高曉芳
(山西省公路局呂梁分局,山西呂梁 033000)
人們早已認識到,水泥基材料的行為在動態(tài)荷載下和靜態(tài)荷載下是不同的。載荷試驗結果已經證實,動態(tài)載荷可以增加混凝土抗壓強度。在近幾十年來,許多研究人員已經證實了這一點[1,2]。另外,與干物料相比,濕物料的抗壓強度隨著載荷速率增加而明顯增加。水分含量是影響混凝土之間強度和負荷率關系的主要因素之一。最近,有關學者指出混凝土中孔隙水的粘性影響準靜態(tài)區(qū)域(10-4s-1~100s-1)的強度,骨料類型、水灰比或測試齡期與其關系不大[3-6]。本文的目的是提出一些有關水泥基材料準靜態(tài)耐壓強度建設性的分析結果,進而來指導工程中的應用。
隨著載荷強度的增加,動態(tài)強度最大量的增加有一定的分散性。這些差異的存在,主要是因為混凝土的行為依賴于許多變量,如靜態(tài)強度,固化條件,樣品尺寸、形狀和類型。只要加載速率進一步增加,孔隙水粘性效應,慣性力等因素,如傳播或純應力對動態(tài)強度的影響就會變得非常重要[7]。
表1指出了水泥基材料的動態(tài)區(qū)域和典型的影響混凝土的動態(tài)抗壓強度的因素。在準靜態(tài)的區(qū)域,孔隙水對混凝土具體的動態(tài)行為起著決定性的作用。孔隙水的粘滯阻力可以抵抗拉伸擴展。粘性效應被形容為孔隙水的粘性流動,往往會違背加載。更快的加載,較大的阻礙被建立。在靜態(tài)負載期間(~10-5s-1),阻力很小可以忽略。但在準靜態(tài)負載期間(~10-4s-1,100s-1),粘滯效應占據主導。這可能是由于相同的孔隙水的粘性流受阻機制發(fā)生在準靜態(tài)區(qū)域內純粹的壓縮試驗。然而,在更高的動態(tài)負載期間(~10 s-1),系統(tǒng)中慣性力作用顯著[8]。
表1 水泥基材料動態(tài)區(qū)間的分布
水泥基材料的動態(tài)壓縮強度可由式(1)表示,其反映了混凝土內壓試驗中的動態(tài)行為。其中,σd為動態(tài)強度;σs為靜態(tài)強度;r為水灰比;σ0,r0均為靜態(tài)材料常數;Δσ為動態(tài)強度自由變量。
式(1)的第一部分是Abrams的公式標準表達式。由于它是靜態(tài)載荷下的有效表達式,因此相關參數σ0和r0都是在靜態(tài)載荷條件下測量的。只要靜態(tài)參數已知,將其代入式(1)就可以確定動態(tài)自由變量。為了確定動態(tài)自由變量Δσ,專門設計了兩個系列實驗。第一個系列實驗濕樣品的靜態(tài)載荷率為4×10-5s-1,第二個系列實驗樣品的靜動態(tài)載荷率為2×10-4s-1。
圖1是靜態(tài)和動態(tài)載荷下的試驗數據圖。由數據擬合知,靜態(tài)參數σ0=300 MPa,r0=0.21。為了得到動態(tài)自由變量,將其代入動態(tài)數公式結合數據擬合得到Δσ=2.28 MPa。這個數據與靜態(tài)動實驗數值平均差值2.00 MPa相符。
圖1 不同水灰比條件下的水泥基材料動態(tài)耐壓強度
從圖1中可以看出,兩條數據曲線的形狀相似,動態(tài)自由變量在垂直軸上有變化。但是數據的不確定性可能會影響到動態(tài)自由參數的精確性。另外,是否所有的靜態(tài)自由參數由公式導出的動態(tài)自由參數都符合實際。當σ0=307 MPa,r0=0.2,動態(tài)自由參數為Δσ=4.34 MPa。明顯,這個值是被高估了,然而,這種轉變的主要部分是動態(tài)加載相關聯(lián)的貢獻。
對于濕水泥基材料的動態(tài)耐壓強度,Abrams公式需要增加動態(tài)自由變量Δσ來描述。動態(tài)自由變量Δσ是在準靜態(tài)區(qū)域僅依賴于所使用的加載速率,獨立于水與水泥的比。在靜態(tài)區(qū)域,Δσ接近零,但隨著負荷速率的增加,其值不可忽略。
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