在有压水环境中的混凝土率效应特性研究.pdf

第 3 l 卷第 4期 2 0 1 4年 1 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e m e n t Vo 1 3 1 No 4 De e 201 4 在 有压水环境 中的混凝土率效应特性研 究 田 为， 彭 冈 4 ， 陈学强， 黄仕超 ( 三峡大学a 土木与建筑学院； b 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心 ， 湖北宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要： 随着渗透孑 L 隙水压的增加， 混凝土的抗压强度 、 劈裂抗拉强度逐渐降低， 其损失率逐渐增大。本文进行 了混凝土处于不同围压值( 0 、 2 、 5 、 1 0 MP a ) 大小的水环境中和不同应变速率( 1 0 s 、 1 0 s 、 1 0 s 、 1 0 s ) 作用下的常三轴动态抗压试验， 对不同水环境下的混凝土峰值应力及应变进行了分析， 构建了动态本构模型。 研究表明： 混凝土的峰值应力与加载速率成正比， 峰值应变与加载速率也成正比。在无压水环境下， 混凝土的 峰值应变和峰值应力都小于无水环境； 随着围压的增加 ， 峰值应力逐步增大 ， 峰值应变先增大后减小。混凝土 的损伤特性在常三轴压缩状态下， 先服从 We i b u l l 统计分布后服从 L o g n o r ma l 统计分布， 由此表明所选损伤本 构模型模拟的力学行为有效。 关键词： 混凝土； 水环境； 应变速率； 围压； 本构模型 中图分类号： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 4 ) 0 4 - 0 0 5 0 -05 Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c St u d y o f Co nc r e t e Un de r Pr e s s ur e o f W a t e r Env i r o nme n t T I A N We i， PE NG G a n g，C HE N Xu e q i a n g，HU A NG S h i c h a o ( a S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r e ； b C o l l a b o r a t i v e I n n o v a t i o n C e n t e r f o r G e o h a z a r d s a n d Ec o En v i r o n me n t i n Th r e e Go r g e s Ar e a，Hu b e i Pr o v i nc e，Ch i n a Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2， C h i n a ) Abs t r a c t：W i t h t h e i n c r e a s e o f p o r e wa t e r pr e s s u r e，t h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d s p l i t t i n g t e n s i l 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 g r a d u a l l y ，a n d t h e l o s s r a t e i n c r e a s e s g r a d u a l l y T h e c o n v e n t i o n a l t h r e e a x i a l d y n a mi c t e s t i s c a r r i e d o u t t o s t ud y t h e d y na mi c a n d s t a t i c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t he c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c o n fi n i n g p r e s s u r e s( 0 ，2 ，5 ，I O MP a )a n d d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s( 1 0， l 0 ， 1 0 ， l 0 s ) T h e p e a k s t r e s s ， p e a k s t r a i n u n d e r d i f f e r e n t w a t e r e n v i r o n me n t a r e d i s c u s s e d Dy n a mi c c o n s t i t u t i v e mo d e l i s c o n s t r u c t e d f r o m t h e d a t a o f t h e e x p e r i me n t ，a n d t h e v a l i d a t i o n a n a l y s i s f o r t h e mo d e l i S ma d e I t i n di c a t e s t h a t t h e p e a k s t r e s s o f t h e c o n c r e t e i S p r o p o r t i o n a l t o t h e s t r a i n r a t e，t h e s a me wi t h t h e p e a k s t r a i n o f t he c o n c r e t e Un d e r t h e n o np r e s s u r e wa t e r e n v i r o n me n t ，t h e p e a k s t r a i n a n d p e a k s t r e s s o f t h e c o nc r e t e a r e l e s s t h a n a n hy d r o u s e n V i r o n me n t W i t h t h e c o n fin i n g p r e s s u r e i n c r e a s e s， t he p e a k s t r e s s i n c r e a s e s g r a d u a l l y，b u t t h e p e a k s t r a i n i n c r e a s e s a t fi r s t a n d d e c r e a s e s t h e n B y t h e c o n v e n t i o n a l t h r e ea x i a l p r e s s u r e，t h e c o n c r e t e d a ma g e c h a r a c t e r i s t i c o b e y s W e ib u l l s t a t i s t i c a l d i s t r i b u t i o n b e f o r e t h e p e a k s t r e s s，a n d Lo g n o r ma l s t a t i s t i c a l d i s t r i b u t i o n a f t e r t h e pe a k s t r e s s，wh i c h s h o ws t h a t t h e da ma g e c o n s t i t u t i v e mo d e l i s e f f e c t i v e Ke y wo r d s：c o n c r e t e；wa t e r e n v i r o n me n t ；r a t e e f f e c t ；c o n fi n i ng p r e s s ur e；c o n s t i t u t i v e mo d e l 近年来 ， 学者们对 于水环境中的混凝土材料 性能展开 了研究 ， R o s s i 、 R o s s C A 、 Ma l v a r L J 3 、 李庆斌 、 杜守来 等国内外学者对水环境 中的混凝土材料动静态抗压强度 、 弹性模量等物 理力学参数进行 了试验研究 ； C a d o n i 、 王海龙 等在动静态水压力的作用机制与损伤破坏机理方 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 8 - 0 6 修 回日期 ： 2 0 1 4 -09 1 6 作者简介 ：田 为 ( 1 9 9 1 一 )， 男 ， 湖北宜 昌人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为混凝土结构抗 震 ( E ma i l ： 2 7 6 5 7 0 4 6 4 q q c o i n ) 通讯作者 ： 彭刚 ( 1 9 6 3 一 ) ， 男 ， 湖南临湘人 ， 教授 ， 博士 ， 研 究方 向为混凝土材料动力性能与结构抗震 ( E ma i l ： g p e n g 1 5 8 1 2 6 c o rn) 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 1 2 7 9 0 9 2 ) 第4期 田为等： 在有压水环境中的混凝土率效应特性研究 5 1 面有了一定认识， 并建立了相应的本构模型； 宋玉 普 J 、 马莉 等对复杂应力条件下的混凝土力学 性能开展 了试验研究 ； 李宗 利 等最 新研 究表 明 ， 随着渗透孔 隙水压 的增加 ， 混凝 土的抗压强 度 、 劈裂抗拉强度和弹性模量逐渐降低 ， 其损失率 逐渐增大。其中外界水压( 孔隙水压) 、 粒径和混 凝土强度等级对混凝土抗压强度损失有显著的影 响。徐世娘 等在混凝土结构响应分析方面进 行了应用研究 。 综合分析表明， 不管上述结论与观点有何异 同， 但在 自由水对混凝土的动静力性能会产生较 大影响这一观点上基本达成共识 。另一方面 ， 以 上成果或者是建立在无压 自由水 ( 湿度 ) 的基础 上 、 或者是基于有压孔隙水作用下 的静动态力学 性能方面， 或者是基于大气环境中的动态性能方 面 ， 唯独对不同有压孔隙水 与机械荷载耦合及其 循环作用下的混凝土损伤模式与破坏机理以及率 效应等动态性能的研究成果还少见文献报道 。 本文基于此研究基础， 以水环境 为背景 ， 对不 同水环境对率效应等动态力学性能产生 的影响进 行分析 ， 并基于试验数据进行 了本构模型的选取 以及模型参数的分析。具体工作如下。 1 试件制作与试验过程 1 1 材料选用与配合比确定 本次试验所用水泥 为 P 0 4 2 5 ， 经过水 泥胶 砂试验测得其 3、 2 8 d的抗压、 抗折强度均满足相 关规范要求 ； 搅拌混凝土所用 的水为饮用 自来水 ； 粗骨料是粒径直径范围为 5 3 0 mm的连续级配 河卵石 ； 细骨料是连续级配天然河砂 ， 经过筛分后 实测细度模数为 1 8， 属于细砂。混凝 土拌 合物 的坍落度在 3 0一 - 5 0 m m之间 ， 满足和易性要求 。 表 1 混凝土每立方米材料用量 k g 本文试验所用试件为标准 的圆柱体 ， 采取先 整体浇筑后钻芯 的方式 ， 即先在规划 的区域 内整 体进行浇筑， 在自然条件下养护 9 0 d 后进行取芯 编号。试验时混凝 土试件 的龄期已达 1 2 0 0 d ， 可 以认为混凝土强度发展 已基本稳定 ， 忽略龄期对 试件强度的影响。 1 2 实验方案 为了研究水环境下 的混凝土在不 同围压及不 同应变速率条件下 的力学行 为， 进行 了无水环境 和有水环境( 围压分别为 0 、 2 、 5 、 1 0 M P a ) 下的应 变速率分别为 l O s 、 l O s 、 l 0 。 s 、 l O s 的 混凝土单调压缩试验 ， 取 1 0 s 为准静态应变速 率 ， 每种应变速率下保证 3组有效试验数据 ， 以保 证数据的完整性。本试验预先给试件施加 围压 ， 待围压恒定后在试件轴 向施加机械荷载 ， 所以试 件所受压力为所加 围压值与轴向荷载之和。 1 3 试验过程 试验采用的是 电液伺服多功能常三轴材料试 验机。实验过程如下 ： ( 1 ) 实验前准备 ： 将试件进 行切割打磨后放入围压桶内， 将 围压桶内充满水 ， 通过电脑控制施加恒定围压 ， 保持恒压 1 61 7 h ， 以保证混凝土吸水饱 和。( 2 ) 加载试验 ： 先给试 件预加 2 0 k N的初始静荷载 ， 然后 以位移控制方 式 ， 按设定的应变速率对试件进行加载直至破坏 ， 加载中保证 围压恒定不变。 2 试 验结果分析 2 1 混凝 土强 度分 析 由图 1可以看出， 相同加载环境下 ， 混凝土 的 峰值应力随着应变速率 的增加 而增大 ； 相 同应 变速率下 ， 混凝土的峰值应力随着 围压的增加而 增大 ； 但是在相 同应变速率下 ， 0 MP a有水环境下 的混凝土峰值应力小 于无水环境 ， 即干燥混凝土 的强度比湿饱和混凝土强度要高。 图 1 混凝土的峰值应力与应变速率的关系 2 2 混凝 土 变形分 析 从图 2可 以看 出， 混凝土 的峰值应变随加 载 速率的增加总体呈增大的趋势。且变化趋势都比 较平缓 ， 在相 同应变速率下 ， 0 M P a有水环境下的 混凝土峰值应力小于无水环境， 即干燥混凝土要 比水饱和混凝土的变形大 ， 在有水压情况下 ， 应变 速率分别为 1 0 s、 1 0 s 、 1 0 s时， 混凝土的 峰值应变随围压增大呈先增大后减小的趋势 ， 在 应变速率为 1 0 s 时， 昆 凝土的峰值应变随围压 增大而增加。综上， 混凝土的峰值应变随应变速 率的增大呈现逐步增 大的趋势 ， 随围压 的增大变 化趋势并不明显。 5 2 土木工程与管理学报 2 0 1 4年 图 2 混凝土 的峰值应变与应变速率 的关系 2 3 破坏机理分析 混凝土是非均匀复合材料 ， 由石子 、 砂 、 水泥 和水按一定比例混合形成， 由于各组分的随机分 布及结合 ， 各物质之间不可能完全粘结在一起 ， 必 然会形成不同形状及大小的空隙， 又由于混凝土 组成材料的力学性能各 异， 只有在统计学上其强 度 、 变形等才具有相对 比较稳定的取值。 混凝土在浇筑成型全过程中， 由于材料本身 的无规则性 、 材料之间的相互粘结作用 、 泌水作用 等， 导致其内部难免会存 在一些微缺陷。从损伤 力学的角度来看 ， 混凝土 内部材料水 泥和砂之间 存在的缺陷便被称为损伤 。混凝土在外界因素的 影响下， 其内部原始损伤得到发展并形成微裂缝， 造成新的损伤 ， 当损伤持续累积 ， 微裂缝会贯通形 成宏观裂缝 ， 当宏观裂缝得到扩展 ， 最终将导致混 凝土体破坏。综上所述 ， 混凝土的破 坏过程实际 上是损伤逐步产生发展的过程。 水在混凝土内部作用时会对混凝土的介质产 生影响 ， 当有压水进入混凝土内部后 ， 会沿着混凝 土中初始存在的微裂缝产生渗流作用 ， 在混凝土 内外压力差的作用下沿着裂缝向低压力处发生转 移， 并携带杂质残留于空隙中， 进而有可能改变孔 隙的状态 ， 当压力水头过大时 ， 有可能发生结构劈 裂破坏。当混凝土受到外 围有压水作用时 ， 有压 水会沿着混凝土表层的微观裂纹逐渐渗入到混凝 土 内部 ， 导致混凝土内部裂纹受力发生变化 ， 在外 部荷载作用下， 孔隙裂纹首先发生扩展、 并相互连 接 ， 当有压水及外部荷载持续影响混凝土的性能 ， 将使得混凝土的材料性能发生劣化， 如强度降低、 弹性模量下降、 透水性增大等诸多不利结果 ， 最终 引起混凝土结构的破坏失稳。 3 基于统计理论的动态本构建模 3 1 损伤模型的选取 We i b u l l 在 1 9 3 9年提出了一直沿用 至今的以 链条模型为基础 的脆性破坏统计理论 。该模 型认为结构的各基本单元相互独立 ， 且各单元的 性质 相 互 独 立 ， 随 机 分 布。研 究 表 明 ， 采 用 We i b u l1 分布可以较好的模拟混凝土等脆性材料 的单元强度分 布规律。王春来等 认为材料 的 损伤参数服从 We i b u l l 统计分 布特点， 并给 出了 相应的的损伤本构模型。王乾峰 指 出当混凝 土强度超过 4 0 MP a时 ， L o g n o r m a l 统计分布理论 比We i b u l l 统计分布理论更适用于描述峰值后的 应力 应变关系。 改造后建立的损伤本构模 型如下所示。 如 H 1 l 6 ) ”。 唧 。k 根据 L e m a i tr e 的应变等价原理， 应力作用 在受损材料上引起 的应变与有效应力作用在无损 材料上引起的应变等价。根据这一原理可得到 ： or or 、 百 百 = L z = E( 1 一D) ( 3 ) 损伤变量 D为 D = 一p ( 去 ) 一 ( 4) 式中： 为应变 ； o r 与嘞 应力和有效应力 ； E为受 损材料的弹性模量 ； 和 E为峰值应变 、 峰 值应力和弹性模量； m和 凡 分别为上升段和下降 段的形状控制参数， 其中 m 1 ，嘱要通 or 过对应力 应变全曲线进行拟合后得到。 e f X1 O 1 图3 围压为 2 M P a 、 应变速率为 1 0 s 的 实测曲线与拟合 曲线 第 4期 田为等 ： 在有压水环境中的混凝土率效应特性研究 5 3 对所得数据分别进行拟合 ， 试验实测 的 3组 应力 应变曲线分别用 曲线 0 、 b 、 C 表示 ， 曲线 凡为 标志性应力- 应变拟合曲 线。拟合结果如图3 所示。 3 2 模型参数分析 通过试验得到所选本构模型的两个参数值 m ( 峰前曲线形状控制参数) 和 n值 ( 峰后曲线形状 控制参数) 。不同加载环境和不同应变速率下的 m值如表 2所示。 表 2 全曲线上升段拟合参数 m m值对线弹性直线段与弹塑性曲线段非常敏 感 ， 如果弹塑性曲线段应力变化小而变形大 ， 那么 值变化不大 ， 取值在 21 0范围内变化 ； 如果 弹塑 性 曲线段变形很小 ， 那么值将成倍增长 ， 比同组 中 其它的值大很多， 导致数据离散性大 ， 从表 2可以 看出， 试验所得模型上升段形状参数值 m的变化 区间为 1 9 0 4 ， 】 8 8 7 9 。 不同加载环境和不同应变速率下的值如表 3 所示 表 3全曲线下降段 拟合 参数 n 从表 3可 以看 出， 在无水环境及 0 MP a围压 水环境下， n 值随应变速率的增加呈现减小的趋 势 ， 围压为 2 、 5、 1 0 M P a时， n值随应 变速率的增 加呈现增大的趋势 ； n值在应变速率为 l O s 及 1 0I 4 s 时 ， 随 围压增大呈现波 动的趋 势 ， 且走势 相同， n值在应变速率为 1 0 s及 1 O - 2 s时， 随 围压增大呈现增大的趋势 ； 在有水环境 中， 应变速 率为 1 0 s时 ， , 值 与其它应 变速 率情 况下 相 比， 差值较大。 通过试验分析建立 n与速率的相关性为 n=口 2+6 西+c ( 5) 式中： a 、 b 、 c 为拟合参数 ， 具体数值如表 4所示。 从表 4可以看 出， a=0 0 0 5 8和b=一 0 1 3 1 8 与a ， 6 其他数值相差较大可视为奇异值。 此时可 表 4 参数 0 、 b 、 C 以看 出参数 a的值在 0 0 1 6 0 0 0 3 4 3范围内， 而 参数 b的值在 一0 0 7 1 2一0 0 9 3 4范围内， 参数 n ， b随 围压 变化 较 小 ， 故 可视 为 常 数。取 a= 0 0 1 3 1 ， b=一 0 8 9 1 ， c 与围压的相关性设为 c = k i p+k 2 ( 6 ) 式中： p为围压值 ； 、 ： 为拟合参数 ， 经拟合得 k =一 0 0 9 1 ， k 2 =0 4 4 6 9， 将 、 k 2值带入式 ( 6 ) ， 得 c=一 0 O 0 9 1 p+0 4 4 6 9 ( 7 ) 将式( 7 ) 带入式( 5 ) ， 得 n=0 01 31 一0 0 8 91 一0 O 0 91 p+0 4 4 6 9 ( 8 ) 3 3 新建动态本构模型的试验验证 为 了验证本文所选损伤本构模 型的适用性 ， 进行了围压为 4 MP a 、 应变速率为 51 0 s的加 载试验 ， 所得试验曲线与理论 曲线 的组合结果如 图 4所示 ， 曲线 a 、 b 、 C 均为试验曲线 ， 曲线 n为理 论曲线。经分析， 得到三条试验曲线与理论曲线 的相关性 系数如表 5所示。从表中可 以看出， 曲 线相关系数较高， 即试验结果与理论结果 吻合较 好 。 表 5 试验 曲线与拟合 曲线相关 系数 曲线 相 数 相关，系数公式 口 ， 0_ 9 2 9 7 XY- b ( 一 y 2 ) 注 ： 表示原始数据 ； Y表示拟合数据 ； 表示矩 阵维数 。 图4 围压为4 MP a 、 应变速率为 51 0 s 的 试验曲线及拟合曲线 5 4 土木工程与管理学报 2 0 1 4钲 4 结 论 ( 1 ) 混凝土的峰值应力随加载速率 的增加而 增大， 在相同应变速率下， 0 M P a 有水环境下的混 凝土峰值应力小于无水环境 ； 在有水环境中， 混凝 土的峰值应力随围压的增加而增大； ( 2 ) 混凝土的峰值应变随加载速率的增加呈 增大趋势 ， 在相 同应变速率下， 0 MP a 有水环境下 的混凝土的峰值应变小于无水环境 ； 在有水环境 中， 峰值应变随围压的增加呈先增大后减小的规 律 ， 2 MP为其转折点 ； ( 3 ) 常三轴压缩状态下 ， 混凝土的损伤特性 在峰值 应变前 服从 We i b u l l 统计分布 ， 峰值应变 之后服从 L o g n o r m a l 统计 分布 ， 试 验验证表 明所 选损伤本构模型能有效模拟其力学行为。 参考文献 1 R o s s i P I n fl u e n c e o f c r a c k i n g i n t h e p r e s e n c e o f f r e e w a t e r o n t h e me c h a n i c a l b e h a v i o u r o f c o n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 1 ， 4 3 ( 1 5 4 )： 5 3 5 7 2 R o s s C A， J e r o m e D M， T e d e s c o J W， 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 A C I Ma t e r i a l s J o u rnal， 1 9 9 6 ， 9 3 ( 3 ) ： 2 9 3 - 3 0 0 E 3 M a l v a r L J ， R o s s C A c o n c r e t e i n t e n s i o n J 9 5 ( 6 ) ： 7 3 5 - 7 3 9 R e v i e w o f s t r a i n r a t e e f f e c t f o r AC I Ma t e ri a l s J o u r n a l ，1 9 9 8， 4 李庆斌，陈樟福， 孙满义，等真实水荷载对混凝 土强度影响的试验研究 J 水利学报 ， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 7 ) ： 7 8 6 7 9 1 ( 上接第 3 2页) 3 潘 岳， 王志强圆形硐室岩爆的折迭突变模型 4 5 6 7 J 岩土力学， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 1 7 5 1 8 1 谢和平， 彭瑞东， 鞠杨岩石变形破坏过程中的 能量耗散分析仁 J 岩石力学与工程学报， 2 0 0 4 ， 2 3( 2 1 )： 3 5 6 5 - 3 5 7 0 谢和平 ， W G P a r i s e a u 岩爆的分形特征和机理 J 岩石力学与工程学报 ， 1 9 9 3 ， 1 2 ( 1 ) ： 2 8 3 7 蔡美峰， 王金安， 王双红玲珑金矿深部开采岩体 能量分析与岩爆综合预测 J 岩石力学与工程学 报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 8 - 4 2 王斌 ， 李夕兵， 马春德， 等基于三维地应力测量 的岩爆预测问题研究 J 岩土力学， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 3 ) ： 5 杜守来， 李宗利， 金学洋孔隙水压对混凝土抗压 强度影响的初步研究 J 人 民长 江，2 0 0 9 ， 4 0 ( 3 ) ： 5 4 - 5 5 6 C a d o n i E。 L a b i b e s K，A l b e r t i n i C ， e t a 1 S t r a i n r a t e e f f e c t o n t h e t e n s i l e b e h a v i o r o f c o n c r e t e a t d i f f e r e n t r e l a t i v e h u m i d i t y l e v e l s J 1 Ma t e ri als a n d S t r u c t u r e s M a t e r i a u x e t C o n s t r u c t i o n s ， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 2 3 5 ) ： 2 1 - 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