不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究.pdf

混凝土的破坏受其内部缺陷影响为了研究孔隙含量对碾压混凝土力学性能的影响探讨碾压混凝土的力学性能和尺寸效应随孔隙率的变化规律采用预制孔隙法模拟碾压混凝土中的孔隙开展力学性能试验分析 种尺寸 碾压混凝土试件在 种不同孔隙率情况下的抗压强度和劈拉强度的变化情况 结果表明:同一尺寸下 碾压混凝土的抗压强度和劈拉强度随着孔隙率增加逐渐降低碾压混凝土孔隙含量增加对其强度产生了负面影响碾压混凝土拥有明显的尺寸效应孔隙率越大碾压混凝土强度的尺寸效应越显著关键词:碾压混凝土孔隙率力学性能尺寸效应中图分类号:文献标志码:./.():.:.:随着现代工程的发展混凝土的发展也愈加快速不同工程、环境、建筑结构对于混凝土的性能也有着更高的需求 混凝土的力学性能在工程建设中显得尤为重要而由于其材料本身性质混凝土内部总是存在着一定的孔隙这是关乎混凝土强度的关键因素也间接的影响了工程的质量和安全 研第 期张晓飞 等:不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报究表明混凝土在没有受到荷载之前在成型和养护时由于水泥水化和拌合振捣等原因内部就已经出现了一些初始缺陷如裂纹和孔隙而在缺陷处更容易产生裂纹其初始裂纹在预制裂隙及缺陷两端萌生缺陷与新裂纹的贯通最终导致试件破坏这是导致混凝土构件失效的主要原因 而随着构件孔隙率的增加混凝土有效面积减小平均应力增大且更容易出现应力集中提前产生损伤使得微观裂纹扩展贯通最后形成宏观裂缝导致构件破坏 由此可见混凝土内部孔隙裂纹是影响混凝土宏观力学行为的重要因素其对混凝土性能的影响是不可被忽略的对于孔隙率和混凝土性能关系的研究贾金青、陈代果等从混凝土孔隙率的角度分析了水灰比对混凝土力学性能的影响 常西亚等研究了不同孔隙率下混凝土能量散耗发现在孔隙率 时散耗能最低 张德思等通过试验研究了硬化混凝土的气孔参数、孔隙率对混凝土强度的影响肖诗云等研究了孔隙率和孔径对混凝土弹性模量等混凝土宏观初始力学性质的影响规律 徐德飞发现孔隙率增加对透水混凝土的力学性能有负面影响而尺寸效应对于低孔隙率的混凝土影响尤为显著 申嘉荣等探究了高低温情况下孔隙率对混凝土结构和性能的影响 理论方面有金浏等通过数值模拟发现随着孔隙率和孔隙直径的增加混凝土的宏观力学性能明显下降 王杰等通过数值模拟分析了孔隙混凝土的破坏过程 王展展等模拟了不同孔隙率下的混凝土物理力学性能 宋力等研究了受拉荷载下的混凝土尺寸效应模拟了受压荷载下的混凝土试件破坏过程 对于碾压混凝土性能郭文康等研究了原材料种类对碾压混凝土各项性能的影响 张社荣等通过 实验建立了可以反映碾压混凝土力学行为的损伤演化模型 张业旭等通过数值模拟来研究碾压混凝土层间参数对碾压混凝土的力学性能影响 黎保琨等从细观角度研究了的碾压混凝土损伤断裂与尺寸效应的关系 屈彦玲等研究了碾压混凝土劈拉强度和尺寸效应的关系目前对于混凝土各种影响因素包括材料、温度、配合比等都进行了大量的研究关于孔隙率对碾压混凝土尺寸效应的研究尚且较少 本研究基于不同尺寸 碾压混凝土在 种孔隙率下的力学试验来探究孔隙率变化对碾压混凝土的力学性能和尺寸效应的影响规律为进一步研究混凝土的材料力学特性提供一定的参考 试 验.试验材料本试验所用材料主要包括水泥、粉煤灰、骨料、减水剂、颗粒和水水泥采用.普通硅酸盐水泥粉煤灰为某公司开发的级粉煤灰细骨料选用天然河砂含泥量小于 细度模数.粗骨料选用碎石最大粒径 饱和干密度为 /某公司生产的 高效减水剂国家一等品标准 颗粒为白色球状颗粒表观密度/水为居民生活用水.配合比设计为了定量分析孔隙结构与碾压混凝土力学性能之间的关系本实验采用颗粒预制法来预制碾压混凝土试件孔隙选用 颗粒作为预制孔隙材料 是一种可再生骨料内部为密闭孔结构表面憎水与水泥浆难以粘连是预制孔隙的较好材料 颗粒强度很低在试验中可忽略不计 分别制作孔隙率为、的碾压混凝土试件配合比设计如表 所示表 碾压混凝土配合比.孔隙率/水/()水泥/()粉煤灰/()细骨料/()粗骨料/()减水剂/()/().应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报.试件的制备试件为标准的立方体碾压混凝土试件包含 种不同尺寸边长分别为、每个尺寸的试件分为、种孔隙率共 组每组 个试件龄期 试件的制备养护严格按照水工混凝土试验规程()要求进行操作 颗粒在碾压混凝土拌合时会产生上浮但当颗粒直径不大于 时上浮现象相对较弱故本研究将 颗粒直径控制在 以内 同时使用强制式拌合机进行拌合以确保 材料能够均匀的掺入混凝土浆体中 值得注意的是碾压混凝土中固有的孔隙结构在试验中不能避免且难以准确测定本试验忽略了其影响 具体步骤如图 图 碾压混凝土拌合流程.试验设备及方法加载设备使用西安理工大学材料性能实验室的 万能试验机试验机主要由主机、液压系统及数据处理系统组成 其工作流程:启动电源启动液压系统放置试件、调平加载记录数据试验完成卸载试件 试验设备和加载装置如图 所示图 试验设备和加载装置.此次抗压和劈拉试验的加载速率分别选择 /和./直至试件被破坏 劈拉试验时需在试件和上压板、下垫板之间放入垫条以确保试件受到的拉应力相同 对于垫条的选择根据 等研究将垫条宽度降低到试件边长的时其影响便可不计 根据规范选取垫条的尺寸如表 所示表 垫条规格.试件边长/截面尺寸(/)/.试验现象抗压试验过程中每个试件都能持续听见裂缝开裂的声音破坏前伴随着激烈的响声还会有碎片弹出试件尺寸越大破坏时响声越大碎块崩落的距离越远 在受压期间随着荷载的持续增加试件表面开始出现竖向裂纹随着荷载增大竖向裂纹向外扩展形成更大的裂缝数量增多当横向变形大到足以使试件破裂时一些裂缝会延展至受压面的角部使试件表面开始掉落发生破坏如图()破坏后的立方体试件呈现了“八”字形破坏形状因为在液压机加载后上下面受到的约束相比中间要小导致破坏后上下截面较宽中间截面较细出现如图()所示的破坏形态 随着孔隙率的增加试件承载能力降低试件破坏时释放的能量变小碎块飞溅现象减弱响声变小图 抗压试验试件破坏形态.劈拉试验中试验开始时试块并没有表现出明显的变化随着荷载的增加试件两垫条之间竖直方向挤压面上开始出现许多裂纹这些裂纹逐渐扩展并贯穿成为一条宏观裂缝最后裂缝变宽伴随着一声清脆的崩裂声试块发生断裂被劈成两半如第 期张晓飞 等:不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报图 观察试块的开裂面发现孔隙率越小断面越平坦反之孔隙率越大断面越不平整 这是因为随着孔隙率的增加试件整体性降低开裂面呈现出越来越不规则的情况图 劈拉试验试件破坏形态.试验结果分析通过试验发现试件内部的碎石和砂粒的分布较均匀 颗粒也均匀分布在混凝土浆体中可以认为使用 颗粒来定量模拟混凝土内部孔隙的方法是可行的.孔隙率对碾压混凝土强度的影响现对 碾压混凝土 的抗压强度和劈拉强度进行分析 由于原始数据过多仅在表 中给出了孔隙率为时的强度试验数据根据/规范将试验结果整理如表 所示相对强度是以孔隙率 的碾压混凝土强度为基准各组强度值与基准值的比值强度损失是强度差值与无孔隙碾压混凝土强度的比值()()()()变异系数为()表 强度试验数据整理汇总表.孔隙率/试件编号试件尺寸受压荷载/抗压强度/劈拉荷载/劈拉强度/.表 不同孔隙率下标准试件强度试验数据汇总表.试验数据抗压试验劈拉试验平均强度/.相对强度/.强度损失/.标准差/.变异系数/.对于孔隙率和强度的关系许多学者都提出了相关公式为了良好反映孔隙率与强度的关系本研究采用了 指数公式进行拟合即 ()()应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报其中:为孔隙率为 时的强度 为孔隙率为 时的强度 为经验常数利用指数公式拟合出强度与孔隙率的变化关系曲线为了更直观分析孔隙率对混凝土强度的影响整理计算出碾压混凝土强度损失情况绘制如图 的变化曲线图图 立方体抗压强度随孔隙率的变化曲线.图 劈拉强度随孔隙率的变化曲线.图 强度损失随孔隙率的变化曲线.根据试验数据和变化曲线 将实验结果与指数公式拟合得到如下拟合公式 碾压混凝土抗压强度为.(.).()碾压混凝土劈拉强度为.(.).()其中:为抗压强度为劈拉强度由表、图 和图 发现孔隙率从 依次增加到、碾压混凝土抗压强度分别降低了.、.、.劈拉强度分别降低了.、.、.由图 可以看出随着孔隙率增加碾压混凝土的抗压强度和劈拉强度都有明显的降低但碾压混凝土的抗压强度损失要大于劈拉强度损失 原因可能是试件受压破坏过程受到整个试件的孔隙结构的影响而试件受到劈拉破坏只和劈裂面上的孔隙结构有关 当孔隙率增大时其抗压强度的降低呈现减缓趋势而劈拉强度却出现上下波动可能是 颗粒在拌合时上浮所致碾压混凝土的孔隙率增大导致其抗压强度和劈拉强度降低孔隙含量的增加对碾压混凝土的强度产生了不良影响 由试验结果来看强度和孔隙率的关系高度符合 指数公式可以认为在低孔隙率的情况下可以使用该公式进行孔隙率和强度之间的计算.孔隙率对碾压混凝土强度尺寸效应的影响研究 为了分析孔隙率对尺寸效应的影响将试件边长为、的 组对比试验的成果进行整合得到如表 所示数据表 强度尺寸效应试验数据汇总表.试件编号抗压试验强度值/强度差值/变异系数/劈拉试验强度值/强度差值/变异系数/.从表 中可以看出各组数据均与标准值有一定偏差但偏差不大其中抗压强度值偏差较小最大为.而劈拉强度值偏差则较大最大为第 期张晓飞 等:不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 但均小于 试验结果较为可靠为了能更加细致和准确的研究尺寸变化对于强度的影响本研究引入尺寸换算系数这个概念并且采用规范规定的标准试件强度值作为对照以边长 的标准立方体试件的强度为基准其与 和 的立方体试件强度值的比值、则为尺寸换算系数比值大小可以间接反映试件强度与尺寸之间的关系尺寸换算系数与 之差的绝对值越大表明不同尺寸试件的强度相差越大抗压强度换算公式为()()劈拉强度换算公式为()()其中:、为试验实测边长、碾压混凝土试件的抗压强度、为试验实测边长、碾压混凝土试件的劈拉强度根据公式计算尺寸换算系数如表 所示表 抗压强度尺寸换算系数值.孔隙率/.表 劈拉强度尺寸换算系数值.孔隙率/.现根据表 中数据绘制 种孔隙率下的碾压混凝土强度随尺寸变化图以及抗压强度和劈拉强度的尺寸换算系数如图 所示从表 和图、图 中可以看出随着孔隙率增大各个试件的强度均降低但幅度各有差异以孔隙率 为基准各组试件表现如下当碾压混凝土孔隙率增加到、和 时尺寸换算系数 减小了.、.和.增加了.、.和.减小了、.和.增 加 了.、和.图 抗压强度与几何尺寸关系图.图 劈拉强度与几何尺寸关系图.图 强度尺寸换算系数对比图.从试验结果来看试验所用的各组 碾压混凝土均产生了较为明显的尺寸效应但可以发现各组的强度变化并不相同 图 可以发现从初始的孔隙率到 孔隙率尺寸换算系数逐渐偏离孔隙率越大与 之差的绝对值越大此时试件强度变化幅度更大说明碾压混凝土的强度尺寸效应越明显 究其原因认为这与碾压混凝土内部的非均 应用 力 学 学 报第 卷投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报匀性相关随着孔隙率的增加碾压混凝土内部孔隙增多其非均匀性也越大内部损伤越多失效概率越大受到外界荷载时材料也更容易被破坏强度降低 结 论本研究根据碾压混凝土力学性能试验定性分析了碾压混凝土强度随孔隙率的变化讨论了孔隙率对于碾压混凝土尺寸效应的影响可以得出如下结论)碾压混凝土抗压强度、劈拉强度均随着孔隙率增大而减少由于加载类型导致试件破坏方式的不同相同孔隙率变化情况下碾压混凝土的抗压强度损失量要大于劈拉强度的损失量)根据试验情况在低孔隙率下可以认为碾压混凝土的强度和孔隙率符合指数关系为混凝土强度计算提供了一种方法但在高孔隙率的情况下该关系尚需进一步进行验证)孔隙率的增加尺寸变化对碾压混凝土强度的影响越大影响试件强度的尺寸效应越明显参考文献:封伯昊张立翔李桂青.混凝土损伤研究综述.昆明理工大学学报(自然科学版)():.()():().雷光宇韩霁昌党发宁等.细观混凝土数值模型对比分析研究.应用力学学报():.():().席仕军左宇军孙文吉斌等.基于数字图像处理的含缺陷混凝土破裂过程研究.应用力学学报():.():().田梦云张恩曹瑞东等.基于细观尺度的混凝土单轴力学性能仿真计算分析.应用力学学报():.():().贾金青胡玉龙王东来等.混凝土抗压强度与孔隙率关系的研究.混凝土():.():().陈代果付东山.水灰比、孔隙率对透水混凝土性能的影响.西南科技大学学报():.():().常西亚卢爱红胡善超等.孔隙率对混凝土力学性能及能量耗散的影响研究.新型建筑材料():.():().张德思成秀珍.硬化混凝土气孔参数的研究.西北工业大学学报():.():().肖诗云朱梁.孔隙对混凝土宏观力学性质的影响.沈阳建筑大学学报(自然科学版)():.()():().徐德飞.孔隙率和尺寸效应对透水混凝土力学性能的影响研究.商品混凝土():.():().申嘉荣徐千军.高温对混凝土孔隙结构改变和抗压强度降低作用的规律研究.材料导报():.():().金浏杜修力.孔隙率变化规律及其对混凝土变形过程的影响.工程力学():.():().王杰李兆瑞.孔隙混凝土损伤破坏的数值模拟.湖南文理学院学报(自然科学版)():.()():().王展展刘肖凡郭巍.透水混凝土不同孔隙率下细观数值模拟研究.武汉轻工大学学报():.第 期张晓飞 等:不同孔隙率的碾压混凝土力学性能试验研究 投稿网站:/.微信公众号:应用力学学报 .():().宋力王大国杨阳.基于细观力学的混凝土弹塑脆性损伤研究.应用力学学报():.():().郭文康张晓波王述银等.原材料品种对水工碾压混凝土性能的影响.长江科学院院报():.():().张社荣宋冉王超等.碾压混凝土的动态力学特性分析及损伤演化本构模型建立.中南大学学报(自然科学版)():.()():().张业旭许舰.碾压混凝土单轴压缩数值模拟研究.山东工业技术():.():().黎保琨彭一江.碾压混凝土试件细观损伤断裂的强度与尺寸效应分析.华北水利水电学院学报():.():().屈彦玲杨茜张相龙.碾压混凝土劈裂抗拉强度及其尺寸效应的细观数值研究.公路交通科技():.():().周可可.轻质混凝土的实验研究与数值模拟.上海:上海交通大学.():.张金喜金珊珊.水泥混凝土微观孔隙结构及其作用.北京:科学出版社.(编辑 李坤璐)