无机聚合物混凝土应力-应变全曲线试验研究.pdf

2 0 1 3 年 第 1 1期 总 第 2 8 9 期 ) Nu mb e r l 1 j n 2 0 1 3 ( T o t a 1 No 2 8 9 ) d o i ： 1 0 3 9 6 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 1 1 0 1 6 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRETI CAL RES EARCH 无机聚合物混凝土应力一 应变全曲线试验研究 金鑫 ，卢哲安 ，范小春 ( 武汉理 大学 a 土木 r 程与建筑学院；b 道路桥梁与结构T稃湖北省再点 验事 ，湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要： 通过对尤机聚合物混凝 土材料进行基本力学性能试验 ， 就其弹性模量 、 泊松比及应力一 心变全曲线进行了试验研究 探讨。 试验结果表明： I P C 4 0卡 比于相同强度等级的普通混凝 土的弹性模量小 l 1 8 ， 泊松比大 2 2 2 ， 轴压试聆的峰值应变值也 高于普通混凝 土 、 试验得到的应力一 应变全曲线与采用的分段式模型吻合较好 ， 为无机聚合物混凝土的力学性能研究提供参考 关键词： 无机聚合物混凝士；试验研究；应力一 应变全曲线 ；曲线拟合 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 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 5 8 0 3 Exper i m en t al s t udy on s t r e s s- s t r ai n cur ves of i nor gani c pol ym e r c onc r e t e J I N Xi n LUZb e a r l MN Xi a o c J 1 U l l ( a S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r e ； b Hu be iKe yL a b o r a t o r y& Ro a d， Brid g e a nd S t r uc t ur a l Eng i n e e r i n g， Wuh a nUni v e r s i t yof Te c h n o l og y， Wu ha n 43 0 0 7 0， Ch i n a) Ab s t r a c t ： Ba s i c o n me c h a n i c a l p r o p e r t i e s e x p e r i me n t o f i n o r g a n i c p o l y me r c o n c r e t e ( I P C) ， s t u d i e d a n d d i s c u s s e d i t s e l a s t i c mo d u l u s ， P oi s s o n S r a t i o a n d s t r e s s s t r a i n c ur v eI t i s s h o wn b y t h e t e s t r e s u l t s t h a t t he e l a s t i c mo d ul u s o f I PC4 0 i s l 1 8 l o we r a n d t h e Po i s s o nS r a t i o i s 2 2 2 h i g h e r t h a n t h e s a me l e v e l o r d i n a r y c o n c r e t e ， t h e p e a k s tr a i n v a l u e s o f t h e a x i a l c o mp r e s s i o n e x p e r i me n t s i s a l s o h i 曲e r t h a n t h a t ofo r d i n a ry c o n c r e t e M o r e o v e r ， t h e s t r e s s s tra i n c u r v e a c c o r di n g t o t h e e x pe r i me n t ma t c h we l l wi t h s e g me nt e d mo d e l ， i t c a n p r o v i d e a r e f - e r e n c e f o r t h e r e s e a r c h o n me c h a ni c a l pr o p e rti e s o f i n o r g a n i c p o l y me r c o n c r e t e K e ywo r ds ： i n o r g a n i c p o l ym e r c o n c r e t e ； e x p e r i me n t a l s t u d y ； s t r e s s s tr a i n C U rvC ； c u r v ef i t t i n g 0 引 言 无机聚合物混凝 七是一种新 型绿色环保建筑材料 ， 它 是 由矿粉 、 粉煤灰等在慢碱性溶液 中反应生成的类似普通 水泥混凝土的胶凝材料 ， 其在众多方面表现 出比普通水泥 混凝 土更优异的性能引起了研究学者 的广泛关注【 1 _ 2 ， 在国 内外得到了迅速 的发展 ， 并取得了一定的研究成果 。 无机聚合物混凝 土应力一 应变全曲线是其基本力学性 能的反映 ， 它是无机聚合物混凝 土构件强度计算 、 内力分 析和有限元分析的基础。 目前对于无机聚合物混凝土应力 一 应变全曲线 的研究鲜有相关文献报道 。 本试验通过研究 分析无机聚合物混凝土弹性模量 、 泊松比及应力一 应变全曲 线特点并对曲线进行拟合， 提m适合无机聚合物混凝土的 应力一 应变曲线方程 ， 为无机聚合物混凝土的研究与应用提 供一定理论依据 。 1试验 概 况 1 1 原材料 粉煤灰 ： 武汉青山电厂生产的 I I 级粉煤灰； 矿粉 ： 采用 武钢 $ 9 5 矿粉， 密度大于 2 8 g c m， ， 活性指数 2 8 d 大于 9 5 ； 碱激发剂 ： 主要成分为氢氧化钠溶液和水玻璃 ； 粗骨料 ： 粒 收稿 日期 ：2 0 1 3 一】 5 _ 2 9 5 8 径 5 3 1 5 m m 连续级配 碎石 ； 细 骨料 ： 中砂 ， 细度模数 为 2 6 7 1 2配合 比设 计 根据立方体抗压强度在前期试验基础上确定无机聚合 物混凝土的配合比， 试验配制的混凝土强度等级为I P C 4 0 ， 本试验所采用的无机 聚合物混凝土的配合 比见表 1 所示 。 表 1 无机聚合物混凝土配合比 k g m 2试 验 方 法 试验参照 G B T 5 0 0 8 卜一 2 o 0 2 普通混凝土力学性能试 验方法标准 中规定的方法进行 。 试验共制作 6个试件 ， 试 件标准尺寸为 1 5 0 m inx 1 5 0 minx 3 0 0 mm， 其中 3 个用 于测 定轴心抗压强度 ， 提出弹性模量试验的加荷标准 ， 另外 3 个 则作弹性模量试验 。 为了获取弹性模量和泊松比， 各试件沿 高度方 向在 中轴线处对称 的两个面上粘贴纵 向应变片和 横向应变片 ， 用磁性表架将 下分表对称同定于另两个面上， 分别测量试件两侧的变形值 。 弹性模量的取值取应变片 与 于分表测得弹模的平均值 。 试验装置 的刚度影响试件 的应 力一 应变曲线 的形状 ， 尤其是混凝土试件的下降段的变形特性 ， 试件在达到峰值 强度后 ， 会 由于普通试验机刚度不足导致储存 的弹性应变 能急剧释放而发生脆性破坏 ， 难 以测 到有效 的下降段 。 试 验共制作 i个试件 ， 试件的标准尺寸为 1 0 0 mmx 1 O 0 m m 3 0 0 mm。 本试验为 了得 到稳定合理 的应力 一 应变全 曲线 ， 采用 1 NS T R O N电液伺服材料试验机进行试验 ， 试验机可 自 动记录并绘制竖向位 移一 荷载 曲线 。 试验采用位移控制加 载 ， 加载应变速率保持 为 3 0 0 e m i n 。 当加 载到试件峰值 荷载 的 8 0 左 右时 ， 调 整试验机 的加 载速度 为 5 0 e mi n 直到试验停止 ， 以便测出试验全曲线的下降段。 3 试验 结果 与分析 3 1 弹 生 模 量试验 结果 用于测定轴心抗压强度 以确定试验加荷标准的 3 个试 件抗压强度值分别为 5 9 6 、 6 4 _3 、 6 3 MP a ， 平均值为 6 2 -3 MP a 。 由表 2 试验结果可知 ， 无机聚合物混凝土弹性模量平 均值为 3 1 6 x 1 0 MP a ， 泊松 比为 0 2 6 。 相 比于相 同强度 等 级 的普 通水泥混 凝土 的弹性模量 小 1 1 8 ， 而泊 松 比大 2 2 2 ， 表 明无机聚合物混凝土 的变形性能优 于普通水 泥 混凝土 。 表 2弹性模量及泊松比测试结果 3 2应 力一 应 变试 验 曲线 通过试验得到 的无机 聚合物混凝 土的应力一 应变曲线 如图 l 所示。 轴 向 应 变 图 1 无机聚合物混凝土的单轴受压应力一 应变曲线 从图 1 可见 ， 无机聚合物混凝土的单轴受压应力一 应变 曲线与普通混凝土具有相似的规律， 无机聚合物混凝土轴压 试验的峰值应 变平均值 ( 2 5 5 0 8 ) ， 高于 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 混凝 土结构设计规范 规定的峰值应变 ( 2 0 0 0 ) 。 3 3应力一 应 变全 曲线方程 混凝土受压应力一 应变全曲线 、 即图像化 的本构关 系 ， 是研究和分析混凝土结构和构件受力性能 的主要材性依 据 ， 为此需要建立相应 的数学( 本构 ) 模型 。 混凝土受压应 力一 应变全曲线的数字描述有多项式 ， 有理分式 ， 三角 函数 ， 幂函数和指数形式及分段式等 。 本研究 采用清华大学过镇 海教授提 m的两段式模型网 拟合应力一 应变 曲线 ， 见式( 1 ) ： y = + ( 3 - 2 a ) x 2 + ( a - 2 ) 矿( 1 ) 瓦 式中： = ； 0 y ； s 。 峰值应变 ； 峰值应力 。 该分段式 曲线 ， 不仅符合试验 曲线 的几何特 点 ， 适用 的应变范围不受限制， 能完整、 准确地拟合试验曲线 ， 较好 的反映混凝土 的全部受力性能 。 并 由此构造应力一 应 变曲 线 ， 将拟合曲线和实测 曲线作 图， 如图 2 所示。 8 ( a ) I P C I 应 力一 应变 曲线 8 ( b ) I P C 一 2 应力一 应变 曲线 s ( c ) I P C 一 3 应 力一 应 变曲线 图2 各试件实测曲线与公式拟合曲线对 比 从图 2 可以看 出， 由本研究采用的无机聚合物混凝土 数值拟合曲线与试验 曲线能够较好 的吻合 ， 其 中曲线 的上 q