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成盛等： 矿粉对混凝土弯拉破坏性能的影响分析 1 7 矿粉对混凝土弯拉破 坏性 能的影响分析 成盛 ， 陈祥 ， 王狄龙。 ， 袁静 ( 1 浙江大学建筑工程学院。 杭州3 1 0 0 5 8 ； 2 杭州钱江经济开发区管理委员会 杭州3 1 1 1 0 0 ； 3 浙江省天和建材集团有限公司。 杭州3 1 0 0 0 9 ； 4 杭州市建筑设计研 究院有 限公司 杭 州3 1 0 0 0 1 ) 【 摘要】 针对混凝土的抗裂性能， 研究了混凝土弯拉强度与特征拉应变随龄期的发展趋势。根据实验所 得的混凝土弯拉应力 一弯拉应变关系， 提出了确定混凝土弯拉初裂拉应变的新方法即曲率法， 利用切线模量法确 定混凝土的弯拉极限拉应变 ， 结合弯拉试验方法， 研究了矿粉对混凝土 l 6 o d龄期的弯拉强度、 弯拉初裂拉应变 以及弯拉极限拉应变的影响。根据试验研究表明利用应变准则更能充分描述混凝土的开裂过程。 【 关键词】 弯拉强度； 特征拉应变； 初裂拉应变； 极限拉应变 ； 混凝土； 矿粉 【 中图分类号】 T U 5 2 8 0 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 1 7 0 3 nANA I S I s 0lF唧s | AD D叨1 ON 唧 】 l 三 F oR C0NCR ET E XI 瓜AI B R EACH P 】 DRMANC =E C H E N G S h e n g ， C H E N x a and， W A N G D i l o n g 3 ， Y U AN J in g 4 ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ，H a n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ，C h i n a ； 2 Q i a n j i a n g E c o n o m i c D e v e l o p m e n t Z o n e Ma n a g e m e n t C o m m i t t ee o f H a n g z h o u ， mngz h o 3 1 1 1 0 0 ，C h i n a ； 3 Z h e j i a n g T i a n h e B u i l d i n g M a t e ri a l s G r o u p C o ，L t d ，H a n g z h o u 3 1 0 0 1 2 ，C h i n a ； 4 H ang z h o u A r c h i t ect u r a l D e s i g n&R e s e a r c h I n s t i t u t e L t d ，n a l O U 3 1 0 0 0 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d e v e l o p me n t o f t e n s i l e s t r a i n c a p a c i ty and fl e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e w i t h c u r i ng a g e w a s s t u die d f o r t h e a n t i c r a c k i ng p e rf o r ma n c e of c o n c r e t e B a s e d o n t h e e x p e r i me n t r e s u l t s of t h e r e l a ti o n o f c o n c r e t e fl e x u r al t e n s i l e s t r e s s fl e x u r al s t r a i n ， t h e n e w me t h o d o f c u r v a t u r e me thod i s p r o ms e d t o d e t e r mi n e the c ri t i c a l fl e x u r a l s t r a i n o f c o n c r e t e ，a n d the t a nge n t mo d u l u s me tho d i s u s e d t o d e t e r mi n e the u l t i ma t e t e n s i l e s f J n o f c o n c r e t eT h e i n fl u e n c e s of s l a g a d diti o n o n the fle x ur a l s t r e n g t h ， c r i ti cal t e n s i l e s t r a i n a n d u l t i ma t e t e n s i l e s t r a i n o f the c o n c r e t e f r o m l d t o 6 0 d w e re i n v e s t i g a t e d i n fl e x u r a l t e s t s T h e fl e x u r a l t e s t s h o we d tha t s t r a i n c ri t e ri a c a n m o re a d e q u a t e l y d e s c r i b e the p r o c e s s o f c o n c r e t e c r a c k i ng Ke y wo r d s： fl e x u r a l s t r e n g t h； c h a r a c t e ris t i c t e n s i l e s t r a i n；c r i ti c a l t e m i l e s t r a i n；ult i ma t e t e n s i l e s t r a i n； c o n c r e t e； s l a g 混凝 土的早期 开裂 一直 是工 程 界难 以克服 和控 制的难题， 混凝土的早期裂缝对混凝土结构的外观、 耐久性乃至安全性都将产生不利影响， 早龄期混凝土 的抗裂性能也成为混凝土学科研究的热点- 1 。 许多学者 2 , 3 3 研究表明： 混凝土的开裂更加依赖 于混凝土的拉应变， 采用应变准则能更好预测混凝土 的开裂。因此 ， 混凝土特征拉应变研究是混凝土抗裂 研究的重要内容。混凝 土特征拉应变包括初裂拉应 变与极限拉应变两部分 J ， 混凝土的初裂拉应变是混 凝土在外界荷载作用下由弹性状态进入弹塑性状态 的临界值， 标志着混凝土内部的微裂纹开始产生。混 凝土的极限拉应变是混凝土在破坏时的拉应变即混 凝土的极限拉伸值。对混凝土特征拉应变的研究一 般采用轴拉或者弯拉的试验方法。虽然轴拉试验能 在混凝土截面上产生均匀的拉应力， 国内外学者提出 了许多轴拉的试验方法【 5 】 ， 但是轴拉试验存在许多缺 点 ， 比如对试验仪器要求特别高， 试件难 于对 中以及 试验成功率较低等【 6 。研究表明， 在实际工程 中， 混 凝土均匀受拉 的情况较少， 更多情况下， 混凝 土构件 的开裂与弯拉过程相似【 7 】 。因此 ， 采用弯拉试验方法 研究混凝土的特征拉应变更加合理。 本文采用弯拉试验方法， 研究 了普通混凝土和掺 矿粉混凝土的特征拉应变与弯拉强度在 1 6 0 d的发 展规律， 提出确定混凝土初裂拉应变的新方法。 1 试验简介 1 1 试验原材料与混凝土的配合比 1 8 低温建筑技术 2 0 1 0年第 4期( 总第 1 4 2期) 原材料 ： 湖北华新水泥厂生产 P O 5 2 5 普通硅酸 盐水泥； 天然砂( 细度模数 2 6 4 ) ； 破碎石灰石( 最大粒 径 2 0 m m ) ； $ 9 5 级磨细矿渣 ， 比表面积 4 5 0 m 2 k g 。 为了研究矿粉对混凝土弯拉强度和特征拉应变 的影响， 采用矿渣替代 5 0 的水泥， 混凝土材料的配 合 比如表 1 所示 。 表 1 混凝土配合比 k g m 1 2 试件的制备与试验仪器 每个配合 比制备 l 8 个尺寸为 1 0 0 ra m1 0 0 ra m 4 0 0 m m的混凝土试件， 试件在成型 1 6 h 后拆模进行标 准养护， 分别用于 1 、 3 、 7 、 1 4 、 2 8 、 6 0 d龄期的弯拉试验。 每次试验前 8 h 取出 3 个试件进行干燥， 试验前 6 h 在 每块试件底部与轴线平行的方向上贴 3块应变片， 应 变片的分布如图 l 所示。应变片与应变测试仪分别为 B X 1 2 0 2 8 0 A A型 电阻应变计 与 T S 3 8 9 0型程 控静态 电阻 应变仪， 应变测试系统每秒采集一个应变数据并与计 算机连接以存取数据。试验方法参照中华人民共和 国国家标准 G B T 5 0 0 8 1 2 2 0 0 2 ( ( 普通混凝土力学性能试 验方法标准 。 A 5 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0。 50 8 3 。 图 1应变片的分布图 2 试验结果与讨论 图3中 O A B曲线为弯拉试验中根据计算机采集 数据得到的一条混凝土弯拉应力 一弯拉应变关系曲 线， 从混凝土材料的宏观力学特征分析， 混凝土的弯 拉应力 一弯拉应变曲线在达到弯拉初裂应变 A点前， 混凝土处在弹性状态， 弯拉应力随弯拉应变增长几乎 成线性增长， 当拉应变超过弯拉初裂应变 A点后， 混 凝土表现出明显的非线性状态， 弯拉应力增长缓慢 ， 而弯拉应变增长较快， 当接近弯拉极限拉应变 B点 时， 弯拉应力几乎不增长， 弯拉应变迅速增长直至试 件破坏 。 2 1 混凝土不 同龄期 的弯拉应力 通过弯拉试验得到混凝土的破坏荷载值， 忽略混 凝土试件白重产生的弯矩的影响( 自重产生的弯矩为 荷载产生的弯矩的 l ) ， 混凝土斌件加载点间受纯弯 曲作用， 加载点间各点的弯矩相同。混凝土试件底部 边缘受纯拉作用， 由材料力学的受弯理论 ， 混凝土弯 拉强度可以通过下式计算得到 ： F l ， R 其中， 为抗弯强度( M P a ) ； F为破坏荷载( N) ； f 为支座间距 ( ra i n ) ， 本 文 z =3 h ； b为试件截 面宽度 ( 舳 ) ； h为试件截面高度( 一 ) 。 混凝土不同龄期的弯拉强度如图 2 所示， 试验结 果表明， 混凝土的弯拉强度随着龄期的增长趋势基本 相同， 掺矿粉混凝土的弯拉强度低于普通混凝土的弯 拉强度， 1 4 、 2 8 、 6 0 d 龄期时掺矿粉的混凝土比普通混凝 土的弯拉强度分别低 0 6 9 、 0 7 8 、 0 7 2 M P a 。在 6 0 d时 掺矿粉的混凝土的弯拉强度比普通混凝土低 l 5 1 ， 差距较为明显。 5 日 4 羔 3 2 U 2 0 4 0 6 0 图 2 混凝土不 同龄期的弯拉强度 2 2 混凝土不同龄期的弯拉初裂拉应变 对试验曲线进行数据化处理 ， 根据计算机采集的 应力应变值， 由小到大记为( 。 ， e 1 ) ， ( 2 ， e 2 ) ， ， ( ， ) ， 对 n 个数据点组成的 n 一1 段分段插值 ， 设得到的 弯拉应力 一弯拉应变的函数形式为 = f ( e ) ， 以应变 e为横坐标 ， 对应的应力 仃为纵坐标绘于图3 。 4 3 罨 2 b 1 0 O 0 ( ) 4 O 0 O 2 0 O 0 0 一O 0 0 2 一 n 0 o4 0 5 0 1 0 0 l 5 U ZU u 2 5 0 ， t e 图3 混凝土弯拉应力 一应变 曲线的二阶导数 本文采用曲率法确定混凝土的初裂拉应变， 其基 本原理是： 对e 求二阶导数得到函数各点的曲率， 函 数曲率曲线可见图 3 。其绝对值最大值处表示该点处 的曲率半 径最 小 ， 即 曲线 在此 处 变化速 率 最快 ， 所 以 此处对应的弯拉应变 为混凝 土的弯拉初 裂 拉应 变 ， 即 曲率曲线的中 C点所对应的弯拉应变为弯拉初裂拉 应变， 而根据弯拉初裂拉应变值就可以对应确定混凝 土弯拉应力 一弯拉应变曲线的 A点， A点 即混凝土从 成盛 等： 矿粉对混凝土弯拉破坏性能的影响分析 1 9 弹性状态进 入弹塑性状态的临界 点。 混凝土不同龄期的弯拉初裂拉应变如图 4所示。 试验结果表明， 掺矿粉的混凝土弯拉初裂应变小于普 通混凝土的弯拉初裂拉应变， 普通混凝土与掺矿粉的 混凝 土在 6 0 d龄期 时 的 弯拉 初 裂 应 变分 别 为 1 3 0 1 0 ， 1 2 91 0 ， 普通混凝土在 1 4 d后基本不增长。 而掺矿粉混凝土 6 0 d的弯拉初裂拉应变与 1 4 d 相 比， 弯拉初裂拉应变仍增长 2 4 0 。 2 3 混凝土不同龄期的弯拉极限拉应变 本文采用切线弹性模量法I 4 确定混凝土的极限 拉应变， 图 5 为混凝土弯拉应变 一弯切线弹性模量曲 线， 其基本原理是： 混凝土在弯拉初裂应变 A点后， 随 着荷载的增大， 其应变值迅速增大， 混凝土的切线模 1 2 0 i 9 0 、 6 0 0 2 O 4 0 6 0 t d 图 4 混凝土不同龄期的弯拉初裂拉应变 罨 b 量迅速减小 ， 理论上当切线模量为零时的弯拉应变为 混凝土的弯拉极限应变， 但 由于试验条件的限制， 本 研究取切线模量小于0 5 G P a 时的弯拉应变作为混凝 土的弯拉极 限拉应变 。 混凝土不同龄期的弯拉极限拉应变如图 6所示 。 试验结果 表 明 ， 在 相 同的水 灰 比下 ， 混凝 土 的极 限拉 应变随着龄期的增长逐渐趋 向一个定值 ， 并在该值附 近略有波动。掺入矿粉对混凝土 1 4 d 后的极限拉应变 影响不大， 在 6 0 d 时掺矿粉混凝土的弯拉极限拉应变 比普通混凝土低 3 2 。但掺加矿粉会显著降低混凝 土 7 d内的弯拉极限拉应变， 并且会延长混凝土弯拉极 限拉应变的达到定值的龄期， 所以在 7 d 内不宜作用较 大的荷载， 以防产生较大的损伤。 0 5 O l 0 o 1 5 0 2 0 0 2 5 0 8| 、 g 2 4 0 2 0 、b 1 8 0 1I J 。L = = 图 5 混凝土弯拉应变 一弯切线弹性模量曲线 图 6 混凝土不同龄期的弯拉极 限拉应变 过镇海等研究表明L 8 J ， 混凝土的应变破坏准则 比 应力破坏准则应用 范围更广 ， 对 于复杂受力 状态更 为 有效。本 文试验研究表 明 ， 弯拉强度 只能描 述混凝 土 破坏时刻的状态， 而弯拉初裂拉应变和弯拉极限拉应 变可 以分 别描述混 凝 土微裂 缝开 展过 程 与混凝 土破 坏时刻的状态， 并且掺入矿粉使混凝土的弯拉强度明 显减小， 但对 1 4 d 后的弯拉极限拉应变基本无影响 ， 使 用弯拉强度作为破坏界限可能导致错误 的结论 ， 而使 用弯拉极限应变作为破坏界限能更全面的描述掺矿 粉 的混凝土的性 能。 3结语 ( 1 ) 本文提出的曲率法确定混凝土的弯拉极限 应变， 具有物理意义明确， 较容易实现， 可以减少人为 确定指标 。 ( 2 ) 与普通混凝土相比， 掺入矿粉的混凝土弯拉 初裂拉应变在早期明显较小 ， 但在 2 8 天后 弯拉初裂应 变仍有增长。 ( 3 ) 本文试验研究表明， 混凝土的弯拉极限拉应 变随着龄期的发展逐渐趋向一个定值 ， 与普通混凝土 相比较 ， 掺人矿粉对混凝土的弯拉极限拉应变影响不 大 ， 但会延长弯拉极限拉应变达到稳定值的龄期。 ( 4 ) 本文试验研究表 明 ， 利用应变破坏准则 比应 力破坏准则能更全面的掌握混凝土的性能， 得到更多 有利的信息， 推广矿粉在混凝土中的应用。 参 考文献 1 金南国， 金贤玉， 郑砚国， 等 早龄期混凝土断裂性能和微观结 构的试验研究 J 浙江大学学报( 工学版) ， 2 0 0 5 ， 3 9 ( 9 ) ： 1 3 7 4 一 l 3 7 7 2 J M F S t r a i n s a n d s t r lo f c o n c r e t e a t i n i ti a t i o n of c roc k i n g a n dl l e r f a i l u r e J J J o I 1 1 a l 0 f th e AIT l 廿 j c a |1 C o n e meI n s ti t u t e P 一 e e e d i r ， 1 9 6 3 ， 6 0 ( 7 ) ： 8 5 38 8 0 3 T n s d e m i r M A ，LY d o n FD ，B a r t BG T h et e n s i l e s t r a i n c a p a c i t yof e o n e r e te J M a g a n e ofC o n c r e t e R e tr c h ， 1 9 9 6 ， 4 8 ： 2 1 1 2 1 8 4 田野， 金南国， 金贤玉 混凝土特征拉应变随龄期发展规律研 究 J 浙江大学学报( 工学版) ， 2 o 0 8 ， 4 2 ( 6 ) ： 1 7 8 1 8 1 ， 2 0 2 5 E l v e r yR J 。 I -l a n x mW A d i r e c t t e n s i l et e a t f o r c o n c r e t e u n d e r l o n g o r s h o r t t e r m l o a d i n g J M a 铲z i n e ofC o n c r e t e R e s e a l c h ， 1 9 6 8 ， 2 0 ( 6 3 ) ： l 1 1 1 l 6 6 尹健， 周士琼 高性能混凝土轴心抗拉强度与劈裂抗拉强度试 验研究 J 长沙铁道学院学报， 2 0 0 1 ， 1 9 ( 2 ) ： 2 5 2 9 7 富文权， 韩素芳 混凝土工程裂缝分析与控制 M 北京 ： 中国 铁道 出版社 ， 2 0 O 2 8 过镇海 混凝土的强度和变形： 试验基础和本构关系 M 北 京 ： 清华大学出版社 ， 1 9 9 7 收稿日 期 201 0 一 O l 一 0 4 作者简介】 成盛( 1 9 8 4 一) ， 男， 湖南岳阳人 ， 硕士研究生， 研 究方 向： 混凝土性能与开裂 。