大骨料混凝土動態(tài)雙軸拉壓強度試驗研究

陳 仁 進， 沈 璐， 宋 玉 普

( 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

大骨料混凝土動態(tài)雙軸拉壓強度試驗研究

陳 仁 進， 沈 璐， 宋 玉 普*

( 大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧 大連 116024 )

為了研究不同應變速率下混凝土雙軸動態(tài)受力狀態(tài)的力學性能，在大型靜、動態(tài)三軸試驗機上，對大骨料混凝土和濕篩混凝土試件進行了不同應變速率和應力比下的雙軸動態(tài)拉壓試驗，系統(tǒng)研究了應變速率和應力比對混凝土雙軸拉壓強度的影響．試驗結果表明：兩種混凝土雙軸拉壓強度均低于單軸拉伸或單軸壓縮強度，其變化規(guī)律不但與應力比有著密切的聯(lián)系，還隨應變速率的增大而增大．在主應力空間建立了考慮應變速率和應力比的混凝土雙軸拉壓破壞準則，為水工結構物的非線性分析提供了試驗依據．

大骨料混凝土；濕篩混凝土；雙軸拉壓；動態(tài)強度；破壞準則

0 引 言

大壩、港口建筑等一些混凝土水工結構，大多數采用的是全級配混凝土，這不但可以減少較大的費用成本，而且更重要的是可以改善混凝土結構的性能．

目前已有大量混凝土靜態(tài)多軸試驗結果[1-3]，但由于缺少試驗設備，以及操作比較復雜等，動態(tài)雙軸拉壓方面的研究比較少[4-7]．過去的一些試驗研究大多數采用的是普通混凝土試件，其性能指標與大壩所使用的全級配混凝土有比較大的區(qū)別，并不能反映大壩混凝土的真實性能指標[8-10]．因此，開展大骨料混凝土動態(tài)雙軸拉壓強度試驗研究有重要的理論意義和實用價值．

本文進行大骨料、濕篩混凝土在地震條件下的雙軸拉壓試驗，建立破壞準則，以期對大骨料混凝土結構的抗震設計提供試驗參考．

1 試驗設計

1.1 試驗設備

本文試驗所使用的大型液壓伺服靜、動三軸試驗機系統(tǒng)是由大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室研制的．其結構主要有3部分：控制軟件、電液伺服油源控制系統(tǒng)、三軸試驗機．三軸試驗機的加載、卸載等測量控制任務主要由控制軟件負責，通過發(fā)送指令到電液伺服油源控制系統(tǒng)來調節(jié)三軸試驗機作動器的位移、荷載．

三軸試驗機是本次試驗的加載裝置，由加力架、加載板、作動器、荷載傳感器和位移傳感器組成．6個不同方向的作動器是相互獨立的，其位移量程為200 mm，誤差可以精確到0.08 mm，最大加載速率5×103kN/s．每個方向配置一個精度0.000 1 mm的位移傳感器，量程為12 mm．

本次試驗設計了兩種尺寸的加載板，其目的是實現(xiàn)兩種不同尺寸的混凝土試件的加載．同時為了保證試件的對中，通過球鉸裝置將加載頭固定在作動器上．

1.2 試件設計

本次試驗所采用的試件為三級配大骨料混凝土和二級配濕篩混凝土．

試驗為混凝土雙軸拉壓試驗，拉力的傳遞是試驗成敗的關鍵因素．目前解決的方案有放大試件端部、試件兩端嵌入預埋件、膠粘和用摩擦錨夾等[11]幾種．根據《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)[12]的要求，保證試件有效尺寸為立方體塊，采取增加拉伸端尺寸的方法，最終確定本試驗試件為棱柱體塊，其中大骨料混凝土試件尺寸為250 mm×250 mm×400 mm，濕篩混凝土試件尺寸為150 mm×150 mm×300 mm．若采用放大試件端部方案，必將不利于試驗操作；而采用膠粘，則無法保證粘貼質量．因此，本試驗采用了預埋件的方式，最終試件形式如圖1所示[13]．

1.3 試件制作

本試驗所使用的水泥為大連水泥廠生產的42.5R普通硅酸鹽水泥，一級粉煤灰，中砂為細骨料，粗骨料為表面粗糙的石灰石，減水劑選用大連建筑科學研究院研制的混凝土高效減水劑，大骨料混凝土配合比如表1所示[13]，剔除直徑大于40 mm骨料，制成濕篩混凝土試件．

試件依據《水工混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5150—2001)進行拌合，大骨料混凝土試件使用木制膠合板合成模成型，振搗棒振搗密實，48 h后拆模，露天蓋草澆水養(yǎng)護90 d后，自然養(yǎng)護；濕篩混凝土試件則采用鋼模成型，振動臺振搗密實，24 h后拆鋼模，放養(yǎng)護棚蓋草澆水養(yǎng)護28 d后，自然養(yǎng)護．

本試驗需要完成24種不同應變速率、應力比的大骨料及濕篩混凝土強度試驗，每一加載工況至少試驗5個試件，對離散性超過15%的數據予以剔除，保證至少3個有效數據．

圖1 試件示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of specimens (unit: mm)

表1 每m3大骨料混凝土的配合比Tab.1 Mix proportion of per cubic metre of large aggregate concrete

1.4 試驗方法

由于混凝土試件制作、養(yǎng)護等一些無法預測的因素，混凝土試件離散性比較大，在進行試驗時，為使試驗結果盡可能精確，采取了一些必要的措施．

在加載過程中，如果側向加載板直接作用于混凝土試件表面會產生較大的摩擦力，對試驗結果不利．本試驗采用3層塑料薄膜3層甘油組成的減摩片進行減摩處理，其中的一層甘油與試件側表面接觸．

為了保證不出現(xiàn)較大偏心拉壓，試驗過程中要隨時注意試件的對中．首先，將混凝土試件安裝到加載板上，降低上部加載板至剛好與螺栓接觸，進行初步對中；隨后東西方向預壓，進一步對中；接下來確保試件上端的4個螺栓能夠穿過加載板的圓孔后降低上部加載板進行多次預加載；最后將試件上的8個螺栓擰緊．試件安裝完成后，在每個加載方向上安裝1個位移傳感器，測量加載方向的變形，試驗數據在剔除兩側2個位移傳感器讀數相差較大的數據后取平均值．

2 試驗結果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)

本文完成了大骨料和濕篩混凝土試件在4種應變速率和4種應力比下的雙軸拉壓強度試驗．

從斷裂面形態(tài)來看，如圖2所示，大骨料混凝土的斷裂面大部分在試件的中部，并且不少為鋸齒狀，隨著應變速率的提高，斷裂面更為平整，而且試驗過程中觀察發(fā)現(xiàn)其破壞更為突然，脆性破壞更加明顯．

和大骨料混凝土相比較，大部分的濕篩混凝土試件斷裂面在試件中部，但其整體平整度較好，且被拉斷的骨料比例較大．

(a)大骨料混凝土 (b)濕篩混凝土

圖2 不同應變速率下大骨料混凝土和濕篩混凝土試件雙軸拉壓試驗的破壞形態(tài)

Fig.2 Failure patterns of large aggregate concrete and wet-screened concrete specimens in biaxial tension-compression tests under different strain rates

2.2 動態(tài)拉壓強度

對于不同應變速率下的大骨料和濕篩混凝土在雙軸拉壓荷載作用下拉壓強度的試驗結果如表2所示．

從表2的試驗結果可以看出：雙軸拉壓狀態(tài)下的大骨料、濕篩混凝土的抗拉、抗壓強度均分別低于相應應變速率下的單拉、單壓強度，所有混凝土試件的σ3隨σ1的增加而降低，σ1也隨著σ3的增加而降低．對應于同一應變速率，不同應力比時混凝土的強度有著明顯的不同．抗壓強度隨著拉應力比例的增大而降低，其降低程度隨應力比的不同而有一定的差異；對應于同一應力比，抗壓強度和抗拉強度都隨著應變速率的增大而增大．

圖3為混凝土抗壓強度隨應變速率增大百分比，圖4為混凝土抗拉強度隨應變速率增大百分比．從圖中可以看出：對應于某一應力比α，隨著應變速率的增大，大骨料、濕篩混凝土試件的拉壓強度都逐漸提高．顯然，應變速率越大，σ1、σ3的增加幅度越大．如在α=0.05雙軸拉壓荷載下，應變速率為10-2s-1時，大骨料、濕篩混凝土的σ3分別增加104%、96%；但對于不同的應力比，抗壓強度提高的幅度不一樣，如對于大骨料混凝土，當α=0.05時，整體提高幅度較大；而對于濕篩混凝土，α=0.10時，整體提高幅度較大．

表2 不同應變速率下混凝土雙軸拉壓強度Tab.2 Biaxial tension-compression strength of concrete under different strain rates

(a)大骨料混凝土(b)濕篩混凝土

圖3 混凝土抗壓強度隨應變速率增大百分比Fig.3 The increasing percentage of compressive strength of concrete with strain rates

圖4 混凝土抗拉強度隨應變速率增大百分比

Fig.4 The increasing percentage of tensile strength of concrete with strain rates

圖5為大骨料、濕篩混凝土抗壓強度隨應力比減小百分比，從圖中可以看出，在同一應變速率下，大骨料、濕篩混凝土抗壓強度的降低幅度均在應力比α<0.10時相對較大，而在α>0.10時降低幅度較小．對應于不同的應變速率，抗壓強度降低幅度也有差異，應力比α=0到α=0.50期間， 這種差異由小到大，然后又逐漸縮小，當應力比達到0.50以后，這種差異幾乎為零．

(a) 大骨料混凝土

(b) 濕篩混凝土

圖5 混凝土抗壓強度隨應力比減小百分比

Fig.5Thedecreasingpercentageofcompressivestrengthofconcretewithstressratio

圖6為大骨料、濕篩混凝土抗拉強度隨應力比增大百分比，從圖中可以看出，隨著應力比的增大，抗拉強度的增大幅度逐漸降低．在不同的應變速率，其增大幅度有所不同，例如應力比α<0.50,應變速率為10-2s-1時，抗拉強度增大幅度最小，但當α接近0.50時，各應變速率下的抗拉強度增大幅度相差不大．

(a) 大骨料混凝土

(b) 濕篩混凝土

圖6 混凝土抗拉強度隨應力比增大百分比

Fig.6 The increasing percentage of tensile strength of concrete with stress ratio

3 破壞準則

在混凝土雙軸拉壓范圍內，所能運用的破壞準則有庫倫摩爾準則、八面體應力關系準則、主拉應變準則、格里菲斯準則等．八面體應力關系準則是建立在剪切屈服的基礎上；庫倫摩爾準則所假定的破壞面與實際破壞面相矛盾．這兩準則的理論假設均與試驗結果相矛盾，在雙軸拉壓區(qū)域內作為混凝土的破壞準則是不合適的[14]．

在不考慮應變速率的情況下，雙軸拉壓強度曲線近似成直線，國內外不少研究者推薦采用下式表示[15]：

σ3/fc+σ1/ft=1

(1)

式中：fc為標準立方體抗壓強度，ft為標準立方體抗拉強度．

混凝土動態(tài)抗拉抗壓強度系數與應變速率的對數近似成直線關系[16]，雙軸拉壓強度采用下式表示：

k1σ3/fc+k2σ1/ft=1

(2)

最終回歸分析得出：

上述破壞準則的試驗結果和計算結果可以由圖7表示，由圖可見，二者符合較好．

(a) 大骨料混凝土

(b) 濕篩混凝土

圖7 混凝土不同應變速率的破壞準則

Fig.7Failurecriterionofconcreteunderdifferentstrainrates

4 結 論

(1)大骨料和濕篩混凝土在動態(tài)雙軸拉壓狀態(tài)下的破壞形態(tài)和骨料破壞比例與應力比和應變速率有關，應變速率越大，破壞面越平整，骨料破壞比例越大．在相同的條件下，大骨料混凝土的骨料破壞比例要小于濕篩混凝土．

(2)應力比和應變速率對混凝土雙軸拉壓強度有著較大的影響．混凝土雙軸拉壓強度低于單軸強度，其變化規(guī)律與應力比有關，隨應變速率的增大而增大，提高幅度與應變速率成正比．

(3)在主應力空間中分別建立了大骨料混凝土和濕篩混凝土在動態(tài)拉壓狀態(tài)下的破壞準則，為水工結構物的非線性分析提供了試驗依據．

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Experimental study of dynamic strength of large aggregate concrete under biaxial tension-compression

CHEN Ren-jin, SHEN Lu, SONG Yu-pu*

( State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

To investigate the mechanical properties of concrete under biaxial dynamic stress and different strain rates, the biaxial dynamic tension-compression tests under different stress ratios and strain rates on the specimens of large aggregate concrete and wet-screened concrete were carried out by using the large-scale triaxial static and dynamic test system. The effects of stress ratio and strain rate on the biaxial tension-compression strength of concrete were studied systematically. The experimental results show that the biaxial tension-compression strengths of the two kinds of concrete are lower than uniaxial tension or uniaxial compression strength. The dynamic strength not only varies with the different stress ratios, but also increases with the increase of the strain rates. Biaxial tension-compression failure criterion of concrete considering stress ratio and strain rate is established in normal stress space, which can provide experimental basis for the nonlinear analyses of hydraulic structures.

large aggregate concrete; wet-screened concrete; biaxial tension-compression; dynamic strength; failure criterion

1000-8608(2015)03-0292-06

2014-08-12；

2015-03-12．

國家自然科學基金資助項目(51079019).

陳仁進(1989-)，男，碩士生，E-mail:chenrenjin1989@126.com；宋玉普*(1944-)，男，教授，博士生導師，E-mail:syupu@dlut.edu.cn.

TU528.36

A

10.7511/dllgxb201503010