考慮初始缺陷影響的混凝土受壓特性試驗研究

史帥帥，張云發(fā)，高魯超，于祥龍

(河海大學(xué)　力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇　南京　210098)

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考慮初始缺陷影響的混凝土受壓特性試驗研究

史帥帥，張云發(fā)，高魯超，于祥龍

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇南京210098)

摘要：在WAW-E2000電液伺服萬能試驗機上，對摻入4種不同含量引氣劑的混凝土試件進行單軸壓縮試驗，分析了混凝土試件的抗壓強度、彈性模量、極限抗壓應(yīng)變和損傷特性的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著摻入引氣劑含量的增加，混凝土的抗壓強度、彈性模量和極限抗壓應(yīng)變均逐漸減小，而初始損傷的程度隨之增加。

關(guān)鍵詞：混凝土；初始缺陷；受壓；引氣劑；試驗研究

混凝土在澆筑的過程中，由于粗骨料形狀的不規(guī)則性、質(zhì)量的不均勻性及水化熱等因素的影響，不可避免的存在著空隙、夾雜、空洞及骨料間的軟弱交界面等原生缺陷，這必然影響了混凝土的靜、動力學(xué)性能，進而對混凝土結(jié)構(gòu)的災(zāi)變破壞過程和安全評估產(chǎn)生很大影響。從損傷的角度來看，這種缺陷是一種損傷，當(dāng)溫度變化或荷載的作用下，這種損傷會不斷增加，直到混凝土結(jié)構(gòu)完全失效破壞[1-2],但目前混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究多是針對成型無損的結(jié)構(gòu)體進行的，很少考慮混凝土初始缺陷的影響。在混凝土的試驗方面，邱玲等研究了包含初始損傷的混凝土的部分力學(xué)性能，得到了混凝土的損傷變化規(guī)律；鄧愛民等研究了拉伸和壓縮損傷的關(guān)系；Liners研究了含微裂紋的混凝土壓縮下的力學(xué)性能以及對抗拉強度的影響；張云發(fā)等研究了含初始缺陷的混凝土對其彎曲性能的影響研究。本文通過對4組混凝土試塊進行單軸壓縮試驗，研究了混凝土缺陷對其抗壓強度、應(yīng)變等力學(xué)性質(zhì)影響規(guī)律，建立合適的破壞本構(gòu)模型來準(zhǔn)確地模擬混凝土結(jié)構(gòu)的動力損傷和破壞過程，對保證已建和待建混凝土結(jié)構(gòu)的抗震安全及其評估具有重要的意義。

1試驗概況

1.1　試驗設(shè)備和試驗制備

本試驗采用河海大學(xué)工程力學(xué)與結(jié)構(gòu)檢測實驗室的WAW-E2000電液伺服萬能試驗機?；炷潦軌涸嚰某叽鐬?50mm×150mm×150mm,混凝土的設(shè)計標(biāo)號為C30,配合比(按重量)如表1所示。水泥采用的是南京地區(qū)質(zhì)量合格的普通硅酸鹽水泥，其強度等級為32.5；粗骨料為經(jīng)過直徑為20mm的篩網(wǎng)篩過的連續(xù)粒徑的碎石；砂子采用長江地區(qū)的天然中砂；采用自來水?dāng)嚢?，并振搗充分。在溫度(20±3)℃和相對濕度90%以上的環(huán)境下養(yǎng)護28d，測得的具有95%保證率的抗壓強度。

表1混凝土配合比參數(shù)表

試件在制作前，分別摻入引氣劑的含量為0%、0.05%、0.1%和0.15%，主要是用來區(qū)別混凝土中不同程度的缺陷，因為引氣劑使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生人為增加的空洞或材料交界的軟弱面，建立外加劑含量與材料力學(xué)指標(biāo)變化量的聯(lián)系，以量化描述混凝土的初始缺陷和力學(xué)指標(biāo)。把壓縮試件分為四組，每組包括8個試件，一組為純混凝土(引氣劑量為0)，編號為C1-n(n=1,2,…,8)，另外三組分別摻入質(zhì)量比為0.05%、0.10%和0.15%的引氣劑，編號分別為C2-n、C3-n和C4-n。一組試件一次配料，按照規(guī)范規(guī)定的方法將集料放入攪拌機攪拌均勻，分別澆入水平放置、尺寸為150mm×150mm×150mm立方體鋼模中，并在振動臺上振動密實、成型。

1.2　試驗過程

本試驗采用程序控制，第一步負荷加載模式100N·s-1加載到10kN；第二步位移加載模式，采用0.045mm·min-1的加載速率，應(yīng)變率為0.5×10-5。根據(jù)相關(guān)文獻，此應(yīng)變率下的試驗可視作準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗。實驗數(shù)據(jù)的采集頻率為10Hz，即每秒中采集十個數(shù)據(jù)點。

2試驗結(jié)果與分析

2.1　引氣劑含量對混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€的影響

圖1分別給出了引氣劑含量為0%、0.05%、0.1%和0.15%時，混凝土試件單軸壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€。從圖1可以看出：未加引氣劑的混凝土試塊的全曲線，無論是在曲線的上升段還是下降段，都與以往的經(jīng)典試驗和理論吻合的較好；而引氣劑含量為0.05%、0.1%和0.15%時的混凝土試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與未加引氣劑的試塊有著較大的區(qū)別，主要是全曲線的下降段變的平緩，而引氣劑含量為0.05%、0.1%和0.15%的三組混凝土試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間并沒有很大的區(qū)別，全曲線都變的比較平緩，同時也說明引氣劑的摻入對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生了明顯的影響。

2.2　引氣劑含量對混凝土相關(guān)力學(xué)性能的影響

混凝土的力學(xué)性能和諸多參數(shù)有關(guān)，如強度、彈性模量、峰值應(yīng)變等，引氣劑的引入會使得這些參數(shù)不同于一般混凝土。試驗中，相同含量引氣劑的混凝土試件一共制作了八個，按照規(guī)范規(guī)定的抗壓強度的取值方法除掉這些不合理的數(shù)據(jù)外，從每組中選出4個有效試件。對試驗結(jié)果進行分析和整理，得到不同缺陷含量混凝土相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

2.2.1不同引氣劑含量對混凝土抗壓強度的影響

從表2中可以看出，當(dāng)引氣劑含量從0%到0.15%，導(dǎo)致了混凝土內(nèi)部缺陷的增多，其中混凝土抗壓強度的平均值有所降低。相對于未加引氣劑的混凝土試樣，加入了0.05%、0.10%和0.15%引氣劑含量后的平均抗壓強度分別降低了49.18%、57.42%和59.20%。因此，可以看出引氣劑的引入對混凝土產(chǎn)生了初始的損傷，并且當(dāng)引氣劑含量為0.15%時，產(chǎn)生的初始損傷最大。同時，也可以從表2和圖2中看出，當(dāng)引氣劑含量增大到0.10%、0.15%時，引氣劑的摻量大小對混凝土的強度影響變的很小，將來可以在此試驗的基礎(chǔ)上，降低引氣劑摻量如降到0.01%或0.005%時，再進一步的研究引氣劑對抗壓強度的影響。

表2　混凝土力學(xué)性能參數(shù)表

2.2.2不同引氣劑含量對混凝土峰值應(yīng)變的影響

從邱玲等的研究中可以得出，當(dāng)引氣劑含量分別為0%、0.01%、0.02%、0.08%、0.16%時，其峰值應(yīng)變也逐漸隨之增大。而從表2和圖2可以得出，當(dāng)引氣劑含量從0%到0.15%時，其峰值應(yīng)變逐漸減小，且趨于一個極限值。這與前人研究有所區(qū)別，由于混凝土的離散性、養(yǎng)護條件和實驗條件的不同，才會出現(xiàn)這種情況，后續(xù)還會在繼續(xù)類似試驗對混凝土峰值應(yīng)變的研究。

2.2.3不同引氣劑含量對混凝土損傷特性的影響

混凝土試件受壓時的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)如果需要從損傷的角度來描述，第一步就是要選擇合適的損傷變量。Rabotnov首先提出了損傷表達的公式：

(1)

可以看出，D=0對應(yīng)于無損狀態(tài)；0

(2)

式中：為初始損傷；為混凝土的初始彈性模量；為理想的無損彈性模量，通過不同含量引氣劑得到的初始彈性模量擬合后得到。

把表2中C2、C3、C4組混凝土的平均彈性模量和引氣劑含量的關(guān)系進行如下曲線擬合：

y=ae-bx+c

(3)

式中，y為彈性模量，單位為GPa；x為引氣劑含量，其中把C2組中含量0.05%看作單位一，將試塊的平均彈性模量及引氣劑含量帶入上式得：

a=18.88b=0.22c=13.53

(4)

可得方程：

y=18.88e-0.22x+13.53

(5)

將在x=0，可得理想的無損混凝土的彈性模量：

E0=18.88+13.53=32.4GPa

(6)

由表2可知，C1組混凝土的平均初始彈性模量為34.01GPa，由(2)式可求得未加引氣劑的混凝土試件的初始損傷：

D0=1-32.41/34.01=0.047

(7)

同樣的方法可以得到摻入引氣劑含量為0.05%、0.1%和0.15%的混凝土試件的初始損傷值分別為0.157、0.245和0.315。由此可得：引氣劑含量為0.05%、0.1%和0.15%的混凝土初始損傷程度比未加引氣劑的分別增加了234%、421%、570%；當(dāng)引氣劑含量為0.05%時，混凝土的損傷程度比未加時增大了234%，說明此次試驗的最小引氣劑含量還是偏大，后期的試驗要降低引氣劑含量，如降到0.01%或0.005%時，再進行類似試驗。

3結(jié)論

1)當(dāng)引氣劑含量分別為0%、0.05%、0.10%、0.15%時，初始損傷的程度也隨引氣劑含量的增大而增大，加引氣劑的混凝土應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€在下降段比未加引氣劑試件的曲線更平緩，而摻入引氣劑含量為0.05%、0.10%、0.15%的試件平緩程度區(qū)別不大。

2)當(dāng)引氣劑含量從0%到0.15%，混凝土的抗壓強度逐漸減小，并趨向一個極限值，且減小的速率明顯減少，說明引氣劑含量到達0.10%、0.15%后，對抗壓強度的影響變的很弱。

3)當(dāng)引氣劑含量從0%到0.15%，混凝土的峰值應(yīng)變逐漸減小且趨向于一個極限值，其彈性模量也逐漸減少，減少的幅度也在減少。

4)用數(shù)值分析的方法把當(dāng)引氣劑含量為0%、0.05%、0.10%、0.15%時的混凝土彈性模量進行擬合，可以得到對應(yīng)引氣劑含量下混凝土試樣的初始損傷，把混凝土損傷的程度進行了量化，為建立含初始缺陷混凝土的本構(gòu)關(guān)系提供依據(jù)，也為后期的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]徐道遠,王向東,朱為玄,等.混凝土壩的損傷及損傷仿真計算.河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2002(7)：14-17.

[2]金玉,王向東,徐道遠,等.基于無損彈塑性模型的混凝土損傷定量分析.河海大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003(11):659-661.

[3]邱玲,徐道遠,朱為玄,等.混凝土壓縮時初始損傷及損傷演變的試驗研究.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2001,24(6):1061-1065.

[4]鄧愛民,徐道遠,符曉陵,等.混凝土單軸拉伸損傷試驗研究.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,26(1)：77-80.

[5]LINERSA，Delibes.Microcrackingofconcreteundercompressionanditsinfluenceontensilestrength.MaterialsandStructures，1987，20(2)：111-116.

[6]張云發(fā),章青,袁鋒華,等.混凝土初始缺陷對其彎曲性能的影響研究.混凝土,2015(1)：41-44.

(特約編輯李軍)

Experimentstudyoncompressiveprosperitiesofconcrete

underdifferentinitialdefections

SHIShuai-shuai,ZHANGYun-fa,GaoLu-chao,YUXiang-long

(CollegeofMechanicsandMaterials，HohaiUniversity，JiangsuNanjing210098，China)

Abstract：UniaxialcompressiontestiscarriedoutusingWAW-E2000hydraulicservouniversaltestingmachineunderthefourdifferentairentrainingagentcontentofconcretesamples.Weanalyzedthecompressivestrengthofconcretesamples,elasticmodulusvariation,limitcompressionstrainanddamageproperty.Theresultsshowedthat:Withtheincorporationofairentrainingagentcontentincreases,thecompressivestrengthofconcrete,elasticmodulusandultimatecompressivestraindecreasedgradually,whiletheextentoftheinitialdamageincreases.

Keywords：concrete;initialdefections;compression;airentrainingagent;experimentstudy

中圖分類號：TU528.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-9469(2015)04-0015-04doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.004

作者簡介：史帥帥(1989-)，男，江蘇徐州人，碩士，主要從事混凝土的損傷斷裂研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51179064)

收稿日期：2015-07-05