混凝土动态受压力学性能的试验研究.pdf

2 0 1 2年 第 3期 ( 总 第 2 6 9期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 6 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 T HEoRET I CAL RE S EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 0 6 混凝土动态受压力学性能的试验研究 窦远明，张华伟，孙吉书 ( 河北工业大学 土木工程学 院，天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要： 混凝土作为建筑上应用范围最为广泛的材料， 动态力学性能的研究对其充分发挥其抗压性能、 提高其安全的性能和降低建筑成 本变得至关重要。 采用改进的美国MT S 液压伺候加载系统对 7 0 m mx 7 0 m in x 2 0 0 mm的标准棱柱体混凝土试件进行单轴加载试验， 客观 的完成了从 l x l O 4 s 到 l x l O s 4 个不同数量级范围内的混凝土受压试验， 成功得到不同的应变速率下典型的应力一 应变全曲线， 从而使 基本受压性能得到综合的宏观反应。 关键词： 混凝土；动态特性；应变率； 抗压强度；本构关系 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 1 8 - 0 3 Ex per i me nt al s t ud y on t h e dy nami c c ompr e ss i v e pr o pe r t i e s of c on cr e t e DOUYu a n - mi n g。 ZHANGHu a we i S UN J I - s h U ( S c h o o l o f Civ i l E n g i n e e ri n g ， He b e i U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 4 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I nc o n s t r u c t ， c o n c r e a st h emos t wi d e l ya p pl i c a t i o n r a n g eo f ma t e r i a l s ， ther e s e a r c hO nd y n a mi cme c h ani c a l p r o pe r t i e s g i v ef u l l p l a yt o c o nc r e t ec o m p r e s s i v ep e r f o r ma n c e ， S Oi t b e c o m ec rit i c a l t oi mpr o v e s a f e t ya n dr e d u c ethe c o ns t r u c t i o nc o s t Us et h ei mp r o v e dHy d r a u l i cm i n i s t e rl o a d i n g s y s t e m ( MT S ) o f A me r i c a p r o c e e d s i n g l e a x i s l o a d i n ge x p e ri me n t t o s t a n d a r d p ri s mb o d y c o n c r e t e s a mp l e s ( 7 0 mmx 7 0 mmx 2 0 0 mm) O b j e c t i v e l y I t c o mp l e t e df o u rd i ffe r e nt o r d e ro f ma g ni t u d ewi t h i nthe s c o p eo f the c o n c r e t e c o mp r e s s i o n e x p e rime n t whi c hp r o c e s sf r o m l x 1 0_ 5 st o l x 1 0- 2 s， i t g e t the t y p i c a l s t r e s s - s t r a i n c u r v e wh i c h i n d i ffe r e nt s tra i n r a t e s u c c e s s ful ly， S O tha t the b a s i c p r o pe rti e s o f c o n c r e t e u n d e r p r e s s u r e g e t c o mp r e h e n s ive ma c r o s c o p i c r e a c t i o n Ke y w o r ds ： c o nc ret e； d y na mi c c h a r a c t e r i s t i c s ； s t r a i n r a t e； c o mp r e s s i v e s tre n g t h； c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p 0 引言 随着混凝土的应用范围的进一步扩大， 单纯的对混凝土力 学性能的研究只保持在其静态性能的范畴上是远远不够的。 当 今混凝土结构不可避免的遭受动荷载的冲击， 同时混凝土材料 也表现出与一定应变速率相关特性， 所以混凝土动态特性的研 究 自然也受到很多工程领域的广泛重视。 A b r a ms 发现了混凝土的抗压强度存在敏感性 ， 标志了 混凝土类材料动态力学性能研究的开始， 到 R i c h a r t t 2 1 ( 1 9 3 6 ) 和 G l a n v i l l e t 3 】 ( 1 9 3 8 ) 通过试验得出了混凝土的抗压强度随着加载 速率的增加也相应地增加的结论。 国内的清华大学抗震抗爆工 程研究室陈肇元、 阚永魁等 4 - 6 ( 1 9 8 6 ) 首次进行了混凝土在快速 变形下的抗压及抗拉性能试验 ， 该试验采用高强混凝土， 应变 速率约为 4 x l O - 4 s ， 试验结果得出在快速变形下混凝土的抗裂荷 载可提高约 3 0 ， 强度提高2 0 。 研究者们在很多方面却并没有 达成了共识 ， 但是由于动力荷载试验 比较复杂 ， 而且试验方法 多样性， 试验设备、 试件尺寸、 试件龄期的不同， 导致了试验结 果差异很大甚至得到结果相反的结论， 所以至今没有一种理论 和方法被研究界所采纳。 单轴压缩条件下的强度与变形特性是混凝土的最基本力 学性能， 故本研究用科学的方法对混凝土单轴压缩进行了试验， 收稿 日期 ：2 0 1 l - 0 9 1 9 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 8 7 8 0 7 3 ) l 8 从而对混凝土动态压缩下的强度、 弹性模量、 泊松比和裂缝的开 展进行了研究和分析。 进一步探索了速率对力学性能的影响。 1 试验原理与方 法 1 1试件制 备 试样粗骨料粒径为 1 0 2 0 mi n的碎石 ； 细骨料为级配 I I 区 中砂； 水泥采用奎山 P O 4 2 5 级水泥； 水泥：水： 细骨料： 粗骨料 = 1 ： 0 4 9 9 ： 1 5 2 4 ： 3 0 9 6 。 减水剂为高性能聚羧酸减水剂。 根据标准 试验混凝土试件制作的要求， 为了满足试验设备对试件大小和 尺寸的要求， 试验采用的试件为 7 0 m mx 7 0 mmx 2 0 0 mn l 的标准 棱柱体。 试验试模为标准棱柱体钢模 ， 将混凝土装入试模后振 捣密实， 2 4h 后拆模 ， 标准养护室养护 2 8 d ， 然后 自然条件放置 2 0 0d进行试验。 1 2设备 改进 众多材料试验机上进行的混凝土动态压缩试验往往得不 到具有下降段的应力一 应变曲线 ， 分析知由于混凝土试件是脆性 材料直接作用在试件上， 其大大超过试件稳定破坏所能承受的 能量 ， 所以就造成试件的突然断裂。 从而应力峰值后的 线 自 然不能很好的体现。 所以提高试验设备的刚度成了试验的重中 之重， 本试验采用在加载装置上沿试件的受力方向并联 4套蝶 形弹簧( 图 1 ) ， 此时试件和蝶形弹簧在加载过程中必然会共同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 1 蝶形弹簧片 受力。 在试验加载中后期， 当混凝土达到本身极限抗压应力时， 试件承载力急剧下降， 此时试验机系统释放的能量能就会由蝶 形弹簧继续储存， 保证了混凝土试件非脆性破坏 ， 从而得到完 整的应力一 应变曲线。 1 3 试 验 步骤 ( 1 ) 试件对称的两个侧面贴上 1 0 0 mmx 5 m l T l ( 竖向) 和 3 0 m mx 5 mm( 横向) 的纸基应变片。 试验前把试块放到试验机 上， 调整试件位置 ， 使其处于设备几何中心， 防止受力偏心带来 的误差 。 ( 2 ) 应变片连接到对应的线上， 调整应变盒的应变 ， 使波动 在 5 0左右。 ( 3 ) 在试件顶端对角处安装两个位移传感器( L V DT ) ， 用于 测量试件全高的平均应变， 使波动在+ 3 mm左右。 ( 4 ) 调整蝶形弹簧， 使弹簧轻轻顶住； 然后预加载 5 k N的 力 ， 观察应变片的变化和位移传感器的反应情况， 然后卸载到 0 k N， 并设定相应的速率进行加载， 并再次调整 4个蝶形弹簧 的松紧度使其相同； 此时可以正常加荷载( 原理如图2 ) 。 图 2 试验原理图 2 试验结果与分析 本试验主要研究混凝土在应变速率为 1 x l 0 _ 5 s 到 1 x l 0 _ 2 S 范围内的抗压强度及变形特性， 应变速率取 1 x l 0 - 4 s 、 l x l 0 Ws 、 l x l 0 - E s ， 另定义速率 l x l 0 Ws 为准静态应变率。 各强度等级混凝 土试件在每种加载速率下试验 3 块 ， 视情况相应适当增加试验 试件数 目， 以求得数据的完整准确。 2 1 应变速率对混凝土抗压强度的影响 混凝土动力试验不可避免的会受到试验设备、 试验方法和 试件离散性等多方面的影响， 试验的成功率较静力试验会偏低 ， 同时试验中由于试件和设备冲击惯性， 试件两端水平约束和采 集设备的不同步性等多方面的影响， 导致试验不能在理想下的 状态完成， 所以经过对 3 2 块混凝土试件进行不同速率下的试验， 其中有 2 0块得到了结果， 并且剔除波动较为大的 8 块的数据， 拿结果理想的试件各 l 2块进行分析， 得到抗压强度如表 1 。 表 1 混凝土强度 C 3 0的抗压强度 从表 1中数据看出， 强度C 3 0 混凝土各 式 f 牛 随着应变率的 增加 ， 表现出不等的离散型， 这是试验不可避免的误差部分 ， 但 是混凝土的平均抗压强度都有不同程度的增加， 本试验以应变 率速为 l x l 0 _ 5 s 时的抗压的强度为混凝土的准静态抗压强度 ， C 3 0 混凝土在各应变速率下的强度分别增长了3 1 、 7 O 、 2 1 6 。 对 比肖诗云嗍 等人对 2 O块不同应变速率的混凝土进行静 动力试验发现 ， 随着混凝土的应变速率的增加强度有不同程度 的提高， 相对静态速率 l O Ws ， 其他 4个速率 1 0 、 1 0 、 1 0 、 1 0 强度分别增加了4 8 、 9 O 、 1 2 0 、 1 5 6 。 与本试验结果符合 的比较好。 本试验给出了C 3 0混凝土的强度增量与应变率关系 见图 3 。 I g 8 ： ， 8 图 3 强度增量与应 变率关 系图 按照一般经验公式： D IF = = a+ b lg = 1+ 0 0 8 1 0 1g (1 ) 得到拟合优度 R 2 = O 9 9 8 7 ， 斜率 O 0 5 9 。 式中 混凝土的动态抗压极限强度； 准静态抗压强度； s c d 动态应变率； 8 准静态应变率。 从图 3中看出混凝土极限抗压强度随着应变率的增加而 提高， 其增量系数与应变率的对数近似成直线关系， 而且相关 性较好。 原因为在高速率的加载下混凝土强度的提高源自荷载 作用时间较短、 冲击性和惯性相对较大， 砂浆基体内部多数微 裂缝不能完全扩展， 而短暂时间内作用设备迫使试件破坏的情 况下， 试件只能通过迫使粗骨料( 石子) 破坏 ， 并且速率越多， 粗 骨料破坏占有的比例越大， 众所周知 ， 粗骨料的极限破坏强度 要远远大学细骨料之间的黏合力， 所以最终导致混凝土的强度 得到不同程度的提高。 2 2 不同应变率下混凝土变形性能分析 对混凝土的动态特性研究， 主要集中在对其抗压强度的研 究上， 对其变形特性的研究并不多见， 而且结论也是众说纷纭。 试验数据加以分析发现混凝土应力一 应变曲线表现为相似性。 2 2 1 弹性模量 大连理工的尚仁杰教授在通过试验得出： 当应变速率的变 化范围在 1 0 Ws 到 l O s 时， 混凝土的弹性模量提高 1 0 1 5 左 右。 但是这与 D i l g e r 和A h m a d 在试验中发现极不相同， 他们发 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 现应变率对混凝土弹线模量并无影响。 目前， 建筑领域对弹性模 量的试验方法还没有达成共识， 由于混凝土材料应力一 应变曲线 起始点的切线弹性模量较难测得， 且试验数据存在离散性 ， 测量 数值难以精确， 因此本试验取5 O 峰值直力处的割线模量作为弹性 模量， 并得出弹 漠量增量与应变率之间的关系图， 如图4 所示。 l g ( s ： ) 图 4 弹性模量增量与应变率之 间的关 系图 拟合方程为： 罟 tg (等 )= 1+ 0 0 34 llg (罟 ) c2 得到拟合优度 R-Z 0 9 9 9 4 7 ， 斜率 O 0 5 5 3 。 拟合图中也不难看出随着应变速率的增大， 曲线斜率有增 大的趋势， 这说明了初始模量有增大的趋势； 同时必须指出实 际试验中， 图中显示随着应变速率的增大弹性模量也增大， 与应 变速率 1 x l 0 s 对比， 经分析在应变速率取 1 x 1 0 - 、 1 x l 0 _ 3 s 、 l x l O - 2 s的情况下分别增大了9 1 4 、 1 2 4 3 、 1 4 5 4 ； 这与尚仁 杰教授的研究相吻合。 2 2 2 泊松比 关于混凝土泊松比与应变速率关系方面 的研究甚少 ， T a c h i k a wa tl q 和 T a k e d a 试验中发现在高应变速率下混凝土的泊 松比最多减少 4 0 左右。 本试验中得出混凝土强度 C 3 0的泊松 比变化如表 2所示。 表 2混凝 土强度 C3 0的泊松 比变化 从试验试验数据不难发现， 混凝土泊松比的存在离散型， 原 因为当荷载趋近混凝土极限抗压强度时， 横向应变片多数都会 被拉断， 而纵向应变片大都保存完好 ， 根据应变片的本身作用 性能得知应变片的敏感度极高， 也就造成了抗外界干扰能力很 差 ， 同时试验的采集设备的反应又比较灵敏， 也就造成了混凝 土泊松比的离散型， 同时发现随着应变率的变泊松比并未表现出 什么规律， 并且其离散性较大， 这与其他研究专家有所冲突， 还需 进一步加以验证。 但其变化范围大多都集中在 0 1 4 - -0 2 6之间， 所以可以用准静态的泊松比值来表达， 采用 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 规 定 的 0 2 。 2 2 3 应力应变曲线 C 3 0混凝土的试验结果离散性较大， 但随着应变速率的增 加 ， 混凝土的强度仍有增长势并且， 随着应变速率的增加， 混凝 土线弹性阶段的应力应变曲线斜率增大， 这表明混凝土的弹性 模量有明显的增大趋势， 而经拟合后的曲线也表现出了这一趋 势 ； 从图5中还可以看出， 随着应变率的增加， 极限压应变有减 20 小的趋势， 也从侧面反映出高速率下混凝土表现出较强脆性。 从 实际得到试验数据出发， 不难看出看出随着应变率的增大峰值应 变都表现为增大的趋势， 这与 A h ma d ( I 9 8 5 ) 的非常吻合， 同时也 与很多专家理论区别， 分析可知产生区别原因： 水泥型号、 水灰 比、 含水量、 骨料来源、 骨料半径等众多因素都会影响峰值强度。 40 3 5 3 O 25 20 15 1 0 5 l 1 o s I l l o 一 ： s I I = ! ： ： ! l 5 0 0 l 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 图 5 C3 0应 力一 应变关 系曲线 3结 论 ( 1 ) 通过对三种混凝土在不同应变速率下抗压强度进行分 析发现， 混凝土的极限抗压强度随着应变率的增大都相应的表 现为增大， 较应变速率 1 x l 0 - 5 s ， 应变速率取 l x l 0 s 、 1 x 1 0 - 3 s 、 l x l 0 - 2 s 的情况下， 混凝土强度为增大了 3 1 、 7 O 、 2 1 6 ， 同 时韧性都表现出不同程度的下降。 ( 2 ) 试验得出的应力一 应变曲线发现随着应变率的增大峰 值应变都表现为增大的趋势。 ( 3 ) 随着应变率的增大。 混凝土弹性模量表现出增大特性， 与应变速率 l x l 0 - 5 s 对比， 经分析强度 C 3 0的试件在应变速率 取 1 x l O 、 1 x l 0 、 1 x l 0 _ 2 s的情况下分别增 大了 9 1 4 、 1 2 4 3 、 1 4 5 4 。 ( 4 ) 随着应变率的增加， 极限压应变有减小的趋势。 ( 5 ) 随着应变率的增加， 泊松比没有明显的变化。 参考文献 ： 1 A B R A MS D A E ff e c t o f r a t e o f a p p l i c a t i o n of l o a d o n t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n e r e t e J lflh o e 2 0 t h ， A n n u Me e t i n g A S T M We s t C o n s h o h o c k e n ， 1 9 1 7 ( 1 7 ) ： 3 6 4 3 7 7 【 2 】J O N E S P G， R I C G A R T F ET h e e f f t of t e s t i n g s p e e d o n s t r e n g t h a n d e l a s t i c p ro p e r t i e s o f c o n c r e t q M P r o c A 洲A m e r i c a n S o c i e t y f o r T e s t i n g M a t e ri a l s ， 1 9 3 6 ( 3 6 ) ： 3 8 0 - 3 9 1 【 3 】GL A N V I L L E W HAn i n v e s t i g a t i o n of t h e s t r e s s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e p i l e s d u ri n g d r i v i n g M B u i l d i n g Re a r c h T e c h n i c a l P a p e r 2 0 H M S O， 1 9 3 8 4 】 清华大学抗震抗暴工程研究室 钢筋混凝土结构构件在冲击荷载下 的性能【 c 科学研究报告集， 北京： 清华大学出版社， 1 9 8 6 【 5 】 陈肇元， 阚永魁 高强度等级混凝土用于抗暴结构的若干问题 c 荷载下的性能 北京 ： 清华大学出版社 1 9 8 6： 7 3 8 3 6 】阚永魁 混凝土在快速变形下的抗拉强度【 c 】 筋混凝土结构构件 在冲击荷载下的性能 北京： 清华大学出版社， 1 9 8 6 ： 8 4 8 9 7 】尚仁杰 混凝土动态本构行为研究【 D 】 大连 ： 大连理工大学， 1 9 9 4 作者 简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 窦远明( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事建筑材 料、 结构工程方面的教学与科研工作。 天津市北辰区双口镇西平道 5 3 4 0 号 河北工业大学土木 工程学院( 3 0 0 4 0 1 ) O 2 2 6 O 4 3 8 1 9 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m