双轴压下活性粉末混凝土的力学性能.pdf

第 1 4卷第 3期 2 0 1 1年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI L DI NG MATE RI AL S Vo 1 1 4 ， No 3 J u n ， 2 0 1 1 文章编 号： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 3 0 5 0 6 双轴压下活性粉末混凝土的力学性能 余 自若 ， 安 明 拮， 王志建 ( 北 京交 通 大学 土 木工 程学 院 ， 北 京 1 0 0 0 4 4 ) 摘 要 ：为 了满足 对 活性 粉 末 混凝 土 ( RP C) 结 构 进 行 非 线 性 分 析 和 设 计 的 需要 ， 通 过 试 验 研 究 了 RP C试件在 双 轴 受压状 态下的 强度 和 变 形特 性 ， 分 析 了 RP C 的破 坏 形 态、 双 轴 抗 压极 限 强度 、 峰 值应变、 应力一 应变曲线等变化规律， 给 出了 R P C的二轴峰值应力 包络 图与峰值应 变包络图， 建立 了主应 力 空 间下 RP C的双 轴破 坏 准则 ， 为 R P C按 多轴 强度 理论 进行 设计 提供 了试 验依 据 关键 词 ：活性粉 末 混凝 土 ( R P C ) ；双轴 压 ；强度 ；变形 ；破 坏 准则 中图分 类号 ： T U5 0 1 文献 标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 1 0 3 0 0 4 M e c ha n i c a l Pr o pe r t i e s o f Re a c t i v e Po wd e r Co n c r e t e u nd e r Bi a x i a l Co mp r e s s i o n yU zi r u o。 AN Mi n g z h e， WANG Zh i - j i a n ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Be ij i n g 1 0 0 0 4 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Fo r p u r p o s e o f p e r f o r mi n g t h e n o n l i n e a r a n a l y s i s a n d d e s i g n i n g r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( RP C) s t r uc t ur e，e xp e r i me nt a l i n v e s t i ga t i o n of t he d e f or ma t i o n a nd s t r e ng t h of RPC s p e c i m e ns wi t h s i z e o f 1 5 0 mm 1 5 0 mm 5 O m m u nd e r b i a x i a l c o mpr e s s i on wa s c a r r i e d o ut Th e s t r e s s e s a n d s t r a i ns a t t he b i a x i a l l oa di n g d i r e c t i o ns o f RPC s pe c i m e n s we r e o bt a i ne d u nde r bi a xi a l s t r a i n c o nt r o l l e d l o a di ng c o nd i t i on Ba s e d o n t he t e s t da t a，t he c h a ng e r ul e o f t h e f a i l u r e m o de s，bi a x i a l c o mpr e h e ns i v e s t r e s s ，p e a k s t r a i n a nd t h e s t r e s s - s t r a i n c u r ve s we r e s t u di e dThe bi a xi a l s t r e ng t h e nv e l o p a n d p e a k s t r a i n e nv e l o ps o f RPC we r e obt a i ne d。 The f o r m u l a o f Kup f e r Ge r s t l e f a i l u r e c r i t e r i o n f or RPC u nd e r bi a xi a l c ompr e s s i on i s p r op os e d， w h i c h p r o v i d e e xpe r i me nt a l ba s e f o r t he de s i g n of RPC s t r u c t u r e c o ns i de r i ng t he mul t i a x i a l s t r e n gt h Ke y wo r d s ：r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ( RP C) ；b i a x i a l c o mp r e s s i o n；s t r e n g t h；d e f o r ma t i o n；f a i l u r e c r i t e r i o n 在 目前 采 用 常规 混 凝 土 建 造 的 结 构 中， 由于 H 照 、 温度、 二氧化碳 、 干湿循环、 冻融循 环、 交变应变 等 因素的影响 ， 出现了结构寿命和安全度降低的问 题 1 ， 而维修 加 固这些 工程 会 造成 大量 资源 消 耗 因 此研究开发少维护、 高耐久性、 高强度混凝土和如何 利 用 高性 能混 凝 土 成 为 一个 亟 待 解 决 的关 键 问题 活 性粉 末 混凝 土 ( r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ，R P C ) 是 2 0世纪 9 0年代法 国学者 Ri c h a r d等瞳 研制开发 的一种 新 型混凝 土 ， 是 材料 堆 积 最 密 实 理 论 与纤 维 增强理论 相结 合 的先进 水泥 基复 合材料 现有 研 究_ 3 表明， R P C作为一种具有超高强度、 高耐久性 和高韧性的新型水 泥基 复合材料 ， 若应用于高层 建 筑 、 混凝土制品工程 、 港 口和海洋工程、 防护工程 、 隧 道及地下工程和水利工程等领域 ， 必将带来极大 的 经济效益和社会效益 但在这些结构物中， 大多数混 凝土都处于明显 的二轴或三轴应力 状态 ， 虽然关 于 普通混凝土多轴应力状态下的变形和强度特性 已有 很多研究 7 - 1 1 ， 但与普通混凝土相 比， R P C在配制时 取消了粗骨料、 添加了钢纤维并发生了活化反应 ， 导 致两者力学和变形性能都有很大差别 ， 若在 R P C结 构设计时简单套用普通混凝土的研 究结果 ， 很可 能 会造成设计结果 的不安全或偏于保守 本文在试验 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 3 0 2 ；修 订 日期 ： 2 0 1 0 0 3 2 9 基金项 目： 北京交通大学基本科 研业务费资助项 目( 2 0 0 9 J B M0 7 0 ) 第一作者 ： 余 自若( 1 9 8 O 一) ， 女， 贵州兴 义人 ， 北京交通大学讲师 ， 博士E ma i l ： z r y u b j t u e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 余 自若 ， 等 ： 双轴压下活性粉末混凝 土的力学 性能 3 0 7 属于“ 柱状压坏” 破坏形式 ； 当 k 一0 3时， 试 件上形 成与 。 一 。 作用面平行的裂缝 面， 说明试件在 和 的共 同作 用 下 沿 自由 面 产 生 较 大 拉 应 变 ， 属 于 “ 片状 劈 裂”破坏 形式 ； 当 忌 一1 0时 ， 试 件 在 两对 受 压面 上均 出现斜 向裂缝 ， 斜裂 缝相 互 交结 ， 将试 件 分 割成角锥体 ， 最终发生角锥体相互滑移并伴 随边角 局部压碎的破坏 但 由于 R P C试件 中的钢纤维发挥 作 用 ， 致使 裂缝 面并 未完 全贯 通 2 2 强 度特 征 按照前述 试验 方法 ， 根据 试验 结果 分别 绘 出 R P C在竖 直 、 水 平 方 向上 和 。的应 力 一 应 变 曲 线 ， 从曲线上读得 R P C在不同应变 比加载下 的极限 抗压强度及相应峰值应力点的应变 ， 如表 2所示 其 中： 0 p 2 ， e 。 分别为与峰值应力 和 对应的峰值应 变 为峰值应力 比， 一 f 3 表 2不同加载状态下的 RP C双 轴抗压 强度和峰值应 变 Ta b l e 2 M u l t i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e n g t h a nd p e a k s t r a i n o f RP C u n d e r v a r i o u s s t r a i n r a t i o s M e a n 1 M e a n 0 4 5 6 0 5 0 8 0 4 4 2 M e a n 2 2 1 双轴 强度 变化 规律 表 2数 据 显 示 ， 不 论 施 加 的 应 变 比 如 何 ， R P C 在双轴压荷载作用下的极 限抗压强度都较单轴压极 限抗压强度 有所提高， 而提高幅度则随应变 比的 不 同而 不 同 图 4为 R P C双 轴压 强度 随 应变 比变化 的规律 由图 4可见 ： 当 k 一0 0 1时 ， f 3 随 应 变 比 的增大提高较快 ； 在 忌 一0 1附近， 极限抗压强度提 高值最大， 此 时峰值应力 比均值 _ f 一0 2 7 9 ， RP C的 双轴极 限抗压 强 度 比单 轴 极 限抗 压 强 度 提高 了 3 1 6 2 初步分析认为这是 由于 RP C中初始缺陷 极少且掺加 了钢纤维， 使材料整体性增强 ， 因此较小 的侧 向约束便可使其强度获得提高 当 足 0 1 后 ， 的增长值有所下降， 而侧 向峰值应力 则 随应力 比的增大持续递增 日 星 图 4 应变 比对双轴压下 R P C极 限抗压强度的影响规律 Fi g 4 I n f l u e n c e o f s t r a i n r a t i o o n t h e u l t i m a t e s t r e n g t h f o r RP C u nd e r b i a x i a l c o mp r e s s i o n 文献- i 4 认 为， 混凝土多轴压强度提高倍数 除 受应力状态和应力 比影 响之外 ， 还取决于混凝 土的 脆硬性 ， 混凝 土脆硬性越大 ， 提高倍数越小 本文 中 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O 8 建筑材料学报 第 l 4 卷 R P C减摩后单轴抗压强度( - 厂 一1 1 0 2 2 MP a ) 比文 献 1 4 中 的 一 般 高 强 高 性 能 混 凝 土 ( f 一 6 0 1 6 MP a ) 和 普通混 凝 土( 厂 一3 4 2 O MP a ) 增 大 了 数倍 ， 但其双轴抗压强度提高倍数 ( 1 3 1 6 2 ) 与普通 混凝土的相应值 ( 1 3 3 ) 相 比则没有 明显的降低 ， 与 普通高强高性能混凝土的相应值 ( 1 2 6 ) 相 比甚至有 所提高， 这说明 RP C中初始缺陷的降低和钢纤维的 掺加增强了混凝土的韧性 ， 使材料脆硬性并未 因强 度 的提高 而增 大 2 2 2 应 力 空 间强 度包 络线 混凝 土 的多轴 强度 和强度 包络 曲线 是混凝 土极 其重要的性质， 在经典混凝土力学理论 中占有重要 地位口 根据表 2中的峰值应力均值 ， 绘制出 R P C 双轴压 一 压 区的强度 包络 线 ， 如 图 5所示 图 5 应力空间中 R P C的双轴强度包络图 Fi g 5 Bi a xi a l s t r e ng t h e nv e l op i n s t r e s s s p a c e of RPC 2 3变 形性 能 2 3 1 峰值应 变变 化规 律 图 6为在双轴压应力状态下， R P C侧压 向( 水 平) 峰值应变 e 和主压向( 竖直) 峰值应变 随应变 比的变 化 规律 由 图 6可见 ，R P C试 件 单 轴受 压 时 峰值应力点的应变小于双轴压时的竖向峰值应变 O 0 2 04 06 08 1 0 七 图 6 应变 比对双轴压下 R P C峰值应变的影 响规律 Fig6 I n f l ue nc e of s t r a i n r a t i o on t he p e a k s t r a i n f or RP C u n d e r b i a x i a l c o mp r e s s i o n 同极 限抗压 强度 一样 ， R P C试 件主 压 向应 变 e 。 平均值的提高程度 随 k的不同而不 同 结合表 2中 的数据 可知 ， 在 k 一0 1时 ， 主 压 向峰 值应 变 提 高 最 大 ， 提 高值 为 3 9 7 2 随应 变 比的增 加 ， 侧 压 向 应变 。 则呈线性增加 ， 双轴等压时达到最大峰值压 应 变 e 一s 2 3 2 峰值 应 变包络 线 应变空间的强度准则( 峰值应变包络线) 在理论 和应 用 中也具有 十分 重 要 的 意义 由 于本 试 验 采用 了应 变控制 加载 方式并 且应 变采 集 系统具 有相 当高 的精度， 所 以通过多轴应力应变 曲线识别 出的峰值 应变波动较小 ， 具有相当好 的可信度 将 R P C峰值 强度对应 的峰值应变绘制成曲线， 可得其应变空间 峰值应变包络图， 见 图 7 图 7 R P C峰值应变包 络图 Fi g 7 Bi a x i al p e a k s t r a i n e n ve l o p i n s t r a i n s pa c e o f RPC 2 4 应 力一 应 变关 系 曲线 图 8为 不 同应 变加 载 比例下 ， RP C典 型试 件 的 双轴压应力一 应变关 系曲线 从 图 8可 以看 出， R P C 双轴应力一 应变曲线和单轴曲线都包括线性上升段 、 非线性上升段和后续下降段， 而且在本文试验 中的 3种侧压条件下 ， 侧 向应变 e 均为压应变 但在不同 侧 压状态 下 ， R P C的应 力一 应 变 曲线 形 状又 有 差 异 ： 其 中k 一0 1时 ， 对应 峰值应力 比 a 一0 2 8 ， 此时 RP C的极限抗压强度最大 ， 峰值应力点对应 的主压 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 1 0 图 8 R P C双轴压应力一 应变曲线 Fi g 8 S t r e s s - s t r a i n c u r v e s o f RP C u n d e r b i a x i a l c o mp r e s s io n 向应变值 。 也达到最大； 双轴压应力状态下， R P C 加 舳 加 O O 0 O O 0 O O 0 砌 如 如 如 4 4 3 3 2 2 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 余 自若 ， 等 ： 双轴压下活性粉末混 凝土的力学性能 3 O 9 应力一 应变关 系曲线 的线性上升段 比单轴受压时提 高 ， k值越大 ， 线性段提高 的幅度越大 ； 同时 ， 随着 k 值 的增加 ， R P C的弹性模量也随之提高 2 5实用 破坏 准则 Ku p f e r Ge r s t l e针对 普 通混 凝 土 提 出 的实 用 双 轴 压破 坏准 则 _ 】 5 表述 为 ： 段提高的幅度 越大； 随着应变 比 k的增加 ， R P C的 弹 性模量 也 随之 提高 ( 4 ) 根据本文试验所得数据 ， 给出了 R P C双轴 峰值应力包络图与峰值应变包络图； 建立了主应力 空 间下 RP C的 双轴 破 坏 准则 ， 为 RP C结 构 按 多 轴 强度理论进行设计提供了参考 一 十一 f o ( 1 ) 参 考 文 献 ： 一 参 考 文 献 ： 式 中 ： a为应力 比 将 Ku p f e r Ge r s t l e双 轴压包 络线 与 本文 RP C 双轴极限抗压强度平均值得出的包络线对 比( 见 图 5 ) ， 发现 曲线形状基本相似， 因此采用这种回归形式 建立主应力空间下 R P C的双轴强度准则 ， 即： 一 高 ( 2 ) 式 中： C ， d均为待定 的回归系数 根据试验结果 回归求得 ： C 一4 8 5 3 ， d一1 2 6 6 ， 相关系数 r =0 9 7 5 5 ， 即 R P C的实用双轴压破坏准 则 可 以写为 ： f o 一 ( 3 ) 图 9给出了由式 ( 3 ) 建议 的破坏准则和实测值 的 比较 由图 9可 以看 出， RP C在双轴压下破坏准 则模型的包络线与试验值符合较好 ， 具有可应用性 口 f 图 9式( 3 ) 与试验值 比较 F i g 9 C o mp a r i s o n o f E q ( 3 ) a n d t e s t v a l u e s 3 结 论 ( 1 ) 双轴受压应力状态下 ， 随着应变 比的不 同， R P C有柱 状压 坏 和片 状 劈裂 破 坏 形 态 ； 由于钢 纤 维 的作 用 ， RP C的破 坏具 有一 定塑 性特 征 ( 2 ) RP C在双轴 压 作用 下 的极 限抗压 强 度 和 主压向峰值应变 e n 均 比其单轴抗压强度 和峰值 应变 e 。 大 在应变 比 k 一0 1附近， 。 和 e 提高值最 大 ， 此时峰值应力 比均值 口 为 0 2 7 9 ， R P C的 f 3 比 提高 了 3 1 6 2 ， e f 3 比 e 提高了 3 9 7 2 ( 3 ) 双轴压应力状态下 ， R P C应力一 应变关系曲 线的线性段 比单轴受压时提高， 应变比 k越大 ， 线性 1 丁大钧 高性能混凝土及其在工程 中的应 用 M 北 京 ： 机械 工业出版社 2 0 0 7 ： 1 5 D I NG Da j u n Hi g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n e n g i n e e r i n g M B e ij i n g ： C h i n a Me c h i n e P r e s s ， 2 0 0 7 ： 1 5 ( i n Ch i n e s e ) 2 R I C HAR D P， CHEY RE Z Y M C o mp o s i t i o n o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 )： 1 5 0 1 - 1 5 11 3 B O NN EAU O， P OUL I N C， D uGAT J ， e t a 1 Re a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e ： F r o m t h e o r y t o p r a c t i c e J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 6， 1 8 ( 4)： 47 4 9 4 柯开展， 蔡文尧 活性 粉末混凝土 ( RP C ) 在工程结 构中的应用 与前景E J 福建建材 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 1 7 1 9 KE Ka i z h a n。 CAI W e n - y a o Ap p l i c a t i o n a n d p r o s p e c t o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e o n t h e e n g i n e e r in g s t r u c t u r e J F u j i a n B ui l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 6 ( 2 )： 1 7 - 1 9 ( i n Chi n e s e ) 5 朱英磊 活性粉末混凝士 的性能研究及应用E J 混凝土 ， 2 0 0 0 ( 7 )： 3 1 3 3 Z H U Yi n g - l e i Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o n p e r f o r ma nc e o f r e a c t i v e p o wd e r c o n c r e t e J C o n c r e t e ， 2 0 0 0 ( 7 ) ： 3 1 - 3 3 ( i n C h i n e s e ) 6 张明波 基 于承 载力控制 的预应力 R P C梁设计理论研究 D 北京 ： 北京交通大学 ， 2 0 0 9 Z H ANG M i n g - b o Re s e a r c h o f d e s i g n t he o r y f o r pr e s t r e s s e d RP C g i r d e r b a s e d o n b e a r i n g c a p a c i t y D B e i j i n g ： B e i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y， 2 0 0 9 ( i n Ch i n e s e ) 7 宋玉普 多种混凝土材 料的本构关 系和破 坏准则 E M 北京 ： 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 2 ： 3 2 1 9 2 S ONG Yu p u Th e c o n s t i t u t i v e mo d e l e q u a t i o n s a nd f a i l u r e c r i t e r i a o f mu l t i f o r m c o n c r e t e ma t e r i a l s E M B e ii i n g ： Ch i n a W a t e r Po we r Pr e s s ， 2 0 0 2： 3 2 1 9 2 ( i n Ch i n e s e ) 8 过镇海 混凝土 的强度 和变形 ： 试 验基础 和本构关 系E M 北 京 ： 清华大学 出版社 ， 1 9 9 7 ： 1 5 9 2 3 0 GUO Zh e n - h a i S t r e n g t h a nd d e f o r ma t i o n o f c o n c r e t e ：Te s t f o u n d a t i o n a n d c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p M B e i j i n g ： Ts in g h u a Un i v e r s i t y Pr e s s ， 1 9 9 7： 1 5 9 2 3 0 ( i n Chine s e ) 9 王怀亮 ， 宋玉普 两种级配混凝 土试件 双轴作用 下强度 、 变 形 分析 J 人 民长江 ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 2 ) ： 5 3 5 5 ， 9 9 W ANG H u a i l i a n g， SONG Yu p uS t r e n g t h a n d d e f o r ma t i o n a n a l y s i s o f 2 g r a d e d c o n c r e t e s p e c i me n s wi t h d i f f e r e nt - s i z e s u n d e r d o u b l e a x i s a c t i o n J Y a n g t z e Ri v e r ， 2 0 0 8 ， 3 9 ( 1 2 ) ： 5 3 5 5 ， 9 9 ( i n Chi n e s e ) ( 下转第 3 1 6页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 1 6 建筑材料学报 第 1 4卷 ( 上接第 3 0 9页 ) 1 0 J I ANG L i n h u a ， HUANG D a h a i ， X I E Ni a n - x i a n g B e h a v i o r o f c on c r e t e u n d e r t r i a x i a l c o m p r e s s i v e c o mp r e s s i v e 。t e n s i l e s t r e s s e s E J AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8 ( 2 ) ： 1 8 1 - 1 8 5 1 1 GB 5 0 0 1 O 一2 O O 2 混凝土结构设计 规范 s GB 5 0 0 1 0 -2 0 0 2 C o d e f o r d e s i g n o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s S ( i n Ch i ne s e ) 1 2 李杰， 任晓丹 ， 杨卫忠 混凝 土二维本构 关系试验研 究 J 土 木工程学报 ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 4 ) ： 6 - 1 2 I I J ie， REN Xi a o d a n。 YANG We i z h o n g Ex p e r i me nt a l s t u d y o n 2 - D c o n s t i t u t iv e r e l a t i o n s h i p f o r c o n c r e t e J Ch i n a C i v i l En g i n e e r i n g J o u r na l ， 2 0 0 7， 4 0( 4 )： 6 - 1 2 ( i n Ch i ne s e ) 1 3 王怀亮 ， 陈雄 ， 关萍 大骨料 混凝 土在双 轴压应力状 态下的变 形和强度试验研究 J 大连大学学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 6 ) ： 8 l 一 8 7 W ANG Hua i l i a n g， CHEN Xi o n g， GUANG Pi n g Ex p e r im e n 一 1 4 1 5 t a l s t u d y o n d e f o r ma t i o n a n d s t r e n g t h o f ma s s c o n c r e t e u n d e r b i a x i a l c o mp r e s s i o n J J o u r n a l o f Da l i a n Un i v e r s i t y ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 6 )： 8 1 - 8 7 ( i n Ch i ne s e ) 宋玉普 ， 何振军 高强高性能混凝土在多轴压下强度与变 形性 能的试验研究 J 岩石 力 学 与工 程学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 增 2 ) ： 3 5 7 5 3 5 8 4 S 0N G Yu p u， HE Z h e n j u n E x p e r i me n t a l i n v e s t i g a t i o n o n s t r e n g t h a nd d e f o r ma t i o n o f p l a i n h i gh s t r e n g t h h i gh p e r f o r m a n c e c o n c r e t e u n d e r mu l t i a x i a l c o mp r e s s i o n J C h i n e s e J o u r na l o f Ro c k M e c h a n i c s a n d Eng i n e e r i n g， 2 0 0 8， 2 7( S u p 2)： 35 7 5 3 5 8 4 ( i n Ch i n e s e ) KUPFER H B。 GERS TI E K HB e h a v i o r o f c o nc r e t e u n d e r b i a x i a l s t r e s s e s J J o u r n a l o f t h e E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s D i v i s i o n ASCE， 1 9 7 3， 9 9 ( 4) ： 8 5 3 8 6 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m