不同应变速率下混凝土单轴受拉特性试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 6期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 1 ( To t a l No2 6 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEoR ETI 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 1 0 6 0 4 9 不同应变速率下混凝土单轴受拉特性试验研究 孙吉 书，窦远明，李岩峰 ，王继兴 ( 河北工业 大学 土木工程学 院，天津 3 0 0 4 0 1 ) 摘要 ： 混凝土结构在使用过程 中均会受到动态荷载作用 ， 混凝土的动态力学特性 与静态情 况下 有很大的不同。 应用 MT S试验机 ， 对 C 4 5 混凝土在应变速率为 1 0 5- 1 0 t S 范围内进行单轴动态拉伸试验， 全面系统的介绍 r混凝土动态受拉试验设备和试验方法。 系统研究 了 不同应变速率下混凝土的抗拉强度 、 弹性模量 、 峰值应变等抗拉力学特性 ， 并给出了不同应变速率下混凝土抗拉强度 、 弹性模量 的计算公 式 。 试验结果表明 ： 混凝土抗拉强度 、 峰值应变随着应变速率 的增加而增加 ， 泊松 比离散性 比较大 ， 增加趋势不明显。 这些成果可以为混凝 土结构 的动态设计提供一定的理论基础和技 术参数。 关键词 ： 混凝土；抗拉特性；应变速率 ；试验研究 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 1 ) 0 6 0 0 4 9 0 3 E xpe r i men t al s t ud y on t h e t en s i l e pr o per t i e s of c on c r e t e und er diffe r en t s t r ai n r a t e s SUN J i s h u ， DOU Yu a n mi n g， LI Ya h f e n g， W ANG J i - x i n g ( S c h o o l o f C i v 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 y o 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 ) A b s t r a c t ： C o n c r e t e s t r u c t u r e s u n e v i t a b l y a r e s u b j e c t e d t o d y n a mi c l o a d s T h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e u n d e r d yna mi c l o a d s d i ff e r f r o m t h a t u n d e r s tat ic l o a d s g r e a t l y D y n a mi c d i r e c t t e n s i l e t e s t s o f c o n c r e t e s p e c i me n s( C4 5 ) a r e c a r r i e d o u t o n MT S ， wi t h t h e u n i a x i a l s t r a i n r a t e r a n g i n g fro m 1 0 一 S 一 t o 1 0 S - I Te s t e q u i p me n t a n d t e s t me t ho d u n d e r d yn a m i c l oa d s a r e i n t r o d u c e d Th e t e n s i l e p r o p e rti e s o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t s t a i n r a t e s ， wh i c h i n c l u d e t e n s i l e s tr e n g t h， e l a s t i c mo d u l u s a nd p e a k s t r a i n， a r c s t u d i e d s y s t e ma t i c a l l y Th e f o r mu l a s wh i c h c a n d e s c rib e t h e c h a n g e l a w o f t h e t e n s i l e s t r e n 【gth a n d e l a s t i c mo d u l u s o f c o n c r e t e u nd e r d i ffe r e n t t h e s t r a i n r a t e s a r e p r o p o s e d Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e n s i l e s t r e n gth， e l a s t i cmo d u l u san dp e ak s t r a i n o f c o n c r e t ewo u l di n c r e a s ewi t ht h e s t r a i n r a t ei n c r e a s i n g T h e d i s c r e t e n e s s o fP o i s s o n S r a t i oi sl a r g e r Andi t h a sn o t o b v i o u s ly i n c r e a s i n g t r e n d wi t h t h e s tr a i n r a t e i n c r e a s i n g Th e s tr e s s s t r a i n c u r v e s u n d e r d y n a m i c t e n s i l e l o a d s i s s i mi l a r a s t h a t u n d e r s t a t i c l o a d s Th e s e r e s e a r c h a c h i e v e me n t s c a n p r o v i d e U S wi t h s o me t e c h ni c a l p a r a me t e r s an d t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d yn a mi c d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e Ke y w or d s ： c o n c r e t e； t e n s i l e pr o p e r t y； s t r a i n r a t e； e x p e r i me n tal s t u d y 0 引 言 混凝土是应用最为广泛 的建筑材料之一 ， 混凝土结构在工 作过程中都不可避免的要承受各种动态荷载 的作用 ， 如地震 、 爆 炸荷载、 高层建筑和桥梁要承受的风荷载、 海岸及海洋平台受 到的海水冲击 、 混凝土路面承受车轮 的冲击等【】 1 。 而混凝土在动 力荷载作用下的力学特性 与静荷载下的特性具有很大 的差别 ， 往往混凝土在动态荷载作 用下 表现出来的性能在一定 条件下 对结构的安全性设计和可靠性设计起着决 定性 的作用 ， 尤其是 混凝土的动态受拉特性往往在地震作用时决定着结构的安全。 由于试验设备及试验技术的限制， 人们对混凝土动力抗拉试 验研究得较少2 1 。 并且 由于试验方法 、 试 验设 备的不 同， 以及试 验数据的离散性， 不同的研究人员会得出不同的结果。 B i r k i me d ， 认为当应变率为2 0 S - 时， 混凝土抗拉强度增加了 5 0 ， 当应变率 为 2 3 S 时， 抗拉强度则增加了 6 3 。 D a v i d 等人 应用Ho p k i n s o n 压力棒对混凝土进行了直接拉伸试验， 发现当应变率为 1 7 8 时 ， 混凝土动态抗拉强度是 准静态抗拉强度 的 6 4 7倍 。 闫东明等_6 I 通过直接拉伸试验 ， 得出了CI O 、 C 2 0两种强度 昆 凝土在应变率 收稿 日期：2 0 1 0 1 2 3 0 基金项目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 8 7 8 0 7 3 ) 1 0 5 - 1 0 。 S 范围内，应变率每增加一个量级 ，抗拉强度约增加 1 3 4 ， 弹性模 量也有所增加 。 P a u l 等人 对混凝土进行 了动力 抗拉试验 ， 发现混凝土的峰值应变与应变率无关。 A h ma d等人【 进行的动态试验中， 得出当应变率为3 x 1 0 S 时， 峰值应变比静 态荷载时增加了2 0 。 我国现行 水工建筑物抗震设计规范 嘲 规定 ： “ 除水丁钢筋混凝土结构外的混凝土水工建筑物的抗震 强度计算中， 混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值可较其 静态强度提高 3 0 ； 混凝土动态抗拉强度的标准值可取为动态 抗压 强度标准 值的 1 0 ” 。 而 GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ( 混凝土结构设 计规范 只给 出了混凝土在静态荷载下的强度和本构关系 ， 也 没有考虑动态荷载的影响。 因此， 进行不同应变速率下混凝土 的抗 拉强度试验 ， 对于明确混凝土 的动态力学特 性 ， 完善 单轴 应力状态下的动态本构关系， 促进混凝土结构的动态设计、 保 证结构安全具有重要的意 义。 1试 验 概 况 1 1 试验设 备 本试验采用美国MT S 一 8 1 0 N E W 液压伺服试验机。 该设备 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通过设定运行 时间 、 行程( 位移 ) 来对混凝土试件实行一定应变 率的加载 。 其施 加最 大压力为 6 5 t ， 最大拉力为 4 5 t 。 为 了能够 满足本试验的刚度要求， 在 MT S的加载头下面增加了辅助钢架 ， 辅助钢架 的下面与底座连接 ， 底座固定在混凝土支台上 ， 如 图 1 所示。 试验数据采用美国 I o t e c h公司生产的高速便捷式测试系 统( S t r a i n b o o k 6 1 6 ) 采集。 图 1 试验设备及试件装置图 1 2 试件 制备 试验采用哑铃形试件， 中间截面为边长 7 0 1 T I n l 的正方形， 两 端逐渐过渡 到边长 为 1 0 0 mi l l 的正方形 ， 中间部分 高 1 0 0 i n n l ， 试件总长 2 0 0 mm。 制备试件所用水泥为太行山牌 P O 4 2 5级 水泥， 细骨料为天然河砂( 中砂) ， 粗骨料为粒径为 5 2 0 n l n 3 的 碎石 ， 减水剂为高性能聚羧酸减水剂， 拌和水为普通 自来水。 采 用 C 4 5 强度等级进行混凝土的配合比设计 ， 混凝土的配合比设 计结果见表 1 。 表 1 混凝土的配合比 k g m3 根据 普通混凝土力学性能试验方法标准 【l 1 和 水工混凝 土试验规程 中的相关方法成型和养护混凝土试件， 试件成型 2 4h后拆模 ， 在室 内标准养护 2 8 d ， 而后在 自然条件下养护( 试 验时龄期为 9 0 d ) 。 1 3试验 方案 为量测动荷载下混凝土 的竖 向和横 向应变 ， 在试件 两个对 面中心的加载方向和垂直 于加载方 向十字形各贴一片应变片 ， 竖向选用 5 m mx l 0 0 1 T I IT I 纸基应变片， 横向选用 5 m mx 3 0I I l lT I 纸 基应变片 。 同时 ， 为 了能够准确稳定 的测 出混凝土 的纵 向变形 ， 在试件的另两个侧面上安放 L V DT 。 试验时直接拉伸试件直至 破坏 ， 拉伸设计应变率分别为 ： 1 O 、 1 0 。 、 1 0 、 1 0 S ， 并 以 1 0 S 为准静态应变率， 应变率为 1 0 S - - 时混凝土的抗拉强度为准静 态抗拉强 度。 2 试验结果与分析 2 1 应 变速 率对混 凝 土抗拉 强度 的影 响 考虑到混凝土抗拉强度试验成功率及试验数据离散性的 影响 ， 本研究对事先准备的 2 0块混凝土试件进行 了不 同应变速 率下的单轴直接拉伸试验， 其中 1 4块试件得到了较好的结果。 试验结果 如表 2所示。 从 昆 凝土的抗拉试验结果可以看出， 随着应变速率的增加， 混凝土的抗拉强度明显增大。 相对于混凝土的准静态抗拉强度 ( 应变速率为 1 0 - 5 s - i 时的抗拉强度) ， 应变率为 l o 4 、 1 0 - 3 、 1 0 S 时， 混凝土的抗拉强度分别提高了 1 0 8 、 1 8 1 和 2 4 6 。 混凝土 的抗拉强度随着应变速率 的增加而增大的主要原因为 ： 随着 5 0 表 2不同应变速率下混凝土的抗拉强度 应变率的增加， 混凝土内部裂纹产生和发展的时间越来越短， 在 破坏 时 内部裂纹来 不及通过粗骨料 与水泥砂浆结合部 位的薄 弱面， 而直接通过粗骨料， 导致混凝土骨料的破坏。 应变率越高， 混凝 土骨料破坏得越多 ， 从 而混凝土 的强度就越大 。 同时 ， 随着 应变速率的提高， 在断面上产生的碎片有增多的趋势。 这些现 象说明混凝土的脆性随着应变速率的提高而增强。 根据表 2中的混凝土抗拉强度试验数据， 做出混凝土抗拉 强度增长系数( 动态抗拉强度与准静态抗拉强度的比值) 与应 变速率的关系图， 如图 2 所示。 轻 1 磐 j撼 鳗 l g 8 图 2 混凝土抗拉强度增长 系数与应变率的关系图 从图2可以看出： 混凝土动态抗拉强度增量系数与应变率 比的对数近似成直线关系， 这与前人的研究成果相吻合。 通过线 性回归分析， 得出混凝土动态抗拉强度与应变速率之间的计算 公式如式( 1 ) ： 乃 1 0 + 0 0 8 2 l g e e R z =- 0 9 8 4 7 ( 1 ) 式 中 厂 一混凝 土动态抗拉强度 ； 混凝土准静态抗拉强度 ； s 混凝土动态应变速率 ； s 混凝土准静态应变速率。 2 2 应变速率对混凝土弹性模量的影响 一 般来讲 ， 混凝土拉应力达到拉伸强度的 4 0 6 0 前可 认为混凝土处于弹性阶段 ， 微小裂缝出现但可以忽略不计旧 。 本 试验发现混凝土在达到极限抗拉强度的 5 0 之前 ， 其应力 与应 变之间接近线性关系， 故本试验取抗拉强度 5 0 时的割线斜率 为弹性模量。 经试验计算得出 C 4 5混凝土不同应变速率时的弹 性模量值如表 3 所示 。 表 3 不 同应变速率下混凝 的弹性模量 从表 3可以看出， 混凝土的弹性模量随应变速率的增大而 增大， 若以 1 0 S 时弹性模量为混凝土的准静态弹性模量， 则 当应变速率为 1 0 、 1 0 - 3 、 1 0 t S - 时， 混凝土的弹性模量分别提高 了 3 3 、 7 1 和 1 7 7 。 经线性 回归得出弹性模量 比与应变速 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 率的关 系如式( 2 ) 。 E E = 1 0 + 0 0 5 1 I g e e R2 = 0 8 4 9 1 【 2) 式中 ： E 混凝土动态弹性模量 ； 混凝土准静态弹性模量； s 混凝土动态应变速率； 混凝土准静态应变速率。 2 3 应变速率对混凝土峰值应变的影响 对于混凝土受拉峰值应变到 目前 为止还没 有形成一个统 一 的结论 ， 有些研究者 认 为峰值应变随着应变速率的增大而 增大； 另外一些研究者【 为随着应变速率的增加 ， 峰值应 变没 有明显变化。 本试验得出的结果与文献【 6 的结论相似， 峰值应变 随着应变速率的增大而增大， 峰值应变比( 动态峰值应变与准 静态峰值应变的比值) 与应变速率之间有如下关系： 8 p 1 0 + 0 6 6 4 1 g e e RZ =- 0 6 6 0 3 ( 3 ) 式中 ： s 混凝土动态抗拉 强度 ； 8 混凝土准静态抗拉强度； 混凝土动态应变速率 ； 氏混凝土准静态应变速率。 2 4 应 变速率 对混凝土 泊松 比的 影响 一 般认为 ， 随着应变速率的增加， 混凝土内部的微裂缝可 能减少， 其泊松比会有所增加， 通过对试验数据的分析计算， 得 出不同应变速率下 C 4 5 混凝土的泊松比如表 4所示。 表 4 不同应变速率下混凝土的泊松 比 从表 4中的数据可以看出 ， 混凝土的泊松 比介于 0 1 5 - 0 3 0 之间， 数据离散性较大。 平均值介于 O 1 8 - 0 2 1 之间， 混凝土的 自 松 比与应变速率之 间没有明显的规律性关 系， 即混凝 土泊松 比不 会随应变速率 的增加而 明显 变化 。 建议 采用 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 0 2 规定的 0 2 。 应变 率为 1 0 、 l 0 和 1 0 t s - i 时 ， 混凝土的抗拉 强度分别提高了 1 0 8 、 1 8 1 和 2 4 6 。 ( 2 ) 随着应 变速率的增大 ， 混凝土的弹性模量 明显提高 。 当 应变速率为 l 0 、 l 0 。和 1 0 s 。 。 时， 混凝土的弹性模量分别提高 了 3 3 、 7 1 和 1 7 7 。 ( 3 ) 随着应变速率的增大， 混凝土的峰值应变有增加的趋势。 ( 4 ) 混凝土的泊松比不会随应变速率的增大而明显变化。 ( 5 ) 混凝土的抗拉强度增长系数 、 弹性模量 比、 峰值应变 比 与应变率比的对数呈线性关系。 可分别用公式( 1 ) ( 3 ) 表示。 参考文献： 【 1 罗玉峰 在应变率影响下混凝土单轴抗压强度试 验研究 D 】 天津 ： 河 北工业大学， 2 0 0 9 【 2 12 肖诗云， 林皋， 王哲， 等 应变率对混凝土抗拉特性影响【 J J 大连理工 大学学报， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 6 ) ： 7 2 1 7 2 5 【 3 】B I RK I ME R D L ， L I N D E R MA N N R D y n a mi c t e n s i l e s t r e n g t h o f c o n c r e t e ma t e r i a l s J AC I J 1 9 7 1 ， 6 8 ( 8 ) ： 4 7 4 9 f 4 D AV I D E L ， R O S S C A S t r a i n r a t e e f f e c t s o n d y n a mi c f r a c t u r e a n d s t r e n g t h 团I n t e r n a t i o n al J o u r n a l o f I mp a c t E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 0 ( 2 4 ) ： 9 8 5 - 9 9 8 5 】R O S S C A， D A VI D M J ， J I S E P H W T ， e t a 1 Mo i s t u r e a n d s t r a i n r a t e e f - f e c t s o n c o n c r e t e s t r e n g t h J AC I Ma t e ri a l s J o u r n a l ， 1 9 9 6， 9 3 ( 3 ) ： 2 9 3 - 3 0 0 【 6 】 闫东明， 林皋， 王哲， 等不同应变速率下混凝土直接拉J 申 试验研究m 土木工程学报 ， 2 0 0 5 ， 3 8 ( 6 ) ： 9 7 1 0 3 【 7 P A U L F M， K E N P V， RO B E R T A C D y n a mi c t e n s i l e - c o mp r e s s i v e b e - h a v i o r o f c o n c r e t e J AC I J o u r n a l ， 1 9 8 5 ， 8 2 ( 4 ) ： 4 8 4 4 9 1 8 A HMA D S H， S HA H S P B e h a v i o r o f h o o p c o r ff i n e d c o n c r e t e u n d e r h i g h s t r a i n r a t e s J A C I J ， 1 9 8 5 ， 8 2 ( 5 ) ： 6 3 4 6 4 7 【 9 】 D L 5 0 7 3 -2 0 0 0 ， 水工建筑物抗震设计规范【 s 】 北京： 中国电力出版 社 ， 2 0 0 1 1 0 G B 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范f s 】 E 京 ： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 2 1 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 s 】 京： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 3 【 1 2 D I J T 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 o o 2 作者简介 3结论 联系 地址 ( 1 ) 随着应变速率的增大， C 4 5混凝土的单轴抗拉强度明 显提高。 以应变速率 1 0 s 一时的抗拉强度为准静态抗拉强度， 上接第 4 8 页 l 5 】I HE K WA B A N M， HO P E B B， e t a 1 P u l l - o u t a n d b o n d d e g r a d a t i o n o f s t e e l r e b a r s i n E C E c o n c r e t e J C e m e n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h ， 1 9 9 6 ( 2 6 ) ： 2 6 7 2 8 2 6 】R O S E G E D e s a l i n a t i o n a r e v i e w o f r e s e a r c h o n p o s s i b l e c h a n g e i n t h e s t e e l t o- c o n c r e t e b o n d s t r e n gth P r o c e e d i ng o f t h e i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n r e p a i r o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s C S v o l v e r ， N o r w a y ， Ma y ， 1 9 9 7 3 0 9 3 1 8 【 8 】N A T E S A Y E R K P h DT h e s i s C o r n e l l U n i v e r s i t y ， 1 9 9 0 9 】P A GE C L， Y U S W P o t e n t i al e f f e e ts o f e l e c t r o c h e mi c a l d e s ali n a t i o n o f c o n c r e t e o n a l k al i - s i l i c a r e a c t i o n J Ma g C o n c r R e s ， 1 9 9 5 ， 4 7 ( 1 7 0 ) ： 2 3 2 7 1 o 吕忆农， 朱雅仙， 等电化学脱盐对混凝土碱集料反应的影响f J 1 南京 工业大学学报， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 6 ) ： 3 5 4 0 f 1 1 MI L L E R J B ， N U S T A D G E E ff e c t o f e l e c t r o c h e m i e al t r e t me n t o n s t e e l 一 联系电话 孙吉书( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授， 博士生， 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 ) l 3 8 2 01 6 7 5 5 9 t o - c o n c r e t e b o n d s t r e n g t h J E n g i n e e ri n g S o l u t i o n t o I n d u s t ri a l C o o o - s i o n P r o b l e ms ， N a c e ， S a n d e fj o r d ， 1 9 9 3 ( 4 9 ) U2 李全尧 ， 张金峰 电化学除盐对钢筋一 混凝土界面黏结力的影响【 J 】 _ 山 西建筑 ， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 1 7 8 1 7 9 【 1 3 O R E L L A N J C， E S CA D E I L L A S GE l e c t r o c h e mi c al c h l o r i d e e x t r a c t i o n ： e ff i c i e n c y a n d s i d e e f f e c t s ， 【 J C e m e n t a n d c o n c r e t e r e s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 2 2 7 - 2 3 4 1 4 李森林 电化学脱盐处理对钢筋一 砂浆体系影响的研究【 D 南京： 南 京水利科学研究院， 2 0 0 1 作者简介 联系地址 联系电话 郑秀梅( 1 9 7 6 一 ) ， 女， 副教授， 主要从事高性能与智能混 凝土 的性能研究 。 佳木斯大学建筑工程学院( 1 5 4 0 0 7 ) 1 3 9 45 4 7 6 8 8 3 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m