湿态混凝土的单轴压缩试验研究.pdf

2 0 1 4 年 第 1期 (总 第 2 9 1 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 1 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RB S 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 4 0 1 0 0 6 湿态混凝土的单轴压缩试验研究 胡海蛟 ，彭刚 ，王敏 。熊鹏飞 ( 三峡大学 土木与建筑学院 ，湖北 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要 ： 通过 自然湿度和水饱和混凝土在 1 0 - 5 5 x 1 0 - 5 、 1 0 、 5 x 1 0 - 4 S - 四种应变速率下的单轴压缩试验， 对比分析了两种湿度混凝土 的强度 、 变形特性以及弹性模量等力学性能。 试验结果表明 ： 随着应变速率的增加 ， 自然湿度和水饱和混凝土抗压峰值应力都呈 增加 的趋势 ； 水饱和混凝土峰值应力、 峰值应变较 自然湿度混凝土减小 ， 弹性模量较 自然湿度混凝土增加 ， 且水饱和混凝土破坏 机理较 自然湿度混凝土有所不同。 关键词： 混凝土；自然湿度 ；饱和；单轴压缩 ；力学性能 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 4 ) 0 1 0 0 2 1 0 3 St u d y on w e t c o n c r e t e b a s e d o n u n i a x i a l c omp r e s s i o n t e s t s H UH a ifi a o ， P E N GG a n g ， W A NGMi n ， X I O N GP e n g f e i ( C o l l e g e o f C i l a n d A r c h i t e c t u r e ， C h i n a T h r e e G o r g e s U n 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 ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h t h e u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t o f n a t u r a l h u mi d i ty a n d wa t e r s a t u r a t e d c o n c r e t e t rad e r t h e s t r a i n r a t e s r a n g i n g f r o m 1 0 ， 5x1 0 - 5 ， 1 0_ 4 ， 5 x1 0 - 4 S _ 。 ， c omp a r a t i v e l y an a lys i s the t wo k i nd s o fc o n c r e t e S me c han i c a l p r o pe r t i e s s uc h a s s tre n g t h p r o p e r t i e s， d e f o r ma t i o n c h ara c t e r i s t i c s a n d e l a s t i c mo d u l u s E x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o we d tha t the p e a k s tr a i n o f n a t u r a l h um i d i ty a n d wa t e r s a t u r a t e d c o n c r e t e h a d a t r e n d o f i n c r e a s e i n g e n e r a l wi th t he i n c r e a s e of s tra i n r a t e ； wa t e r - s a t u r a t e d c o n c r e t e S pe ak s tre s s ， p e ak s tra i n we r e l e s s t h a n tha t o f n a t u r a l h u mi d i t y c o n c r e t e ； e l a s t i c i ty mo d u l u s o f wa t e r s a t u r a t e d c o n c r e t e wa s mo r e t h an tha t o f n a t u r a l h u mi d i ty c o n c r e t e ， and the f a i l u r e me c h a - n i s ms o f wa t e r s a t u r a t e d c o n c r e t e and n a t u r a l h um i d i ty c o n c r e t e we r e d i ffe r e n t Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； n a t u r a l h um i d i ty； s a t u r a t e d； u n i a x i a l c o mp r e s s i o n ； me c h ani c a l p r o p e r t y 0 引 言 长期在水环境 中工作 的混凝土结构 ， 如大坝 、 过 河桥 梁 的基础及墩 台、 海岸及 近海 岸的结 构物等 ， 局部会 承受 较高的水头 。 由于混凝土是一种多孔介质材料 ， 以及混凝土 内部不可避免地存在着许多微观的孔隙和裂纹等缺陷， 当 它受到外 围高压水作用时 ， 水会沿着混凝土表层 的微观裂 纹逐渐渗入到混凝 土内部 ， 从而使得混凝土经常处于饱和 或 自 然湿度状态 ， 给混凝土 的力学性能带来一定影 响。 综 观国 内外学者对水饱和混凝土力学性能 的研究 发 现 ， 一些学者就水饱 和混凝土某个力学特性进行 了试验研 究 ， 一些学者对 水饱 和混凝 土破坏机理进行 了研究 1 - 4 ， 但 成果主要是基于断裂力学理论对水饱 和混凝 土力学性 能 的研究 ， 介绍了混凝 土的破坏机理 ， 研究 内容 比较零散 ， 没 有将 自然湿度和水饱和混凝土各种物理力学性 能进行 系 统的比较分析 ， 本文将主要进行这方面的试验研究 。 1 试 验 过 程 1 1 试验设备 试验设备采用型号为 WD T 1 5 0 0的大型微机控制电 液伺服多功能材料试验机， 该系统最大试验力为 1 5 0 0 k N， 测量分辨率为 1 1 2 0 0 0 0 ， 轴向测量最大变形为 1 0 m m， 径 向测量最大变形为 5 1T I 1 T I ， 变形测量精度士 0 1 ， 测量最大 位移值为 1 0 0 m m， 位移测量精度为 0 5 。 1 2 试件制备及养护 试验采用 + 1 0 0 m mx l 5 0 n l n l 圆柱形试件 。 自然湿度 和 水饱和混凝土均采用P O 3 2 5 级水泥，经水泥胶砂强度试 验测定其 3 、 2 8 d 抗压强度和抗折强度等均满足规范要求。 试验用水采用饮用自来水， 粗骨料采用直径 5 2 0 r n i 1 连续 级配河卵石 ； 细骨料采用细度模数为 2 4 的河砂 。 混凝土配 合 比为水泥： 水： 砂子： 石子 = 1 0 0 ： 0 4 0 ： 1 2 5 ： 2 7 9 ( 按质量计 ) 。 试件利用钢模浇铸 、 振动台振捣成型 ， 在室温条件下静 置 2 4 h 后拆模编号 ， 拆模后立 即按 1 O 2 0 m m 的间距放人 温度为( 2 0 + 1 ) ， 湿度为 9 0 以上的标准养护室 内养护， 自 然湿度混凝土在标准养护室养护2 8 d 后置于自然条件下养 护至试验开始， 水饱和混凝土在标准养护室养护 2 d 后搬出 完全浸泡于 自来水 中养护至试验开始 ， 用时共 5 个月。 1 3试验加 载方案 加载过程分为三步： 将试件安放在试验机的竖向加 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 7 - 2 8 基金项目：三峡大学土木与建筑学院优秀硕士学位论文培育项 目资助 ； 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 9 0 9 2 ) 2l 载垫块上 ， 调整各 向引伸计 ， 保证轴 向引伸计 、 径向引伸计 与试件接触良好后放置球铰 ， 调整作动头 ， 使压头靠近试 件但不施加力； 通过移动转换使试件缓慢地预加载到 1 k N 的荷载值， 检查两组引伸计接收数据是否正常， 若不正常 ， 继续调节引伸计直到正常为止 ； 开始按照设定的应变速 率控 制加载 过程 ， 同时采集位移 、 荷载 、 轴 向变形 、 径 向变 形值等各种数据 ， 记录步长 的时间间隔为 0 0 2 s 。 从实测 的 轴向应变一 时间曲线可以看出应变速率基本上恒定， 能够确 保试验结果 的有效性和可靠性 。 2 混凝土力学特性分析 2 1 混凝土峰值 应力分析 依照以上试验方法 ， 两种湿度混凝土在 1 0 - 5 、 5 x l 0 - 5 、 1 0 4 、 5 1 0 S 四种不 同应变速率 的荷载作用下 的峰值应力 平 均值见表 1 。 图 1 是对两种湿度混凝 土峰值应力和应变速 率进行 的线性拟合图。 表 1 不同应变速率下混凝土峰值应力值 应变速率 压力值 MP a s 自然湿度混凝土 水饱和混凝土 5 4 5 2 日 5 o 菩 4 8 44 4 2 U U 1 0 1 5 Z 0 2 ，j 0 j ， 4 U 4 U 应变速率 ( 1 0 s - t) 图 1 不同应变速率下两种湿度混凝土峰值应力对比图 从表 1 和图 1 可以看出， 随着应变速率的不断增加 ， 自 然湿度和水饱和混凝土抗压峰值应力都是呈增加的趋势 ， 混 凝土的平均峰值应力在应变速率为 5 x 1 0 - 5 , 1 0 4 、 5 x 1 0 S - 1 时， 分别 比应变速率为 1 0 S 隋况下的峰值应力增加了 0 8 、 1 3 5 、 1 5 9 和 2 3 7 、 9 3 、 1 5 1 8 。 这主要是 因为在较高应 变速率下， 混凝土内部裂纹来不急沿着骨料和砂浆的界面发 展， 而是直接穿过骨料 ， 这样更多的骨料被拉断 ， 从而提高了 混凝土的极限抗压强度圈 。 水饱和混凝土峰值应力较 自然湿 度混凝土有所降低， 在应变速率 1 0 - 5 、 5 x 1 0 4 、 1 0 - 4 、 5 x 1 0 -4 S - I 时分别降低约 5 5 9 、 4 1 2 、 8 8 3 、 6 1 9 。 究其原因， 本试验 在准静态应变速率下进行， 当加载速率较慢时， 水饱和混凝 土中自由水会缓慢进入到裂缝尖端， 在裂缝尖端形成应力集 中， 从而加速裂缝的扩展变形 ， 而水饱和混凝土中孔隙水含 量较多， 最终导致其较自 然湿度混凝土低的峰值应力嗣 。 2 2 混凝土峰值应 变分析 峰值应变为混凝土对应峰值应力时的应变。 表 2给出 2 2 表 2 不同应变速率下两种湿度混凝土峰值应变值 了两种湿度混凝土在 1 0 - 5 5 1 0 - 5 , 1 0 4 、 5 1 0 S 四种应变速 率作用下的峰值应变平均值。 已有研究结果7 - 8 表明 ， 随着混凝土应 变速率 的提高 ， 混凝土 的峰值应变有所增 大或没有明显 的变化 ， 目前还没 有统一的定论。 从表 2 可以看出， 两种湿度混凝土峰值应变 随着应变速率的增加都有所变化， 但是不明显， 但从这微 小 的变化 中可 以看 出， 在相 同应变速率作用下 ， 水饱和混 凝土峰值应变较 自然湿度混凝土减小 ， 其原因主要是饱和 混凝土孔隙 中较多 的 自由水更大程度地限制了混凝土基 体 向孔 隙中变形 ， 减小 了混凝土 的峰值应变。 2 3混凝土弹性模 量 弹性模量是衡量混凝土受力后应力应 变关 系 的重要 力学参数。 为了客观比较混凝土的变形性能 ， 取峰值应力 3 5 - 4 5 时的割线模量作为混凝土弹性模量 的标定值 。 在 1 0 - 5 5 x 1 0 、 1 0 - 4 5 x 1 0 4 S 四种不 同应变速率下两种湿度混 凝土弹性模量平均值见表 3 ， 相应 的线性拟合图见 图 2 。 表 3 不 同应变速率下混凝土弹性模量值 G P a 应变速率 混凝土类型 s 自然湿度混凝土 水饱和混凝土 21 2 0 1 9 孟 -s 篓 敲 1 6 1 5 1 4 0 U ，1 0 1 5 2 U 2 5 3 U 3 4 U 4 5 U 应变 速率 ( 1 0 s 。 。) 圈2 不同应变速率下两种湿度混凝土弹性模量值对比图 由表 3 及图2可见， 随着应变速率的增加 ， 自然湿度 和水饱和混凝土弹性模量在整体上存在增加的趋势。 混凝土 的弹性模量在应变速率为 1 0 - 5 5 x 1 0 、 1 0 、 5 x 1 0 S 一时， 分 别 比应变速率为 1 0 S 情况下的弹性模量 增加了1 6 6 、 8 2 、 3 9 6 0 和 1 5 6 、 1 5 6 、 3 6 6 。 而在相 同的应变速率 下 ， 水饱和混凝土弹性模量较 自然湿度混凝土弹性模量均 有所增加。 王海龙 、 李庆斌嘲 利用 Mo r i T a n a k a 方法对水饱 和混凝土 的弹性模量进行预测 ， 结果表明 ， 由于孔隙水 的 力学作用， 饱和混凝土的体积模量和弹性模量与自然湿度 混凝 土相 比均有所 提高 ， 本试验所得结果与李庆斌 、 王海 龙所得结论一致。 3 应 力一 应 变全 曲线 混凝土受压应力一 应变全 曲线是其受压特性 的综合性 宏观反应 ， 同时应力一 应变全曲线又是研究混凝土结构承载 能力和变形的主要依据。 本文采用混凝土分段式曲线方程 来 拟合分 析不 同加 载速 率下 两种 不 同湿度 混凝 土 的应 力一应变曲线 ， 如图3 - 6 所示。 其中， G表示自然湿度混凝 土 ， S表示水 饱 和混凝 土 ， a b 、 c 、 d分别 表示 应变 速率 为 1 0 、 5 x 1 0 , 1 0 、 5 1 0 S - i o 应力一 应变曲线 0 代表标致性应 力一 应变拟合曲线 。 如 G 0 a 代表 自然湿度混凝 土试件标致 性应力一 应变拟合曲线。 8 1 0 图 3 两种湿度混凝土应变速率 a的拟合 曲线对比图 8 1 0 一 图 4 两种湿度混凝土应变速率 b的拟合 曲线对比图 8 1 0 图 5 两种湿度混凝土应变速率 c的拟合曲线对 比图 由图 3 6可见，在 1 0 5 - 5 x 1 0 s 应变速率作用下， 曲线上升段两种湿度混凝土应力一 应变曲线基本重合， 过 了峰值点后出现了差别 ， 从峰值点 的应力 、 应变可 以清晰 地看 出 ， 在 相同的应 变速 率作用 下 ， 水饱和混凝土较 自然 湿度混凝土的峰值应力有所减小 ， 峰值应变也有相同的 变化 。 ， 1 旷 图6 两种湿度混凝土应变速率 d的拟合曲线对 比图 4结 论 ( 1 ) 在较 高应变 速率下 ， 混凝 土 内部裂纹来不 急沿着 骨料和砂浆 的界 面发展 ， 而是直接穿过骨料 ， 这样更多 的 骨料被拉断 ， 从而混凝土抗压峰值应力随着应变速率的增 加而呈增加 的趋势 。 ( 2 ) 在准静态应变速率下 ， 水饱 和混凝土 中 自由水会 缓慢进入到裂缝尖端 ， 在裂缝尖端形成应力集 中， 从而加 速裂缝的扩展变形 ， 而水饱和混凝土 中孔隙水含量较多 ， 最 终导致其较 自然湿度混凝土低的峰值应力 。 ( 3 ) 混凝土孑 L 隙中自由水会限制混凝土基体向孑 L 隙中 变形， 从而会减小混凝土的峰值应变 ； 饱和混凝土孔隙中 的自由水较 自 然湿度混凝土多， 因而其峰值应变小于后者。 参考文献： 1 RO S S I P， V AN MI E R J G M， B OU L A Y C， e t a 1 T h e d y n a mi c b e h a v i o u r o f c o n c r e t e ： i n fl u e n c e o f f r e e w a t e r J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 2 ， 2 5 ( 9 )： 5 0 9 5 1 4 2 R O S S I P I n f l u e n c e of 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 m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e 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 3 WI T Y M A N N F H I n t e r a c t i o n of h a r d e n e d c e m e n t p a s t e a n d w a t e r J J o u r n al o f t h e A m e r i c a n C e r a m i c S o c i e t y ， 1 9 7 3 ， 5 6 ( 8 ) ： 4 0 9 4 1 5 4 】王海龙， 李庆斌 饱和混凝土静动力抗压强度变化的细观力学 机理 J I 水利学报， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 8 ) ： 9 5 8 9 6 2 5 肖诗云， 林皋， 逯静洲， 等应变速率对混凝土抗压特性影O il J 哈尔滨建筑大学学报， 2 0 0 2 ， 3 5 ( 5 ) ： 3 5 3 9 6 王海龙， 李庆斌， 期刊 不同加载速率下干燥与饱和混凝土抗压 性能试验研究分析【 J J 水力发电学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 1 ) ： 8 4 8 9 7 尚仁杰混凝土动态本构行为研究 大连： 大连理工大学， 1 9 9 4 8 C O WE L L W C a l i f Nc e l p h D y n a mi c p r o p e r t i e s o f p l a i n p o rt l a n d c e me n t c o n c r e t e M Na v a l C i v i l E n g i n e e r i n g L a b P o rt Hu e n e me C a I f ， 1 9 9 6 9 王海龙， 李庆斌 饱和混凝土的弹性模量预测 J 清华大学学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 4 5 ( 6 ) ： 7 6 1 7 6 3 作者简介 联 系地 址 联系电话 胡海蛟( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 在读硕士 ， 研究方向 ： 结构 工程 。 通讯作者 ： 彭刚。 湖北省宜昌市三峡大学土木与建筑学院研究生管理 办公室( 4 4 3 0 0 2 ) 1 5 5 72 7 6 5 5 69 2 3