水泥受潮对动荷载下混凝土力学特性的影响.pdf

2 0 1 3 年 第 8 期 (总 第 2 8 6 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 6 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES 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 3 0 8 0 0 5 水泥受潮对动荷载下混凝土力学特性的影响 邓霁伟 1 -2 ，刘长武 1 , 2 ，刘洋 1 I2 ，王晓庆 1 I 2 ( 1 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 ，四川 成都 6 1 0 0 6 5 ；2 四川大学 水利水电学院，四川 成都 6 1 0 0 6 5 ) 摘 要 ： 以往关于混凝土力学特性的研究多是在配制混凝土的水泥未受潮劣化的前提下进行的， 未充分考虑水泥受潮对混凝土 力学性能的影响。 借助 MT S 8 1 5 试验系统 ， 对同一受潮水泥制作的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土试件以及未受潮水泥制作的 C 4 0 、 C 5 0和 C 6 0 混凝土试件进行加载速率从 0 0 0 2 7 m m s 的动态单轴压缩试验 ， 系统研究了高强度等级水泥受潮对动态加载下混凝土抗压强度 、 峰值应变 、 弹性模量和应力一 应变关系曲线等力学特性的影响。 结果表明： 在静态及较高加载速率下水泥受潮对混凝土强度和峰 值应变的影响较大 ， 中低加载速率下水泥受潮对强度和峰值应变的影响相对较小 ； 加载速率对受潮水泥配制混凝土割线模量的 影响相对较小 ， 水泥的受潮会造成混凝土强度的降低 ， 但不改变混凝土的破坏形式。 关键词 ： 混凝土；水泥受潮 ；动态加载；单轴压缩 ；力学特性 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 O ( 2 0 l 3 ) O 8 0 0 1 7 - 0 4 I n f l u e n c e o f da mp c e men t o n c o n c r e t e me c h a n i c a l p r o pe r t i e s u n d e r d y n a m i c l o a d i n g DENG J i we i 1 , 2 L UCha n gwu L J U Ya n g WANGXi a o q i n g ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hy d r a u l i c s a n d Mo u n t a i n Ri v e r E n g i n e e r i n g， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e a n d H y dro p o w e r ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u6 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： P r e v i o u s s t u d i e d o n t h e me c h a n i c a l p r o p e rt i e s o f c o n c r e t e were b a s e d o n the p r e mi s e tha t the c e me n t wa s d r y a n d n e g l e c t i n g t h e i n fl u e n c e o f c e me n t mo i s t u r e ， wh i c h wa s i n c o n s i s t e n t wi th t h e r e a l i ty Us i n g t h e MTS 8 1 5 t e s t s y s t e m， t h e d y n a mi c l o a d i n g u n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t o f c o n c r e t e s p e c i me n s ( C 5 0 a n d C 6 0 ) ma d e o f d a m p c e me n t and s p e c i m e n s ( C 4 0 ， C 5 0 and C 6 0 ) ma d e o f d r y c e me n t w er e un d e r t a k e n wi th t h e l o a d i n g r a t e v a ryi n g f r o m O 0 0 2 mm s t o 7 ml n s Co n t r a s t e d wi th the me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f s p e c i me n s whi c h ma d e o fd r y c e me n t ， t he me c h a n i c a l pr o p e rti e s o f s t r e ng t h， p e ak s t r a i n， e l a s t i c mo d u l us an d the s t r e s s s t r a i n c u I e s o fc o n c r e t e s p e c i me ns ma d e o fd a mp c e me n t h a d b e e n s y s t e ma t i c a l l y s tud i e d Th e s tud y r e ve a l e d t h a t ， the i n flu e n c e o f da mp c e me n t o n s tre n g t h and p e ak s t r a i n s o fc o n c r e t e w er e g r e a t e r und er s t a t i c o r h i gh l o a d i n g r a t e s c o mp a r e d w i m s tr e n g t h a n d p e ak s t r a i n s und e r l o w l o a d i n g r a t e s a n d the i m p a c t o f d a mp c e me nt on s e c a nt mo du l u s o f c o n c r e t e wa s r e l a t i v e l y s ma l 1 Th o u g h d a mp c e me nt r e s u l t s i n t h e r e d uc t i o n o f t he c o nc r e t e s t r e ng t h， i t d i d no t c h an g e t h e d e s t r u c t i o n f o r m o fc o n c r e t e K e y w o r d s ： c o n c r e t e ； d a mp c e me n t ； l o a d i n gr a t e ； un i a x i a l c o mp r e s s i o n ； me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c 0 引 言 水泥在存放 过程 中水泥颗粒会吸收环境 中的水 分并 发生化学反应， 使水泥中的凝胶材料减少并造成部分水泥 结块 ， 导致水泥受潮甚至过期。 在正 常储存条件下 ， 普通硅 酸盐水泥储存 3 个月的强度降低 1 0 - 2 5 ， 储存 6 个月的 强 度降低 2 5 4 0 1 1 。 在我 国， 水 泥主要 以袋装 的形 式进 行 运输 ， 袋 装水泥在运输 、 装卸 以及储存 过程 中会产生破 损 ( 破损率一般在 5 左右2 ) ， 破损 的水泥更易与水或潮湿 空气接触 而受潮 。 水泥受潮变质的快慢及受潮程度与保管条件 、 保管期 限及水泥等级等因素有关。 水泥的强度等级越高、 水泥颗粒 的细度越大、 与水发生反应的表面积就越大 ， 吸收空气中 水分的能力就越强 ， 就越容易受潮而变质。 一般情况下 ， 强 度等级高 的水泥配制 的混凝土在工程 中多应用于结构 的 重要部位 ， 水泥的受潮对结构的力学性能将产生重要影响 。 以往对混凝土力学特性 的研究多是在配制混凝土 的水泥 未受潮的前提下进行的， 未充分考虑水泥受潮劣化等因素， 缺乏对受潮水泥 、 特别是轻微受潮水泥( 不影响使用 ) 对混 凝土力学性能影响 的系统研究 。 同时， 除一般的静态荷载外 ， 混凝土结构在工作中不 可避免的要 承受各种动态荷载的作用 ， 如地震 、 爆 炸 、 风荷 载等。 在动态荷载作用下 ， 混凝土表现出的强度和变形特性 与静态荷载作用下的强度和变形特性有一定差别 。 受潮水 泥在使用前一般仅对其配制的混凝土进行静态加载下的 强度鉴定 ， 未综合考虑动荷载作用下水泥受潮对配制的混 凝土强度、 峰值应变和弹性模量等力学特性的影响， 使得 水泥受潮对混凝土结构力学特性的影响、 特别是对动荷载 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 2 - 2 8 基金项 目：国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) ( 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 2 ) ； 国家 自然科学基金煤炭联合基金重点项 目( 5 1 1 3 4 0 1 8 ) 1 7 作用下混凝土力学特性的影响认识不充分 。 因而研究动荷 载下高强度等级水泥受潮对混凝土力学性能的影响具有 重要的理论意义和工程实用价值 。 使用室内存放中出现轻微结块现象( 鉴定水泥轻微受 潮 ) 的P O 5 2 5 级水泥， 筛分后作为凝胶材料制作强度等 级 为 C 5 0 、 C 6 0的混 凝 土试 件 。 对 试 件进 行 加 载速 率 从 0 0 0 2 7 m n ff s 的动态单轴压缩试验 ， 对 照未受潮水泥在相 同条件下制作 、 养护的 C 4 0 、 C 5 0 、 C 6 0 混凝土试件的单轴压 缩试验 ， 探究动态加载下水泥受潮对混凝土试件单轴抗压 强度 、 峰值应变 、 弹性模量及应力一 应变关系 曲线等力学特 性 的影响。 1试 验 概 况 1 1 试 验 设 备 试验在 四川 大学 水利水 电学院 MT S 8 1 5型程控伺服 混凝土与岩石力学试验系统上进行 ， 如 图 1 所示 。 MT S 8 1 5 型程控伺服混凝土与岩石力学试验 系统为全数字计算机 自动控 制系统 ， 可实 时记 录荷载 、 应力 、 位移 和应变值 ， 并 同步绘制荷载一 位移 、 应力一 应变关系曲线。 图 1 MT S8 1 5型程控 伺 月 暖 试 验 系统 1 2 试件制备 以四川峨 眉山牌普通硅酸盐水泥作为配制混凝 土的 凝胶材料 ， 粗骨料采用最大粒径 为 1 5 1 1 1 1 1 的碎石 ， 细骨料 采用中砂， 拌和用水为当地饮用水， 按表 1 所示的不同强 度等级混凝 土的配合 比， 制作直径 1 0 0 11 1 1 1 3 、 高 2 0 0 r n n l 的 标准圆柱形试件进行试验。 表 1 不 同强度等级混凝土配合比 k g m 根据 普通混凝土力学性能试验方法标准 3 】 和 水工 混凝土试验规程 中的相关方法对混凝土试件进行成型和 养护， 成型 2 4 h后拆模， 在室内标准养护 2 8 d 后进行单轴 压缩试验。 1 3 试验方案 分别以0 0 0 2 、 0 0 2 、 0 2 、 1 、 7 m m s 的加载速率 ， 对同一 受潮水泥制作的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土试件以及未受潮水泥制 作的 C 4 0 、 C 5 0和 C 6 0 混凝土试件进行单轴压缩试验。 共 进行了 2 5 组( 每组试验含 3 块试件 ) 、 7 5 块试件的压缩试验。 1 R 以0 0 0 2 m m s 的速率作为准静态加载速率( 对应应变速率 约 为 1 s ) ， 其抗 压强度为准静 态抗压强度 ， 试验时试件 均加载至残余强度 阶段阎 。 2 试验 结果与分析 2 1 水泥 受潮对 混凝土抗压 强度 的影 响 不同加载速率下各组混凝土试件单轴抗压强度的平均 值如图2和表 2 所示。 由图 2 、 表2可知， 在准静态加载速率 下受潮水泥配制的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土抗压强度低于未受潮水 泥配制的混凝土抗压强度， 并略低于低一级强度等级混凝土 的抗压强度 。 同一受潮水泥配制的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土在准静 态加载下的强度分别低于其设计强度值 1 0 8 和 2 1 9 ， 结 合表 1 中混凝土的配合 比可知， C 6 0 混凝土的水泥用量仅略 多于 C 5 0 混凝土 ， 表明同一水泥配制的混凝土强度等级越 高， 水泥受潮对静态加载下混凝土强度降低的影响越大。 混 凝土结构在正常使用过程中以承受静态荷载为主， 同一水泥 配制的混凝土强度越高 ， 水泥受潮对混凝土结构强度降低的 影响越显著 ， 在工程的重要部位应禁止使用受潮水泥。 加载速 度 ( mini s ) ( a ) C 5 0 试件 加载 速度 ( ram s ) ( b ) C 6 0 试件 图2不同加载速率下各混凝土抗压强度 表 2 抗压强度平均值 MP a 随着加 载速率从 0 0 2 m m s 提高至 7 m m $ ， 受潮与未 受潮水泥配制 的混凝 土抗压强度均有增大的趋势 。 受潮与 未受潮水泥制作的C 5 0试件抗压强度平均值之差随加载 速率的提 高变化不大 ， 介于 4 5 4 5 8 7 MP a ， 受潮水泥相对 未受潮水泥制作的试件强度降低 7 5 l 1 0 。 在各动态 加载速率下 ， 受潮水泥制作 的 C 5 0混凝 土试件强度略低 于 C 4 0 混凝土试件 ， 二者强度平均值之差介于 0 6 4 3 1 2 MP a 。 即受潮水泥配制的中等强度混凝土( c 5 o混凝土) 在各加 载速率下强度相对稳定， 但因强度降低幅度未知 ， 在降低 强度等级使用时应对强度进行试验鉴定 。 受潮与未受潮水泥制作的 C 6 0 试件强度平均值之差 随加载速率 的变化差别较大 ， 加载速率从 0 0 2 mm s 增 至 7 mm s ， 强度平均值降低 7 5 2 0 _ 3 。 当加载速率为 1 mr r l s 时受潮水泥比未受潮水泥配制的混凝土强度平均值低 5 1 5 MP a ， 7 mm s 的加载速率下受潮水泥 比未受潮水 泥配 制 的混凝土强度平均值低 1 5 2 2 MP a ， 且 7 ml T l S 时试件平 均抗压强度低 于 1 m m s 时 的平 均强度 。 表 明受潮水泥配 制的高强度 混凝土 ( C 6 0 混凝土 ) 力学性质不稳定 ， 在不 同 加载速率下混凝土的强度变化较大 ， 水 泥受潮对高强度混 凝土的影响更不利 。 同一受潮水泥配制 的 C 6 0混凝土相对 C 5 0 混凝土在 准静态加载速率下强度提高 2 8 ， 在 0 0 2 7 l q m f s 的加载 速率下强度提高 6 6 1 9 8 。 未受潮水泥配制的C 6 0 混 凝土相对 C 5 0 混凝土在准静态速率下强度提高 1 6 4 ， 在 O 0 2 7 r n m f s 的加载 速率 下强度提 高 1 2 6 2 3 8 。 混凝 土强度 随加载速率的变化满足一定 的对数关系 ， 拟合式和 相关系数如表 3 所示 。 从中可 以看出， 受潮水泥配制的混凝 土抗 压强度拟合式 的相关 系数更小 ， 平均强度随加载速率 变化 的离散 陛更大。 混凝土强度等级越高 ， 强度随加载速率 增加 而增长的速度越快 ， 受潮水 泥配制 的混凝土强度随加 载速率增长而增长的速度介于低一级强度等级混凝土与 未受潮水泥配制混凝土的强度增长速度之间。 表 3 抗压强度与加载速率拟合式 2 2 水泥受潮对混凝土峰值应变的影响 各组试件峰值应力时的应变平均值统计结果如表 4 所示。 由表 4 可知， 混凝土单轴压缩试验的峰值应变很小， 混凝土的峰值应变随加载速率 的增加有增 大的趋势 ， 在同 一 加载速率下受潮水泥配制的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土峰值应变 平均值低于未受潮水泥配制混凝土的峰值应变平均值。 在 准静态加载下受潮水泥配制 的 C 5 0 、 C 6 0 混凝 土峰值应 变 降低幅度较大 ， 分别为 6 9 和 5 8 ， 表明受潮水泥配制的 混凝土在静态荷载作用下产生较小的应变时即发生破坏。 在中低 加载速率 ( 0 0 0 2 1 m m s ) 下 ， 受潮水泥配制 的 混凝土峰值应变随加载速率的增加逐渐增大 ， 其峰值应变 相对未受潮水泥配制混凝土的峰值应变降低的幅度减小 ， 在 1 m m s 时C 5 0 、 C 6 0 混凝土峰值应变的降幅分别为 O 5 和 4 4 。 当加载速率为 7 mm s 时， 峰值应变降幅为 4 6 和 l 6 8 ， 且 7 m m s 时受潮水 泥配制混凝 土的峰值应变低于 1 m m s 时的峰值应变。 表明受潮水泥制作的试件在较高的 加载速率下会发生突然破坏 ， 破坏时的应变低 于中低加载 速率时的应变 ， 即水泥受潮会降低混凝土在冲击荷载作用 下的抗冲击性能 。 表 4 峰值应变平均值 l 0 2 3 水泥受潮对 混凝土割线模量 的影响 对试验数据整理分析发现 ， 混凝土试件承受 的应力在 抗 压强度 的 2 0 7 0 之间 时其 应力 应变 近似成线 性关 系， 试验取 O 5 倍抗压强度处的应力应变曲线割线模量进行 分析 ， 如图3 和表 5 所示。 可以看出， 混凝土割线模量随加 载速率的增加而增大 ， 水泥受潮使试件在相同加载速率下 的割线模量低于未受潮水泥制作试件的割线模量 ， 甚 至略 低 于未受潮 的低一级强度等级混凝土试件的割性模量 ， 在 各 加载速 率下受 潮水泥相对未受 潮水 泥配制 的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土割线模量低 8 1 0 。 加载速度 ( mm s ) f a ) C5 0 试件 加载 运厦 ( ram s ) ( b ) C 6 0 试件 图 3 混凝土割线模量平均值 通过线性 回归 ， 割线模量与加载速率满足一定 的对数 关系， 如表 6所示。 由表 6 可知， 受潮水泥制作试件的割线 模量增长速度低于未受潮水泥制作试件的割线模量增长 速度。 与单轴抗压强度和峰值应变不同， 受潮水泥试件的割 线模量在准静态加载及较高加载速率下的变化趋势与未 受潮水泥试件相似， 表明混凝土的割线模量比较稳定， 水泥 受潮对割线模量的影响相对较小。 1 9 表 5 割线模量平均值 G P a C40 C5 O C 5 0潮 C6 O c 6 0潮 E = 0 2 7 7 In( ) +1 4 7 1 7 E = 0 2 8 7 1 n ( x ) + 1 5 1 8 1 E = 0 1 9 0 in( x ) +l 4 0 0 3 E = 0 3 2 9 1 n ( x ) + 1 6 2 0 2 E = 0 2 6 2 I n ( ) +1 4 5 8 7 R 9 4 8 R 8 8 3 R2 =-0 7 6 5 Rz - -_ 0 9 5 9 R2=-0 91 2 2 4 水泥受潮对应力一 应变关 系曲线的影响 对试验数据整理分析发现， C 4 0 , - C6 0 的中高强度混凝 土试件在不同加载速率下的应力一 应变关系曲线类似， 如 图4 所示。 由图4可知， 中高强度混凝土的应力一 应变关系 曲线 主要分为压密 阶段 、 弹性变形阶段 、 破坏阶段和残余 强度 阶段等 四个 阶段 。 应力一 应变关系 曲线的塑性变形阶 段 不明显 ， 即随着应力 的增大 ， 当试件 内部 出现平行于最 大 主应力方 向的微裂隙时试件就接近破坏。 8 0 7 0 日 6 0 山 5 O o 出 3 0 2 0 l0 0 0 01 ) 2 U 0 04 0 01 ) 6 U UU 应变 8 图 4 应力一 应变关系曲线 同时 ， 相同配合 比的受潮与未 受潮水泥制作 的中高强 度的 C 5 0 、 C 6 0 混凝土试件， 在各加载速率下的破坏形式相 同， 均呈脆性破坏。 结合表 2中的数据 ， 受潮水泥制作的C 5 0 混凝土试件在各加载速率下与 C 4 0 混凝土试件强度接近 ， 但表现出不同的破坏形式 。 C 4 0 混凝土试件在较低 的加载 速 率( 0 0 0 2 ,- -0 2 m1 s ) 下 呈延性破坏 ， 如 图 4中 C 4 0 a所 示 ， 在较高的加载速率 ( 1 、 7 mm s ) 下则呈脆性破坏 ， 如图 4 上接第 1 6页 【 6 3 】 陈广智， 孟世强， 阎培渝养护条件和配合比对活性粉末混凝土 变形率的影o l J 1 工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 9 ) ： 6 3 6 5 【 6 4 何峰， 黄政宇， 易伟建 活性粉末混凝土的耐酸性 J 自然灾害学 报， 2 0 1 1 ， 2 0 ( 2 ) ： 4 4 4 9 【 6 5 方志， 向宇钢纤维含量对活性粉末混凝土抗疲劳性能的影响 J 湖南大学学报： 自然科学版， 2 0 1 1 ， 3 8 ( 6 ) ： 6 - 1 2 【 6 6 】 余自若， 安明酷， 阎贵平 活性粉末混凝土的疲劳性能试验研究叨 中国铁道科学， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 5 4 O 2 O 中 C 4 0 b 所示 ，而受潮水泥制作的 C 5 0 试 件在各加载速率 下均 呈脆性破坏 。 表明水 泥受潮会 降低 混凝 土的强度 ， 但 未改变混凝土的破坏形式。 3结 论 ( 1 ) 水泥受潮会降低混凝土的强度 ， 在实际工程中降 强度等级使用时须对强度进行试验鉴定。 水泥受潮在静态 加载及较高加载速率下对混凝土强度的影响较大 ， 中低加 载速率下对强度 的影响相对较小 ， 水泥的受潮会降低混凝 土强度随着加载速率提高的增长速度。 同一受潮水泥配制 的混凝土强度等级越高 ， 在不 同加载速率下混凝土的强度 变化越大 ， 水泥受潮使混凝土的力学性质越不稳定。 ( 2 ) 在同一加载速率下受潮水泥配制混凝土的峰值应变 低于未受潮水泥配制混凝土的峰值应变。 在静态加载下受潮 水泥配制混凝土破坏时的应变较小 ， 在 中低加载速率下随着 加载速率的增加， 峰值应变逐渐接近未受潮水泥配制混凝土 的峰值应变， 在较高的加载速率下受潮水泥配制混凝土会发 生突然破坏 ， 破坏时峰值应变低于中低加载速率时的应变。 ( 3 ) 水泥受潮会 降低混凝土的割线模量 ， 使割线模量接 近或略低于未受潮 的低一级强度等级混凝土 的割线模 量。 随着加载速率的提高 ， 受潮水 泥配制混凝土的割线模量的 增长速度低 于未受潮水泥 配制混凝土割线模量 的增 长速 度， 但变化趋势类似， 混凝土的割线模量随加载速率的变化 比较稳定 ， 水泥 的受潮对割线模量的不利影响相对较小 。 ( 4 ) 中高强度混凝 土的应力一 应变 曲线 中塑性变形 阶 段不明显 ， 试件的破坏以脆性破坏为主。 水泥的受潮会降低 混凝土的强度 ， 但未改变混凝土的破坏形式 。 参考文献 ： 【 1 】黄俊雄 建筑施工中混凝土工程常见问题【 J 山西建筑 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 1 4 8 -1 4 9 【 2 】余兵 论我国散装水泥业发展的重要性 J 】 现代商贸工业， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 3 7 3 8 3 1 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准f S 】 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 4 D L r I 5 1 5 0 - 2 0 0 1 ， 水工混凝土试验规程【 s 】 北京： 中国电力出版 社 ， 2 0 0 2 5 】董毓利， 谢和平， 赵鹏 不同应变率下混凝土受压全过程的试验 研究及其本构模型f J 1 _水利学报， 1 9 9 7 ( 7 ) ： 7 2 7 7 作者简介： 邓霁伟 ( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 ， 主要研究方向为水 利工程、 地下工程。 联系地址 ： 四川省成都市四川大学望江校区水利水电学院 A座 4 0 2 ( 6 1 0 0 6 5 ) 联系电话： 1 3 5 4 0 8 2 3 2 3 1 【 6 7 】 石成恩， 周瑞忠， 姚志雄 活性粉末混凝土弯曲疲劳寿命研究 J 】 福州大学学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 4 ) ： 5 0 5 5 0 8 作者简介： 王月( 1 9 8 8 一 ) ， 女， 博士研究生， 主要从事新型材料与 结构研究。 联系地址 ： 北京市海淀区上园村 3 号 北京交通大学土木建筑工 程学院( 1 0 0 0 4 4 ) 联系电话 ： 1 3 8 1 0 4 3 7 7 4 3