增强颗粒对混凝土斜面压剪破坏过程的影响.pdf

弟1 9巷 弟 1别 2 0 1 6年 2月 建巩例 种_子报 j oURNAL OF BUI L DI NG MATERI AL S VO1 1 ， O1 Fe b ， 2 01 6 文 章编 号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 0 8 0 6 增强颗粒对混凝 土斜面压 剪破坏 过程的影响 赵 庆新 ， 丁 小平 ， 邱 月 ( 1 燕山大学 河北省重型装备与大型结构力学可靠性重点实验室 ， 河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 4 ； 2 秦皇岛市公路工程质量监督站 ，河北 秦皇岛 0 6 6 0 0 1 ) 摘要：为提 高新老混凝土黏结性能， 提 出了一种在 自密实混凝土表 面撒干石子替代混凝土表 面凿 毛 的新 工 艺 将石 子视 为黏 结 面增 强颗 粒 ， 利 用岩 石 破 裂 过 程 分析 系统 ( R F P A) 软 件 ， 进 行 了不 同 黏结强度斜面压剪试件和黏结面含 增强颗粒斜 面压剪试件在单轴压缩荷载作用下破 坏过程的数 值模拟 ， 并将 自密实混凝土表面撒不同粒径干石子的斜面压剪试验结果与数值模拟结果进行对 比 数 值模 拟 分析 了不 同黏 结 强度斜 面压 剪试 件 的破 坏模 式 以及 主 裂 纹 产 生 、 扩展 、 贯 通 、 次生 裂 纹产 生等过程 结果表 明： 对强度等级高于 C 3 5的新老混凝土， 当黏结面黏结强度 小于 3 O MP a时， 斜 面 压剪 强度取 决 于黏 结 面黏 结 强度 ， 不 同 强度 等 级 混 凝 土 的 斜 面压 剪 强度 相 近 ； 当黏 结 面黏 结 强度 大 于 3 O MP a时 ， 斜 面压剪 强度 随混 凝土 强度 等级 增 大而 增 大 ， 最后 稳 定在 混 凝 土轴 心 抗压 强度 附 近 单增 强颗 粒的 大 小对试件 弹性 模量 和 斜 面压 剪 强度 影 响较 小 ， 可 以 忽略 ； 多增 强颗 粒 的 粒径 越 大， 越有利于提高斜面压剪强度 ， 且黏结面不再是最薄弱位置 实际试验结果与数值模拟 结果吻合 较好 ， 当混凝土表 面撒有粒径为 5 2 0 mm石子时， 其斜面压剪强度 比表 面凿毛试件提 高 1 O 7 关键 词 ： 混 凝 土 ； 斜 面压剪 试验 ； 破 坏模 式 ；黏 结 强度 ；增 强颗 粒 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文 献标 志码 ： A d o i ： l o 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 1 0 0 2 Ef f e c t o f Re i nf o r c i ng Pa r t i c l e o n Fa i l u r e Pr o c e s s i n Co nc r e t e u n d e r S l a nt - S h e a r Co mp r e s s i o n ZHA0 Qi n g xi n ， DJ NG Xi a o p i n g ， QI U Yu e 。 ( 1 Ke y La bo r a t o r y o f Me c ha n i c a l Re l i a b i l i t y f o r He a v y Eq u i pme nt s a n d La r g e St r u c t u r e s o f He be i Pr o vi n c e ，Ya ns h a n Un i v e r s i t y， Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 ，Ch i n a ；2 Qi n h u a n g d a o Hi g h wa y En g i n e e r i n g Qu a l i t y S u p e r v i s i o n S t a t i o n，Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 1 ，Ch i n a ) Abs t r a c t ：I n o r de r t o i mpr o ve t he b o nd q ua l i t y o f ne w t o ol d c o nc r e t e，a ne w c o ns t r u c t i o n pr o c e s s o f s c a t t e r i ng d r y gr a v e l s o nt o t he s ur f a c e of s e l f c o m pa c t i n g c on c r e t e wa s put f o r wa r d t o r e p l a c e t he p r oc e s s o f r o u g h e n i n g t h e s u r f a c e o f o l d c o n c r e t e Th e d r y g r a v e l s we r e c o n s i d e r e d a s r e i n f o r c i n g p a r t i c l e ，a n d r o c k f a i l u r e p r o c e s s a n a l y s i s( RF PA)c o d e wa s u s e d t o s t u d y t h e f a i l u r e p r o c e s s o f s l a n t s h e a r s p e c i me n s wi t h di f f e r e nt a dh e s i on s t r e ng t h a n d r e i nf o r c i ng p a r t i c l e s un de r s t a t i c l o a d i ng The r e s ul t s o f s l a n t s he a r t e s t o f s c a t t e r i ng d r y g r a v e l s on t o t he s ur f a c e we r e c o m p a r e d wi t h t h a t o f t he nu m e r i c a l s i m u l a t i o nThe num e r i c a l s i m u l a t i o n a na l y z e d t he f a i l ur e c ha r a c t e r i s t i c s o f t he s pe c i m e ns wi t h d i f f e r e nt bo nd s t r e n gt h W he n t he a d he s i o n s t r e ng t h o f b o ndi ng s u r f a c e i s l e s s t h a n 3 0 M Pa，t he s t r e ng t h of s l a nt s h e a r s pe c i m e ns o f c on c r e t e wi t h d i f f e r e n t s t r e n g t h g r a d e s i s c l o s e ，a n d i s d e p e n d e d o n t h e a d h e s i o n s t r e n g t h Ot h e r wi s e t h e s t r e n g t h o f s l a n t s h e a r s p e c i me n s i n c r e a s e s wi t h t h e c o n c r e t e s t r e n g t h g r a d e s ，a n d k e e p s s t a b l e a r o u n d t h e o v e r a l l a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n gt h o f t he s a m e c o n c r e t e s pe c i m e n a t l a s t The s i z e o f s i ng l e r e i nf o r c i ng pa r t i c l e a l 一 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 7 2 3；修订 日期 ： 2 0 1 4 一 O 8 2 9 基金项 目： 河北省 自然科 学基金 资助项 目( E2 0 1 1 2 0 3 2 1 8 ) 第一作者 ： 赵庆新( 1 9 7 3 一 ) ， 男 ， 河北 玉 田人 ， 燕 山大 学教 授 ， 博 士 生导 师 ， 博士 主要研 究方 向为混凝 土 材料 的力 学行 为 与失 效机 理 E - ma il ： z h a o q x 2 0 0 2 1 6 3 t o m 第 1 期 赵 庆新 ， 等 ： 增强颗粒对混凝 土斜面压剪破坏过程 的影 响 mo s t ha s no i nf l ue n c e o n t he e l a s t i c m o du l u s a nd s t r e n gt h of s l a n t s he a r s pe c i m e ns The l a r ge r s i z e o f mul t i p l e r e i n f o r c i n g p a r t i c l e s i s b e t t e r t o i mp r o v e t h e s t r e n g t h o f s l a n t s h e a r s p e c i me n s Th e b o n d i n g s u r f a c e i s n o l o n g e r t h e we a k e s t p o s i t i o n，a n d c o mp a r e s we l l wi t h t h e a c t u a l e x p e r i me n t a l r e s u l t s Co mp a r e d wi t h t he p r o c e s s o f r ou gh e ni n g t he s u r f a c e of o l d c onc r e t e，t he p r o c e s s of s c a t t e r i n g g r a v e l s wi t h t he di a me t e r s o f 52 O mm o n t o o l d c o n c r e t e s u r f a c e c a n i mp r o v e t h e s l a n t s h e a r s t r e n g t h b y 1 0 7 Ke y wo r d s ：c o n c r e t e ；s l a n t s h e a r t e s t ；f a i l u r e mo d e ；a d h e s i v e s t r e n g t h ；r e i n f o r c i n g p a r t i c l e 新老混凝土黏结强度随黏结面处理方式不 同而 不 同， 现有黏结面处理方式大多采用机械凿毛方式 ， 但机械凿毛会使老混凝 土产生微裂缝 1 为 提高新 老 混凝 土黏 结强 度 ， 避 免凿 毛工 艺 对 桥 面 造 成 初 始 微裂纹和内部损伤 ， 本文提出了一种在 自密实混凝 土表面抛撒 干石 子替代混凝土表面凿毛的工艺 斜 面压剪试 验是检测新老 混凝土黏结 强度 的有效 方 法 ， 最初 由 Kr e i g h 提 出 ， Ta b o r F 。 最 先 采用 棱 柱 体 的斜面压剪试验 斜面压剪试验 中黏结面 的破坏很 大程 度上 取 决 于斜 面角度 ， 目前 很多 规 范 5 - 将斜 面角度( 与荷载方 向的夹角) 取为 3 O 。 ， 此时试件主要 有两种破坏模式 ： 黏结面破坏 和内聚性破 坏_ 7 目前 对斜 面压 剪试 件 的破 坏 过 程 研 究 较 少 ， 而 研究 混 凝 土的破坏过程 ， 对揭示混凝 土破坏机理及其非线性 力 学行 为本 质 具 有 重 要 的理 论 意义 8 经 典 的 断 裂 力学 还不 能研 究非 均 匀 介 质 中裂 纹 扩 展 问 题 _ 9 ， 解 析方法还难 以解析材料 内部微破 裂之间 的相 互作 用 8 ， 因此数值模拟方法成 了近年来研究脆性 材料 的热 门方 向， 其 中二 维混 凝 土细观 模拟 主要 采 用 T r u s s L a t t i c e模型 1 、 B e a m L a t t i c e 模型n 和岩石 破裂过程分析系统( RF P A) RF P A将混凝土看作 由 骨料 、 砂 浆和 界 面组 成 的三相 复合材 料 ， 考 虑材 料 的 非 均 匀 性 ， 假 定 材 料 细 观 单 元 的 力 学 性 质 满 足 we i b u l 1 分布， 使用有 限元法作为应力分析工具 ， 单 元满足弹性损伤 的本构关 系， 采用 了修正后的库仑 准则 、 最大拉应力作为单元破坏的强度判据 1 本文 将 石 子 视 为 黏 结 面 上 的 增 强 颗 粒 ， 采 用 R F P A数值模拟工具对不同黏结强度斜面压剪试件 和黏结面含有增强颗粒的斜 面压剪试件在单轴压缩 荷载作用下的破坏过程进行数值模拟 ， 并将数值模 拟结果与试验结果进行对 比， 研究该工艺对新老混 凝 土黏结 性 能 的影 响 1 不 同黏结 强度 的斜 面压 剪破坏模 式 1 1数 值模 型 对新老 混凝 土取 相 同强度 等级 ， 分别 为 C 3 5 ， C AO ， C 5 0和 C 6 0 ； 试件几何示意图见图 1 ， 不同强度等 级模拟混凝土试件的 We i b u l 1 分布参数 1 见表 1 图 1 斜面压剪试验几何示意图 F i g 1 Ge o me t r i c s c h e ma t i c d i a g r a m o f s l a n t - s h e a r t e s t( s i z e ： ram) 表 1 模拟混凝土试 件的 We i b u l l 参数 Ta b l e 1 W e i b u l l pa r a me t e r s o f c o n c r e t e M o r t a r 3 6 0 2 5 0 3 0 0 2 1 I n t e r f a c e 2 5 0 22 0 l _ 6 0 2 1 Ag g r e g a t e 8 0 0 5 0 0 6 0 0 1 6 No t e ： E i s me a n v a l u e 0 f mi c r o s c o p i c e l a s t i c mo d u l u s ；f 5 0 i s m e a n v a l u e o f mi c r o s c o p i c s t r e ng t h；m i s h e t e r o g e ne i t y i n d e x； i s Po i s s o n S r a t i o 本文将黏结面等效为一定强度 的夹层 在数值 模型中， 考虑黏结面非均匀性 ， 按 We i b u l 1 分布参数 赋值 ， 均质度取为 2 0 ， 黏结面 的弹性模量暂取 为同 强度等级混凝 土中基体 的弹性模量 ， 其材料力学参 数见表 2 ， 黏 结 面 厚 度 取 为 3 I n to 试 件 尺 寸 为 1 0 0 mmX 3 0 0 mm， 由 1 0 0 X 3 0 0个正方 形单元 组 成 试件上 、 下端为 2块加载板 ， 其尺寸为1 0 0 mmX 1 0 mm， 由 1 0 0 1 0个正方形单元组成 加载板也按