘇捷，莫衍，劉偉

混凝土三軸抗壓強度尺寸效應試驗研究

蘇捷，莫衍，劉偉

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

為研究混凝土三軸抗壓強度的尺寸效應，對84個混凝土立方體試件進行加載應力比分別為0.00:0.00:1，0.05:0.05:1，0.10:0.10:1，0.15:0.15:1和0.20:0.20:1的三軸受壓試驗，分析三軸抗壓強度的尺寸效應。試驗結(jié)果表明：在各加載應力比下，混凝土試件的三軸抗壓強度均存在尺寸效應現(xiàn)象；試件的三軸抗壓強度隨應力比的增大成倍的增長；隨加載應力比的增大試件三軸抗壓強度尺寸效應現(xiàn)象越來越不明顯；三軸受壓時試件有2種破壞形式，當應力比在0.00:0.00:1~0.15:0.15:1之間時發(fā)生柱狀劈裂破壞，當應力比為0.20:0.20:1時，發(fā)生擠壓流變破壞。

混凝土；尺寸效應；加載應力比；三軸抗壓強度

混凝土的抗壓強度高，可模性好，在土木工程中運用廣泛。在工程結(jié)構(gòu)中的混凝土通常處于多軸拉伸或壓縮應力狀態(tài)下，為了掌握這種多軸應力狀態(tài)下混凝土的力學性能，確保工程結(jié)構(gòu)的安全可靠，需對混凝土的三軸力學性能及尺寸效應進行充分研究。20世紀20年代，美國伊利諾州立大學學者Richart等[1]通過圓柱體試件的常規(guī)三軸受壓試驗，得到了三軸抗壓強度隨側(cè)向應力增大而成倍增長的結(jié)論。過鎮(zhèn)海等[2]對普通混凝土在三向壓應力作用下的性能進行了較系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)在真三軸受壓時混凝土試件隨應力比的變化分別發(fā)生柱狀破壞、片狀破壞、斜剪破壞和擠壓流變，同時，他們得到了三軸受壓性能隨應力比增長的變化規(guī)律，提出了三軸受壓的破壞準則。Zing等[3]研究水泥基孔隙率對混凝土三軸性能的影響時發(fā)現(xiàn)：在低側(cè)向約束應力下，水泥基孔隙率越低，試件的應力閾值越高，體積應變越大，壓實度也越大；而在高側(cè)向約束應力下，混凝土的力學性能受水泥基孔隙率的影響很小可以忽略。Chen等[4]則研究了養(yǎng)護時間對混凝土三軸受壓性能的影響，結(jié)果表明：在不同圍壓下，養(yǎng)護時間對試件的三軸受壓強度和變形性能都有很大影響，且隨齡期增長，其對試件變形的影響增大而對強度的影響減小。Lim等[5]收集了無側(cè)向約束和有側(cè)向約束普通混凝土和輕骨料混凝土的試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)混凝土的密度、試件尺寸、長徑比、側(cè)向約束等因素均對混凝土的三軸受壓性能有較大影響。在學術(shù)界和工程界通常把混凝土視為一種準脆性材料，其材料性能具有準脆性材料的共同特征尺寸效應(材料性能與結(jié)構(gòu)尺寸相關的性質(zhì))。在單向應力作用下混凝土的強度存在尺寸效應現(xiàn)象，這已被大量試驗所證實[6?10]。在三向壓應力作用下其強度是否也存在尺寸效應現(xiàn)象，目前相關的文獻報道較少。本文針對此不足之處，對混凝土三軸抗壓強度的尺寸效應進行了較系統(tǒng)的試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件設計

為達到本文的研究目的，本次試驗設計了3種尺寸的混凝土立方體試件如圖1所示。同時設計了5種側(cè)向加載應力比(2個側(cè)向應力與豎向應力之比)分別為0.00:0.00:1，0.05:0.05:1，0.10:0.10:1，0.15: 0.15:1和0.20:0.20:1。每種類型試件制備6個，共計84個試件。

單位：cm

1.2 原材料及配合比

水泥為P.O.42.5級普通硅酸鹽水泥；水采用普通自來水；細骨料采用細度模數(shù)為2.4的中砂。粗骨料為卵石，直徑5~31.5 mm；減水劑為聚羧酸高效減水劑?；炷恋呐浜媳热绫?所示。

1.3 試件成型與養(yǎng)護

試件制作的質(zhì)量對最終的試驗結(jié)果將產(chǎn)生很大影響。本次試驗采用以下措施來提高試件制作的質(zhì)量：減少試件成型的批次，所有試件分2批次成型；嚴格控制振搗時間為30 s；所有試件均采用鋼制模具成型，減小試件的尺寸和形狀偏差。

表1 混凝土配合比

1.4 減摩措施

由于混凝土三軸受壓試驗結(jié)果受加載系統(tǒng)的“套箍”效應影響較大，如何來消除三軸受壓時試件與加載板之間的摩擦是研究者一直思考的問題。各國研究者采用了各種各樣的方法來消除加載板與試件之間的摩擦對試驗結(jié)果的影響。其中，Kotsovos等[11?12]采用不同的剛性和柔性加載板來消除摩擦，Mier[13?14]則采用刷型加載板進行減摩。上述幾種減摩方法能得到較好的試驗結(jié)果，但構(gòu)造過于復雜。國內(nèi)的研究者宋玉普等[15]在進行三軸壓試驗時采用在加載板與試件之間加上一層或多層軟墊層中間夾入某種潤滑物來減小摩擦可獲得良好效果。因此，本文實驗采用2片0.35 mm厚的聚四氟乙烯板和3層凡士林夾層的方法減摩。

1.5 三軸壓加載裝置

本次試驗所使用的三軸壓加載裝置通過參照相關文獻自行設計。三軸壓加載裝置的詳細構(gòu)成如圖2所示。豎直方向荷載由電?液伺服壓力機施加，其可施加的最大荷載為10 000 kN；水平向荷載使用智能加載系統(tǒng)進行加載，該系統(tǒng)包括液壓千斤頂、液壓油泵和數(shù)控裝置3部分，可施加的最大荷載為1 000 kN。豎向和水平向加載過程均可實現(xiàn)應力控制、應變控制和應力?應變混合控制，亦可通過數(shù)控裝置實現(xiàn)自動化控制，保證各加載方向同步進行加載。對于不同的加載應力比，分別編制了相應的加載程序。

圖2 三軸壓加載裝置示意圖

1.6 試驗過程

首先將加載框、液壓千斤頂和剛性墊塊安裝就位。然后將減摩處理好的試件放入加載框內(nèi)，同時保證兩側(cè)液壓千斤頂中心與試件受力面幾何中心在同一條直線上，下加載板的中心與試件下表面的幾何中心對中，同時將上加載板、傳力裝置和位移傳感器(LVDT)安裝就位。其次，在側(cè)向施加荷載進行預壓，以消除試件與剛性墊塊之間的縫隙以及減摩墊層的變形，同樣在豎向也施加荷載進行預壓。最后，使用加載控制程序?qū)ωQ向和側(cè)向施加比例荷載，同時開啟數(shù)據(jù)采集裝置，連續(xù)采集試驗數(shù)據(jù)，直至試驗結(jié)束。

2 三軸受壓試驗結(jié)果與分析

2.1 三軸抗壓強度

因側(cè)向加載能力限制，當應力比為0.20:0.20:1時，尺寸200 mm試件所需側(cè)向荷載超過裝置加載極限，故未能獲得本批試件的有效數(shù)據(jù)。試驗測得的三軸抗壓強度值列于表2。試件編號采用C-的形式進行表示，其中表示試件的尺寸，表示加載應力比，如C100-0.05表示加載應力比為0.05:0.05:1尺寸100 mm的試件。

表2 三軸抗壓強度實測值

注：3c為三軸抗壓強度；為標準差；C為變異系數(shù)。

從表2可以看出，實測值的變異系數(shù)均小于5%，說明實測值的離散度較小。在同一應力比下，隨試件尺寸的增大，其三軸抗壓強度3c均有所降低。從應力比為0.00:0.00:1的單軸受壓狀態(tài)到應力比為0.20:0.20:1的三軸受壓狀態(tài)尺寸150 mm試件的3c分別約為邊長100 mm試件3c的95.2%，97.4%，98.6%，99.1%和99.2%。

試件尺寸相同時，其三軸抗壓強度隨應力比的增大出現(xiàn)較快的增長，采用Richart公式和Hobbs等人建議的修正公式對三軸抗壓強度值進行擬合，擬合結(jié)果見式(1)和式(2)，相關系數(shù)分別為0.986和0.987，說明曲線對實測值的擬合較好。將試驗點和擬合曲線繪于圖3中，圖中橫坐標為1/c=2/c，縱坐標為3c/c。從圖3可知，尺寸100 mm和150 mm試件在應力比為0.20:0.20:1時的三軸抗壓強度分別是應力比為0.00:0.00:1時三軸抗壓強度的3.97倍和4.14倍，Hobbs等人建議的修正公式對三軸抗壓強度隨應力比的增長的變化規(guī)律擬合更好，表現(xiàn)為在應力比很高時三軸抗壓強度的增長速率減慢。

式中：c為試件的單軸抗壓強度，即應力比為0.00:0.00:1時的三軸抗壓強度；1為采用側(cè)向應力得到的強度值。

圖3 三軸抗壓強度擬合曲線

2.2 三軸抗壓強度的尺寸效應

為定量分析三軸抗壓強度的尺寸效應，以尺寸為100 mm試件為標準尺寸試件，定義三軸抗壓強度尺寸效應率150和200如下：

式中：3c,100為尺寸100 mm試件的三軸抗壓強度，其余符號的意義以此類推。

從以上公式可以看出，尺寸效應率的值越大，表明強度的尺寸效應現(xiàn)象就越明顯。將表2中實測值代入式(3)和式(4)，即可得到強度的尺寸效應率值，列于表3。

表3 三軸抗壓強度尺寸效應率

由表3可見，混凝土的三軸抗壓強度均存在尺寸效應現(xiàn)象。當加載應力比較小時，尺寸效應率可達10.1%，當加載應力比較大時，則降低到2.6%。為便于分析加載應力比對尺寸效應的影響，將各應力比下150和200的值繪于圖4中。從圖4中可以觀察出，150和200的值均隨應力比的增大而減小。出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因為，混凝土試件在澆筑成型后不可避免地存在初始缺陷，這些初始缺陷的尖端在外荷載的作用下將處于應力集中狀態(tài)，當該處應力大于混凝土的極限拉應力時微裂縫將發(fā)生擴展，且隨著加載荷載的不斷增大裂縫越擴越大最終形成一條肉眼可見的主裂縫或主裂縫帶使整個試件發(fā)生破壞；在單軸受壓時，即應力比為0.00:0.00:1時，大尺寸試件中出現(xiàn)初始裂縫的概率大于小尺寸試件，所以大尺寸試件更容易破壞，強度也更低，而在三軸受壓時，由于存在側(cè)向約束應力，阻礙并延緩了試件中裂縫的開展，且隨著應力比的增加這種阻礙作用變強，從而減弱了不同尺寸試件的初始裂縫對強度尺寸效應的影響。

圖4 三軸抗壓強度尺寸效應率

2.3 三軸受壓的破壞形態(tài)

在本次試驗應力比范圍內(nèi)(0.00:0.00:1~0.20: 0.20:1)，試件隨加載應力比的變化分別發(fā)生柱狀破壞和擠壓流變破壞。

(a) 柱狀破壞；(b) 擠壓流變

當加載應力比較小時，即當加載應力比處于0.00:0.00:1~0.15:0.15:1之間時，此時豎向應力3遠大于側(cè)向應力1和2，試件在2個相互垂直的方向產(chǎn)生拉伸應變。此拉伸應變將隨著加載應力的不斷增大而變大(減摩措施消除了試件與加載板之間的摩擦)，當其超過混凝土材料的拉應變極值后，將出現(xiàn)2組相互垂直的裂縫面，這2組裂縫面將整個試件切成無數(shù)柱體，最后因為柱體的失穩(wěn)而導致試件發(fā)生破壞(圖5(a))。

當加載應力比為0.20:0.20:1時，側(cè)向應力1和2都很大，試件的各個面均表現(xiàn)為壓縮變形。隨著加載應力的不斷增大，試件在3個方向壓應力的作用下，產(chǎn)生巨大的擠壓流變變形，試件形狀發(fā)生明顯變化(由立方體變?yōu)殚L方體)(圖5(b))。試件破壞以后通過觀察發(fā)現(xiàn)試件表面的裂紋很少(只有一些細微裂紋無大裂紋)，但內(nèi)部的水泥砂漿和部分骨料則被壓碎。

3 三軸抗壓強度的尺寸效應律

對本文試件的三軸抗壓強度實測值的尺寸效應進行擬合分析，得到它們的尺寸效應律如式(5)所示。

式中：3c為三軸抗壓強度；3c,100為邊長100 mm試件的三軸抗壓強度；為立方體試件的邊長，100表示試件邊長100 mm；表示試件側(cè)向應力比；cu,k為單軸受壓時邊長150 mm試件的抗壓強度。該公式擬合的相關系數(shù)為0.972，表明其能對本文試驗實測值進行較好的擬合。

4 結(jié)論

1) 各加載應力比下，試件的三軸抗壓強度均存在尺寸效應現(xiàn)象，且隨加載應力比的增大試件的三軸抗壓強度的尺寸效應率減小，尺寸效應現(xiàn)象越來越不明顯。

2) 三軸抗壓強度隨應力比的增大成倍增長，尺寸100 mm和尺寸150 mm試件在應力比為0.20: 0.20:1時的三軸抗壓強度分別是應力比為0.00: 0.00:1時，即單軸受壓時強度的3.97倍和4.14倍；Hobbs等人建議的修正公式能對試件三軸抗壓強度的增長進行更好的擬合。

3) 試件三軸受壓時有2種破壞模式，當應力比處于0.00:0.00:1~0.15:0.15:1之間時，試件發(fā)生柱狀破壞；當應力比為0.20:0.20:1時，試件發(fā)生擠壓流變破壞。

4) 提出了三軸抗壓強度尺寸效應律的計算式，其對試驗數(shù)據(jù)的擬合較好。

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Experimental study on size effect of concrete triaxial compressive strength

SU Jie, MO Yan, LIU Wei

(College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

In order to study the size effect of triaxial compressive strength of concrete, the triaxial compression tests with loading stress ratios of 0.00:0.00:1, 0.05:0.05:1, 0.10:0.10:1, 0.15:0.15:1 and 0.20:0.20:1 were carried out on 84 cubic concrete specimens. The results show that the triaxial compressive strength of concrete exhibits size effect under different loading stress ratios. The triaxial compressive strength increases exponentially with the increase of stress ratio, and the size effect becomes less obvious. Also, there were two failure modes of the specimens under triaxial compression. Columnar splitting failure occurs when the stress ratio was between 0.00:0.00:1 and 0.15:0.15:1, and extrusion rheological failure occurs when the stress ratio was 0.20:0.20:1.

concrete; size effect; loading stress ratio; triaxial compression strength

TU528

A

1672 ? 7029(2020)02 ? 0358 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190368

2019?04?30

國際自然科學基金資助項目(51408213)；國家重點研發(fā)計劃項目(2018YFC0705405)

蘇捷(1979?)，男，湖南長沙人，副教授，博士，從事混凝土結(jié)構(gòu)基本理論及其應用研究；E?mail：iamsujie@163.com

(編輯 涂鵬)