塑性混凝土相对弹性变形特性试验研究.pdf

第3 3 卷 第3期 2 0 1 6年 3月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 3 3 N o 3 Ma r 2 0 1 6 d o i ： 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 0 1 4 1 0 6 0 2 0 1 6 ， 3 3 ( 0 3 ) ： 1 4 7 1 5 0 塑性混凝土相对弹性变形特性试验研究 宋力 ， 刘璐璐 ， 高玉琴。 ( 1 黄河水利委员会 黄河水利科学研究院， 郑州4 5 0 0 0 3 ； 2 华北水利水电大学 土木与交通学院， 郑州4 5 0 0 1 1 ) 摘要： 为了探讨塑性混凝土应力一 应变曲线直线段 P 和 P 2 的取值范围， 从而得出弹性模量的取值 ， 通过对 4组不 同混凝土配合比的4 8 个试件 ， 进行了单轴抗压强度试验。通过试验绘制了典型应力一 应变曲线 ， 选取了曲线的近 似直线段， 进而分析割线模量和计算区间内切线模量均值的相近程度， 并对直线段弹性模量计算公式中如何对 P 和 取值进行了研究。试验结果表明： 塑性混凝土应力一 应变 曲线上升段存在近似直线段 ； 塑性混凝土的强度 5 M P a 时， 选取 6 0 和 8 0 峰值应力作为弹性模量计算公式中P 和 的值比较符合塑性混凝土的实际情况； 反之， 则需要更进一步的研究。试验研究成果为解决低强度塑性混凝土材料性能取值难问题提供了一种较好的方法。 关键词： 塑性混凝土； 应力一 应变曲线 ； 割线模量； 切线模量； P 和 取值点 中图分类号： T V 3 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 ) 0 3 0 1 4 7 0 4 1 研 究背景 塑性混凝土是一种具有一定抗渗能力、 低强度 、 低弹性模量和大应变特点的特殊混凝土 J 。因塑性 混凝土的弹性模量与土体 的弹性模量相差不大的特 点， 近年来在土石坝和围堰防渗工程 中的应用 日益增 多， 并成为了水利水电工程覆盖层防渗处理的首选材 料 。弹性模量是衡量塑性混凝土性能的重要特 性指标之一 ， 由于塑性混凝土的弹性模量计算没有现 行的规范， 国内学者 刮 均是借鉴 水工试验规程 普通混凝土弹性模量计算公式计算的， 但塑性混凝土 的强度 比较低 ， 用普通混凝土弹性模量的计算公式计 算出的结果并不符合实际。 本文根据塑性混凝土的 自身特性 ， 以 4组配合 比下共 4 8个试件 的单轴抗压试验为基础 ， 通过探讨 塑性混凝土应力一 应变曲线直线段P 和P ： 的取值范 围， 得出弹性模量 的取值方法。 2 试验设计及结果 2 1 试验材料及配合比 塑性混 凝 土试 件 制 作 采 用河 南 孟 电生 产 的 P 0 3 2 5 号普通硅 酸盐 水泥 ； 细骨料 为河砂 ， 级 配 曲线位于 区， 属于中砂； 粗骨料为粒径 5 2 0 m m 的连续级配 的碎石 ； 水为普通 自来水 ； 膨润土为四川 乐山生产的钠质膨润土。根据试验目的， 共设计了 4 组配合比， 每组仅考虑2 8 d 龄期， 见表 1 。每个配 合比分别制作 6个 1 5 0 m m x 1 5 0 m in X 3 0 0 m m棱柱 体试件和 6个 qb l 5 0 m m 3 0 0 m m的圆柱体试件。 塑性混凝土试件浇筑成型后静置 4 8 h后拆模 ， 并移 至标准养护室养护至 2 8 d龄期后按照 水工混凝土 试验规程 ( S L 3 5 2 -2 0 0 6 ) 进行相关试验。 表 1 塑性混凝土的配合比 Ta b l e 1 M i x p r o p o r t i o n o f p l a s t i c c o n c r e t e 试验采用 C MT 5 1 0 5的电子万能试验机 ， 采用位 移控制， 加载速度为 0 2 m rn m i n 。轴向荷载和试件 的变形均由自 动传感器采集， 并将采集到的数据 自 动输入计算机内绘制成应力一 应变曲线。考虑到塑 性混凝土抗压强度低变形大特点 ， 采用应变片法很 难反映出塑性混凝土的应变 ， 并且为 了试验仪器装 置的方便使用 ， 根据文献【_ 4 建议 ， 采用全标距 法开 展试验。 2 - 2 试验结果 图 1 是典型 的应力一 应变 曲线。4组配合 比下 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 1 2 2 3； 修 回日期 ： 2 o l 5 O 卜 1 1 基金项目： 中央级公益性科研院所基本科研业务费专项( H K Y J B Y W一 2 0 1 3 1 0 ) ； 水利部堤防安全与病害防治工程技术研究中心开放课题基 金项 目( 2 o 1 5 o 1 ) 作者简介： 宋力( 1 9 7 9 一 ) ， 男， 河南南阳人， 高级工程师， 硕士， 主要从事混凝土结构试验、 数值仿真模拟等研究， ( 电话) 1 3 9 3 7 1 7 6 8 7 0 ( 电子信 箱) s 0 n di y e a h n e t 。 通讯作者： 刘璐璐( 1 9 9 0 一 ) ， 男， 河南南阳人， 硕士研究生， 研究方向为工程结构设计与防减灾技术， ( 电话) 1 5 2 3 8 3 0 2 1 8 2 ( 电子信箱) t i a n k o n g - c h u mo 1 6 3 c o rn 长江科学院院报 2 0 1 6年 3 5 0 3 2 5 3 0 0 2 7 5 2 5 0 2 2 5 2 0 0 室 1 7 5 1 5 0 1 2 5 l o0 0 7 5 0 5 0 O 2 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 l 4 1 5 1 6 1 7 1 8 l 9 2 0 应变 1 0 。 3 ( a 】 圆柱体 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 l l 1 2 l 3 l 4 1 5 1 6 1 7 l 8 l 92 0 应变 1 0 -3 ( b ) 棱柱体 图 1 圆柱体和棱柱体典型应力一 应 变曲线 F i g 1 T y p i c a l s t r e s s s t r a i n c u r v e s o f c y l i n d e r a n d pr i s m s pe c i me ns 各组试件峰值抗压强度、 峰值应变的试验结果见 表 2 。 表 2中， 以 3个试件测定值的算术平均值作为 该组试件的抗压强度值。当3 个测定值中的最大或 最小值有一个与中间值的差值超出中间值的 1 5 时 ， 则把最大及最小值一并舍去 ， 取 中间值作为该组 试件 的试验值 。 表 2 试件基本力学指标试验结果 Ta b l e 2 T e s t r e s u l t s o f b a s i c me c h a n i c a l p r o p e r t i es o f s pe c i me ns 3 P1 和 P 2 的选取 文献 8 指出塑性混凝土应力一 应变曲线的整 个变化过程可以分为 4 个阶段( 图2 ) ， 第 2 个阶段 为拐点A处到峰值应力 曰处， 应力增长幅度大于应 变增长 幅度 ， 曲线 呈现 凸特 征， 曲线在 A B段 的性 应变 1 0 0 图 2 应力一 应变典型 曲线的分段性 Fi g 2 Fo ur s e gme nts of t ypi c a l s t r ess - s t r a i n c u rv e 质 ， 与常规混凝土弹性 阶段的应力 一 应变 曲线较为 接近， 基本呈现线性变化 ， A和 B两点之间即为弹性 模量计算公式 中 P 和 P 取值 区域。 根据应力一 应变曲线上相邻 2点应力变化量与 应变变化量的比值求取此处 的切线斜率 ， 即切线 弹 性模量 E 为 E ： 。 ( 1 ) S n 一占 n一】 式 中： E 为切线弹性模量( M P a ) ； 和 为相邻 2 点 的应力值 ( MP a ) ； 和 一 为相应相邻 2点的应 变值 。根据式 ( 1 ) 计算出切线模量并绘制切线弹性 模量 E 与应力 的关系曲线 ， 选取 曲线 A B段之间 E 。 变化范围较小且近似直线 的应力 区间。计算 4 0 6 0 ， 4 0 7 0 ， 4 0 一 8 0 ，5 0 一 7 0 ， 5 0 8 0 ， 6 0 8 0 峰值应力的割线模量与对应 范围内切线弹性模量 E 。 的均值 的比值 ， 割线模量与 切线模量均值 的比值最接近 1的即为塑性混凝土弹 性模量 P 和P 的取值点。以圆柱体试件为例， 图 3 是切线弹性模量 E 。 与应力 的关系曲线图。 5 0 0 4 00 3 o 0 2 0 0 尽 1 0 0 图 3 切线弹性模与应力的关系 F i g 3 Re l a t i o n s h i p b e t we e n t a n g e n t m o d ulu s a n d s t r e s s 由图 3可知 ， A B段 4 0 8 0 的峰值应力 间的 切线模量 比较接近直线 ， 与普通混凝 土应力一 应变 曲线的弹性段相似， 故 P 和P 的取值点要在 4 0 8 0 区间内寻找。然后计算出 4 0 一 6 0 ， 4 0 7 0 ， 4 0 一8 0 ， 5 0 7 0 ， 5 0 一8 0 及 6 0 8 0 峰值应力的割线模量与对应范围内切线弹性模 量的均值的比值见表 3 。 如 如 如 3 2 2 2 2 l 1 l l O 0 O 第3期 刘璐璐 等 塑性混凝土相对弹性变形特性试验研究 1 4 9 表 3 峰值应力各区间下割线模量与切线模量均值及比值 T a b l e 3 Ra t i o s o f s e c a n t m o d u l u s t o me a n t a n g e n t mod ul u s u n d e r d i ffe r e n t r a n g e s o f p e a k s t r e s s 注 ： 表 中成果 的构件编号为 C Y 3 。 从表 3中我们 可 以得 出 5 0 一7 0 ， 5 0 一 8 0 ， 6 0 一 8 0 这 3个区间割线模量与切线模量均 值的比值更接近于 1 。为了更加准确地得出 P 和 P ， 我们通过对所有试件的结果进行上述处理， 结果 见表 4 。表 4是 4组配合 比下 l 2个 圆柱体和 1 2个 棱柱体试件峰值应力 4 0 一 8 0 割线模量与对应取 值范围切线模量均值的比值， 割线模量与切线模量 表4 各计算区间割线模量与切线模量均值比值 Ta b l e 4 Ra tio s o f s e c a n t mod ulu s to m e a n t a n g e n t mod ulu s i n d i ffe r e n t c a l c ula t i o n i n t e r v a l s 至旦竖 堕堕 垦 ! 垡堡量兰 堡 量塑笪 堕 试件编号4 0 404 0 5 0 5 0 6 0 均值比值最接近 1 的区间所占比例为： 5 0 一 7 O 峰 值应力区间， 所占百分比为 2 5 ； 6 0 一 8 0 峰值应 力 区间， 所 占百分 比为 7 5 。另外 ， 图 4也 表明 了 6 0 一 8 0 区间内切线模量数据与割线模量拟合较 好。通过统计分析， 我们可 以在计算过程中选取 6 0 和 8 0 峰值应力对应点作为弹性模量计算公式 中P 。 和 P ： 的取值点。 应力 MP 8 图 4 6 o 一 8 0 峰值应力区间割线模量 与切线模量均值比较 4 C o mp a r i s o n o f s e c a n t mod ulu s and me a n t a n g e n t mod ulu s i n t he r an g e o f 6 0-8 0 p e a k s t r e s s 4结 论 本文通过塑性混凝土单轴抗压相对弹性阶段定 义的试验研究 ， 分析 了应力 一 应变 曲线 的特征 以及 割线模量和计算 区间内切线模量均值的相 近程度 ， 得出以下结论 ： ( 1 )根据塑性混凝土试件受压破坏试验绘制出 的应力一 应变 曲线 中存在 一个斜 率相对稳 定 的阶 段 ， 见图 2的 A B段。 ( 2 )当塑 性混 凝 土 的强度 5 M P a时， 公式 中 P ， P 的取值则需要更进 一步 的研究。 参考文献： 1 袁枚， 赵家声 防渗墙塑性混凝土弹性模量试验方法 的研究 J 水利水电施工， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 6 3 - 6 6 2 蒋凯乐 ， 李云鹏， 张如满 ， 等 塑性混凝土防渗墙土反 力系数反演 J 岩土力学， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 2 ) ： 3 8 9 - 3 9 4 3 李青云 ， 张建红， 包承纲 风化花岗岩开挖弃料配制三 峡二期围堰防渗墙材料 J 水利学报， 2 0 0 4 ， ( 1 1 ) ： 1 1 4 -l 1 8 4 高丹盈， 赵利梅 塑性混凝土弹性模量的计算方法 J 郑州大学学报( 工学版) ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 5 - 1 7 5 王四巍， 于怀昌， 高丹盈 塑性混凝土弹性模量室内试 验研究 J 水文地质工程地质， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 3 ) ： 7 3 - 7 5 6 杨 林， 杨 静， 姬宏 奎 塑性混凝土 弹性模量研 究 J 三峡大学学报( 自然科学版) ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 5 ) ： 6 6 - 68 长 江科学 院院报 2 0 1 6生 7 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程 s 北京： 中国水 利水电出版社 ， 2 0 0 6 8 宋力， 常芳芳 塑性混凝土应力一 应变特性的试验研 究 J 南水北调与水利科技 ， 2 0 1 4 ，1 2 ( 2 ) ： 6 7 - 7 0 ( 编辑： 姜小兰) Ex pe r i me n t a l S t u d y o n t h e Re l a t i v e El a s t i c De f o r m a t i o n o f Pl a s t i c Co n c r e t e wi t h Lo w S t r e n g t h S ONG Li ，LI U Lu l u ，GAO Yu qi n ( 1 Y e l l o w R i v e r I n s t i t u t e o f Hy d r a u l i c R e s e a r c h ， Y e l l o w R i v e r C o n s e r v a n c y C o mm i s s i o n o f t h e Mi n i s t r y o f W a t e r Re s o u r c e s，Zh e n g z ho u 4 5 0 0 0 3，Ch i n a；2 S c ho o l o f Ci v i l En g i ne e r i ng a nd Co mmu n i c a t i o n， N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： I n o r d e r t o d e t e r m i n e t w o e n d p o i n t s( P l a n d P 2 )i n t h e s t r a i g h t l i n e s e g me n t o f s t r e s s s t r a i n c u r v e o f p l a s t i c c o n c r e t e，a n d t o o bt a i n t he e l a s t i c mo d u l u s，we c a r r i e d o u t u n i a x i al c o mp r e s s i o n t e s t o n 48 c o n c r e t e s p e c i me ns o f f o u r d i f f e r e n t mi x p r o p o r t i o n s T hr o u g h a na l y z i n g t y pi c a l s t r e s s s t r a i n c u rve， we s e l e c t e d a pp r o x i ma t e d s t r a i g h t l i n e i n t h e c u rve，a n d c o mp a r e d t h e s e c a n t mo d u l u s w i t h me a n v a l u e o f t a n g e n t mo d u l u s On t h i s b a s i s ，w e s t u d i e d h o w t o d e t e rmi n e P1 a n d P 2 T h e r e s u l t s s h o w t h a t 1 )t h e a p p r o x i m a t e d s t r a i g h t l i n e s e gm e n t a p p e a r s a t t h e a s c e n t s t a g e i n t h e s t r e s s s t r a i n c u r v e o f p l a s t i c c o n c r e t e ；2 )w i t h g i v e n s t r e n g t h o f p l a s t i c c o n c r e t e l e s s t h a n 5 MPa，i t i s s ui t a b l e t o c h o o s e 6 0 a n d 8 0 o f pe a k s tre s s a s t he e l a s t i c mo d u l u s o f Pl a n d P2 ，r e s p e c t i v e l y，o t h e r - wi s e，f urth e r s t ud y i s r e q u i r e d Fi n all y，t h e r e s e a r c h o f f e r s a me t h o d f o r d e t e rm i n i n g t h e v a l ue s o f ma t e r i a l p e r f o rm a n c e o f p l a s t i c c o n c r e t e w i t h l o w s t r e n gth Ke y wo r d s ： p l a s t i c c o n c r e t e；s t r e s s s t r a i n c u rve ；s e c a n t mo d u l u s ； t a n g e n t mo d u l u s ； p o s i t i o n o f Pl a n d P2 i n s t r e s s - s t r a i n c u rve 中国科学 院生态环境研 究中心傅伯杰院士来长江科学院进行学术交流 2 0 1 5年 1 1 月 3 0日至 1 2月 1日， 中国科学院生态环境研究 中心研究员、 国家 自然科学基金委地球科学 部主任 、 中国科学院院士傅伯杰应邀到访长江科学院并进行学术交流。 1 1 月 3 0 E t ， 长江科学院院长郭熙灵会见了傅伯杰院士 ， 并就 国家重点研发计划 、 科技体制改革等进行 了交流探讨 ， 院科研计划处处长唐文坚、 水土保持研究所副所长刘纪根参加 了会见 。1 2月 1日， 长江科学 院 院副院长陈进主持了学术交流会 ， 水土保持研究所张平仓所长、 科研计划处李吴洁副处长及水土保持研究 所、 河流研究所、 流域水环境研究所、 水资源综合利用研究所、 水利部岩土力学与工程重点实验室等单位科研 骨干 4 0余人参加 了交流会 。 傅伯杰作了题为“ 生态系统过程与服务” 的学术报告 ， 介绍了生态系统的概念、 问题及发展趋势， 生态系统 过程与服务和生态系统服务权衡与区域集成相关研究内容和最新进展。与会人员和青年学者与傅伯杰院士就 地学和生态学领域的科学前沿问题以及青年科学家的发展前景进行了深入交流。会后， 傅伯杰院士在陈进副 院长的陪同下参观了长江科学院水土保持研究所、 流域水环境研究所和水资源综合利用研究所实验室。 傅伯杰主要从事景观生态学和综合 自 然地理学研究。在土地利用结构与生态过程、 景观生态和生态系 统服务等方面取得了系统性创新成果。特别是在耦合景观格局与水土生态过程、 区域生态系统服务优化方 法上取得 了重要突破 ， 推动了中国景观生态学的发展 。现任中国地理学会理事长、 国际生态学会副主席 ， 国 际长期生态系统研究网络副主席。 ( 摘 自 ： 长江水利科技网 )