冻融循环后湿筛混凝土强度试验与破坏准则研究.pdf

第 4 2卷 第 1 7期 2 0 1 1年 9 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Ri v e r Vo 1 42 No 1 7 Se p ， 201 1 文 章 编 号 ： 1 0 0 14 1 7 9( 2 0 1 1 ) 1 70 0 4 30 4 冻融循环后湿筛混凝土强度试验与破坏准则研究 徐 秀 娟 ， 宋 玉 普2 ， 孙 久 艳 ， 杜 曰 武 ， 苏 德 利 ( 1 大连海洋大学 职 业技 术学院， 辽 宁 大连 1 1 6 3 0 0 ； 2 大连理工 大学 海岸 与近 海工程 国家重点实验 室， 辽 宁 大连 l 1 6 0 2 4 ) 摘 要 ： 采 用快 速 冻 融 法 ， 对 湿 筛 混凝 土试 件进 行 了冻 融 循 环 。利 用 大 型动 三轴 试 验 机 ， 对 冻 融 循 环 后 的 湿 筛混 凝 土试件进行单轴压和 4种应 力比的双轴压试验 ， 观察 试件的破 坏形 态和表 面裂缝分 布情 况， 测得双 轴主压 方向的极限强度 ， 剖 析 了冻融循环次数和应力 比对极 限强度 的影响规律 。试 验结果 表明 ： 随冻 融循 环 次数 的 增加 ， 湿筛混凝 土的双轴压极限强度呈非线性 降低 ； 在冻融循环 次数相 同的情 况下， 双轴压极 限强度相对 于其 单轴强度均有所提 高， 而提 高幅度取决 于应 力比。提 出 了带有冻融循 环次数和应力 比参数的修正 湿筛混凝 土 破 坏准则公式 ， 可为寒冷地 区的海洋工程 、 水工结构强度分析和 寿命预测提供理论依据 。 关 键词 ： 湿筛混凝土 ；冻融循 环；应力 比；双轴压强度 ； 破 坏准则 中图法分类号 ： T V 5 4 4 文献标志码 ： A 北方寒冷地 区的大多数水工结构处于复杂应力状 态 ， 冻 融循 环对 水工 混 凝 土 的 力 学 性 能会 产 生 不 利 影 响 ， 所以对这些结构进行冻融循环后的复杂应力状态 下 的力 学性 能分 析 十 分 必 要 。然 而 ， 由于水 工 混 凝 土 采用的是全级配混凝土 ， 对其进行冻融循环试验和多 轴力学试验只能通过湿筛混凝 土进行。而国内外对冻 融循环后混凝土多轴强度 的研究 ， 大多是针对普通混 凝 土 、 引气 混凝 土 、 轻 骨料 混凝 土 展开 的 。对 冻 融 循 环后 湿筛 混 凝 土 在 复 杂 应 力 下 的 力 学 性 能 试 验 研 究 ， 未见报道。这种情况 ， 限制了人们对寒冷地区处于 复杂应力下水工混凝土结构力学性 能的了解 。因此 ， 本文按照现行的 水工混凝土试验规程 ( D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 中的“ 快 冻法” ， 对湿筛混凝土试件进行双轴压 荷 载下 的试 验研 究 ， 测试 两个 方 向 的强 度及 变形 ， 分 析 应力比对强度的影响， 建立冻融循 环后湿筛混凝土 的 双轴压破坏准则 ， 为分析冻融循环后 的水工结构在复 杂应力下的强度和变形 ， 提供理论和应用指导。 1 试验设计 1 1 原材料 与混凝土配合 比 试验中， 水泥采用大连小野 田水泥有 限公司生产 的 PI I 4 2 5 R( 2 8 d的标准 抗压 强度 为 4 2 5 MP a ) 普 通硅 酸盐 水泥 ； 粉煤 灰为 吉林 双辽 市 的一级 粉煤 灰 ； 细 骨料 为 中砂 ， 细 度模 数大 于 2 6， 含泥量 不 大于 2 ， 在 配置混凝土前对细骨料进行筛选 ， 除去其 中较大颗粒 的杂质； 粗骨料为粒径 5 8 0 m m石灰石 ， 要求其表面 粗糙 、 有棱角 ， 能产生 良好 的机械咬合力， 与水泥浆形 成较强粘结力 ； 砂及石子的含水率在每次试 件制作前 进行测量 ； 引气剂选用大连西卡建筑材料有限公 司生 产 的 S i k a A E R表面活性剂 ； 减水剂选用大连建筑 科 学研 究 院研 制 的 D K一6混 凝 土 高 效 减 水 剂 。水 工 全 级 配混凝 土 的水 灰 比为 0 4 5 ， 表 1为每 立 方 米全 级 配混凝 土 的配合 比。 1 2 试 件及快速冻融方法 试件制作的步骤如下 ： 先将 自落式搅拌机冲洗干 净 ， 再将 称 好 的石子 、 砂 子 、 水 泥 和粉 煤 灰 放 人搅 拌 机 中搅拌 1 m i n ， 随后将融于水的引气剂和减水剂分别加 入 ， 边加入边搅拌 ， 3 mi n后将拌制好 的混凝 土倒人孔 径为 3 0 m m的钢筛 内进行湿筛 ， 筛除粒径大于 3 0 m m 的骨料 ， 再用人工将筛下的混凝土拌合物翻拌均匀置 人标准组合钢模 中， 在 1 m1 m的振动台( 振动频率 为 2 8 6 0次 mi n ， 振 幅 0 30 6 m m) 上 振捣成 型。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 2 l 基金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 9 0 8 0 2 6 ) 作者简 介 ： 徐 秀娟 ， 女 ， 讲 师 ， 博士研 究生， 主要从事结构工程研 究。Em a i l ： x u x i u 一 3 1 2 9 4 8 7 1 6 3 e o m 人 民 长 江 2 4 h 后 拆 模 ， 放 置 于静 水 ( 水 温 2 0 3 ) 中养 护 ， 2 8 d 后 取 出 。 冻融试验方法按照 水工混凝土试验规程( D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 中抗冻性 能试 验的“ 快冻法” 进 行。每 次冻融循环历时 2 5 3 h ， 湿筛混凝土试件从 6 降 到 一1 5 c C 所用时间不得少 于整个 冻融时间 的 1 2， 试 件 中心温度分别控制在 一( 1 72 ) 和 ( 82 ) o C， 试 件 中心和表面的温差小于 2 8 。将混凝土试件分成 7 组 ， 其 中 1组用于常态试验 ， 另外 6组试件 分别进行 5 0 ， 1 0 0 ， 1 5 0， 2 0 0 ， 2 5 0 ， 3 0 0次冻 融循 环 。 表 1 每立方米全级 配混凝土的配合比 1 3 试 验设备及试验过程 本文 湿筛 混凝 土力 学性 能试 验是在 大 连理工 大学 海 岸 与近 海工 程 国家 重 点实 验 室 的大 型 静 、 动 三 轴 电 液伺 服试 验机 上完 成 。 系统 由 电液 伺 服 阀 、 电子 控 制 线路和三向分别独立的加力架 、 加载板 、 液压缸 、 荷载 传感器和位移传感器 ( L V D T) 组成 ， 系统可实 现各种 应力 比下 的三 向拉 、 三向压和三 向拉压 的静、 动态试 验。试验时 ， 将试件安装在试验机的加载板问 ， 试件加 载面与加载板之间采取减磨措施 ， 减磨材料采用塑料 薄膜和甘油。先将试件轴心物理对 中， 并进行双 向反 复预压 ， 再设定 5种加载比例分别为 O = o - =0， 0 2 5 ， 0 5， 0 7 5 ， 1 0 。每种应力状 态和不 同冻 融循环 次数 下 ， 至少 试验 3个 试 件 ， 当发 现 离 散 较 大 时 ， 增 加 试件数量 ， 以求数据 的完整准确 ， 试件承受 的两个方 向 的压力 、 位移和应变值均由计算机动态采集。 2 试验结果及分析 2 1 试验现 象 图 1为 经过不 同冻融循 环 次数后 的湿筛 混凝 土双 轴 压破 坏形 态 的照 片 ， 对 于 O L=0即单 轴 压 荷 载作 用 下 ， 由于在试件与加载板之间加减磨垫层 ， 削减了加载 板对试件加载面的约束作用 ， 破坏形态为柱状破坏； 在 应 力 比 O t= ： o =0 2 5 0 5的双轴 压状 态 下 ， 由 于 、 方向压应力作用， 试件在 自由面方 向产 生拉 应变 ， 在 作用面上形成多条与 ： 方向成 1 0 。3 0 。 倾角的裂缝 ， 当裂缝贯通试件后 ， 形成倾斜层状破坏 ， 如 图 1 所 示 。 随着 应 力 比 O t 的增 大 ， 侧 向压 应 力 逐渐 增大 ， 其对 由于主应力 产生的在 ：方向的拉应变 的约束作用越来越大 ， 试件将在 ： 和 ，的共同作用 下 沿 自由面方 向产 生较 大的拉 应变 ， 所 以在 ： 作 用 面 和 作用面上均形成与 自由面平行的层状裂缝 ， 裂缝 基 本上 与 自由面平 行 ； 另 外 ， 随 冻 融 循 环次 数 增 加 ， 破 坏面 的裂缝 数量 明显 增 多 。 一一一一 一一一一 图 1 不同冻融循环次数后湿筛混凝土试件 在双轴 压下的破 坏形态 2 2 湿筛混凝 土双轴压极 限抗压强度 按照 前述 试验 方 法 ， 测 得 的 湿筛 混 凝 土 在 不 同冻 融循 环次 数 和不 同加 载 比例 下 的极 限抗 压强 度 如 表 2 所示 。 表 2不 同冻 融循环次 数和加载 比例 下的湿筛 混凝土极限抗压强度平均值 由表 2可见 ， 随冻融循环次数的增加 ， 湿筛混凝土 单 轴极 限抗 压强 度 明显 降低 ， 在 相 同冻融 循环 次数 时 ， 湿筛混凝土在双轴压荷载作用下的极 限强度较单轴压 极 限强度提高 ， 提高幅度取决于应力 比 O 值 。 冻融循 环 1 0 0次后 ， 所有 应 力 比的湿 筛 混 凝 土试 件 极 限抗 压 强度 降低 的 百分 比均 不 超 过 1 0 ， 而 冻 融 3 0 0次 后 ， 湿筛混凝土试件极限抗 压强度 降低超 过 3 0 。文献 4 中引气混凝土冻融 3 0 0次后双轴压强度降低 的百 分率 多数 不超 过 3 0 ， 只有 应力 比为 1 0的双 轴压 极 限强 度 降低超 过 3 0 ， 而湿 筛混 凝 土 的 引气 剂 的用 量 与引气混凝土是相同的， 这说 明混凝土在湿筛过程 中 混凝土中含气量有所损失 ， 从 而导致冻融强度降低 幅 度较 大 。 图 2为不同应力 比下的双轴压极 限强度相对于冻 融前单轴压强度之 比随冻融循环次数变化的规律。从 图 2可 以看 出 ， 不 同应 力 比的双 轴 压 强 度 随 冻融 循 环 次数增加而降低 的规律具有一致性 ， 即均呈 非线性变 化规律 ， 这一结论与文献 5 给出的线性化 降低 的结 第 l 7期 徐秀娟 ， 等： 冻融循环后 湿筛混凝 土强度 试验与破坏准则研 究 4 5 论不 同， 还有待于进一步研究 。 图 2 冻 融循环 次数对湿筛混凝土双轴压强度 的影 响 3 破坏 准则 3 1 抗压强度与冻 融循 环次数的关 系 抗 压 强度 与冻 融循 环次 数 之 间 的关 系 可 用式 ( 1 ) 描 述 如下 0 - _ 2 3= +6 +c ( 1 ) 式 中 ， 为 双轴 压荷 载作 用 下 主压 向极 限 强 度 ； 是 未经冻融湿筛混凝 土单轴抗压强度值 ； o ， b ， c是 回归 系数 ； N是冻融循环次数。 分别对 =0 ( 单轴受压 ) ， 0 2 5， 0 5， 0 7 5和 1的主压向极限强度进行回归分析 ， 得 到表 3双轴压 相 对极 限强 度与 冻融 循环 次数 关 系 的 回归系数及其相关系数 r 。 利用式( 1 ) 得到的计算结果 与试验数据如图 2所示 ， 由图可以看出 ， 试验值与计算 结 果 吻合 较好 。 3 2 抗压强度 与应 力比 的关 系 图 3为湿筛 混 凝土 双轴 压强 度较 单轴 压强 度提 高 的百分比。由图可见 ， 冻融循环次数相同的湿筛混凝 土， 其双轴压极 限强度均比单轴压强度有所提高 ， 但提 高 幅度 随应力 比的不 同而不 同 ， 应 力 比 0 t=0 5时 的 提高幅度最大， 为单轴压强度的 1 21 3倍 ； 应力比 o t=0 7 5时的提高幅度次之 ， 应力 比为 1 0的提高幅 度最小。 这与文献 67 的结论一致。 但文献 3 认 为 ， 在 =0 2 5时轻骨料混凝土的极 限抗压强度提高 幅度最大 ， 而文献 8 认为， 包括 =0 2 5在 内， 双轴 抗压强度提高值随 的变化都不明显 ， 这一 问题有待 于进一步论证 。另外 ， 文献 9 发现 ， 普通混凝土随冻 融循环次数增加 ， 应力 比对极 限抗压强度的提高作用 逐渐增大 ， 而本文未发现有与其一致的结论 ， 但 与文献 1 0 的结论一致。 抗压 强 度 与 应 力 比 0 t 的 关 系 可 用 式 ( 2) 描 述 如 下 ： c+ d ， 、 可 式中， 为双轴压应力 比； c ， d为回归系数 ， 根据表 4的 数据 ， 经回归求得湿筛混凝土在不同冻融循环次数下 的 回归 系数 。 表 4是 不 同冻 融 循 环 次数 下 的 回归 系 数 c ， d值及相关系数 r 。 表 3不同应力 比下双轴压试验 o 。 b 。 c 的回归值和 相关系数 r 的值 0 0 2 0 4 0 6 0 8 l 应力比 a 图 3 湿 筛混凝土双轴压强度 相对单轴压强度 提 高值 与应 力比 O t 的关 系 表 4不 同冻 融循 环次 数后的回归系数 c 。 d及相关 系数 3 3 统一破坏 准则 为了便于工程应用 ， 建立 了同时考虑冻融循环次 数 和应力比 影响的湿筛混凝土双轴压破坏准则 ， 采用 多元 线性 表 达式表 示 如下 ： 0 3 = 1 7 , 1 + ( 3 ) z + 3 式中， o 。 ， o ， o 和 口 为回归系数 ， 其他符号同前。 利用 试验数据进行回归分析， 可得如下结果 ： n =0 2 4 0 4， 口 2=一0 0 0 1 2 ， a 3=3 0 3 1 9 ， 7 ,4=0 8 0 5 9 。 负相关系 数 r 为0 9 6 6 。 利用该破坏准则计算得到的计算结果与 试验 结 果如 图 4所 示 。 踮 船 m 昶 丑求懈 曾 46 人 民 长 江 2 0 l 1年 1 4 1 2 1 o 0 8 0 6 O 图 4 湿筛 混凝 土破坏 准则的计 算结果与试 验结果 较 4 结 论 ( 1 )在双轴压荷载作用下 ， 湿筛混凝土试件随应 力 比口的不 同， 两个方向承压面上所产生的裂缝角度 不 同 ， 当应力 比 0 5时 ， 在 IT 作用 面上 形成 与 自由 面成 2 0 。3 0 。 的 主裂缝 ， 且 随应 力 比增 大 ， 与 自由面 夹角逐渐变小 ， 数量逐渐增多 ； 而 作用面上 ， 裂缝走 向与应力 比 O t 无关 ， 只是 随应力 比增 大 ， 裂 缝数 量逐 渐 增 多 ； 另 外 ， 在 相 同应力 比条 件下 ， 冻 融循 环次 数越 多 ， 裂缝 的数 量也 越 多 。 ( 2 )在应 力 比 相 同的情 况 下 ， 随 冻融 循 环 次 数 的增 加 ， 湿 筛混 凝土 双轴 压极 限强 度呈 非 线性 降 低 。 当冻融循环次数相 同时， 双轴压极限强度较单轴压强 度有较大提高 ， 提高的幅度取决于应力 比 O ， 当应力 比 =0 5 0时 ， 双轴压极限强度提高最多。 ( 3 )根据试验结果 ， 建立 了冻融循环后湿筛混凝 土在双轴压荷载作用下 的极限强度与冻融循环次数和 应 力 比之 间关 系 的表 达 式 。为 了工 程应 用 的方 便 ， 本 文 还建 立 了双轴 压荷 载作 用下 同时考虑 应力 比和 冻融 循环次数影响的破坏准则 ， 且与试验结果符合较好。 ( 4 )本文的试验研究可以为处于寒冷地 区在双轴 压荷载作用下的的水工结构 、 海洋工程等构件 的设计 、 研究提供理论和试验分析依据 ， 从而发挥其潜力 ， 以便 节 省工 程材 料 。 参 考 文献 ： 1 覃丽坤 ， 宋玉普 ， 于长江， 等 双轴压混凝 土在冻 融循 环后 的力学 性能及其破坏准则 J 工程 力学， 2 0 0 4， 2 1 ( 2) ： 1 8 81 9 3 2 宋玉普 ， 商怀帅， 张众 ， 等 冻 融循 环后 引气混凝 土双轴破坏 准则 研究 J 工程 力学， 2 0 0 7， 2 4 ( 6 ) ： 1 3 41 4 1 3 王立成 ， 刘汉勇 海水冻融后轻 骨料混凝 土的双轴 压压 强度 和变 形性能 J 水利 学报 ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 2 ) ： 1 8 91 9 4 4 S h a n g H S ， S o n g Y P B e h a v i o r o f a i r e n t r a i n e d c o n c r e t e u n d e r t h e c o mp r e s s i o n wi t h c o n s t a n t c o n f i n e d s t r e s s a f t e r f r e e z e t h a w c y c l e s J C e m e n t C o n c r e t e C o m p o s i t e s， 2 0 0 8 ， ( 3 O )： 8 5 48 6 0 5 王立成 ， 刘汉勇 冻融循 环后粉煤 灰 陶粒 混凝土 定侧 压 下的强度 和变形性能研 究 J 工程 力学， 2 0 0 7 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 2 91 3 5， 1 1 6 6 商怀帅 引气混凝土冻融循 环后 多轴强度 的试验研 究 D 大连 ： 大连理工大学 。 2 0 0 6 7 宋玉普 ， 覃立坤 ， 张众 ， 等 冻融循环后 双轴压 的试验研 究 J 水 利学报 ， 2 0 0 4 ， ( 1 )： 9 59 9 8 宋玉普 ， 赵 国藩 ， 彭放 ， 等 轻 骨料 混凝 土在 双轴压 压及拉压状 态 下的变形和强度特性 J 建筑结构 学报 ， 1 9 9 4 ， 1 5 ( 2 )： 1 72 4 9 覃 立坤 高 温及 冻 融循 环后 混 凝土 多轴强 度和 变形试 验 研 究 D 大连 ： 大连理工大学。 2 0 0 3 1 0 王怀亮， 宋玉普 两种级配混凝 土试件 双轴作用 下强度、 变形分 析 J 人 民长 江， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 2 )： 5 35 5 ， 9 9 ( 编 辑 ： 郑 毅 ) S t ud y o f s t r e n g t h e x p e r i m e nt a n d f a i l ur e c r i t e r i o n o f we t - s c r e e ne d c o n c r e t e a f t e r f r e e z e t ha w c y c l e s XU Xi u j u a n ， S ONG Yu p u ， S UN J i u y a n ， DU Y u e w u ， S U De l i 。 ( 1 V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e ， D a l i a n O c e a n U n i v e r s i t y ， D a l i a n 1 1 6 3 0 0 ， C h i n a ； 2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f C o s t a l a n d O f f s h o r e E n g i n e e r i n g ， D a l i a n U n i v e r s i t y of T e c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ) Abs t r a c t：Th e e x pe r i me nt a l s t ud y o f t h e s t r e n g t h o f we ts c r e e n e d a g g r e g a t e c o n c r e t e wa s c a r r i e d ou t u s i ng t h e r a p i d fre e z e t ha w me t h o dTh en t h e c o n c r e t e s pe c i me n wa s t e s t e d us i n g t h e s t a t i c a nd d y na mi c t r ia x i a l e x p e r i me n t a l ma c h i ne un de r 4 b i a x i a l c o mp r e s s i o n s t r e s s r a t i o s a nd u ni a x i a l e x p r e s s i o nTh e f a i l ur e mo de s o f t he s e c o n c r e t e s p e c i me n s a nd t he c r a c k s di s t r i bu t i o n o n t he s ur f a c e s we r e o bs e r v e d a n d t h e u l t i ma t e s t r e ng t h i n t he ma i n b i a x i a l c o mp r e s s i o n di r e c t i o n wa s o b t a i n e d a s we l 1 The i n flu e n c e o f fre e z et ha w c y c l e s a n d t he s t r e s s r a t i o s o n t he u l t i ma t e c o mpr e s s i v e s t r e ng t h we r e g i v e n a s we l 1 The r e s u l t s s ho we d t h a t t h e b i a x i a l ul t i ma t e c omp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e d e c r e a s e s n onl i n e a r l y wi t h t he i nc r e a s e o f fre e z et h a w c y c l e s ；un d e r t h e s a me c y c l e s，t h e bi a x i a l u l t i ma t e c o mpr e s s i v e s t r e n g t h i nc r e a s e d c o mpa r e d wi t h t he u ni a x i a l s t r e n g t h，a nd t h e i n c r e a s i n g a mp l i t u de wa s d e t e r mi ne d b y s t r e s s r a t i o s On t he ba s i s，t he mo di f i e d f a i l u r e c r i t e r i o n wi t h c o ns i de r a t i o n o f t h e fre e z et ha w c y c l e s a nd s t r e s s r a t i o wa s p r o p o s e d Ke y wor ds： we ts c r e e ne d a g g r e g a t e c o n c r e t e；f r e e z i ngt ha w c y c l e；s t r e s s r a t i o；b i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h；f a i l ur e c r i t e r i nn