不同龄期混凝土动态力学性能研究.pdf
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1、第3 2卷第1 2 期 2 0 1 5年 I 2月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 32 No 1 2 De e 2 0 1 5 d o i : 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 0 1 4 0 5 7 2 不同龄期混凝土动态力学性能研究 黄仕超 , 彭刚 , 邹三兵 。 梁辉 , ( 1 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 ; 2 三峡大学 土木与
2、建筑学院, 湖北 宜昌443 0 0 2 ) 摘要: 对不同龄期( 2 8 , 1 1 2 , 1 8 3 , 3 4 5 , 8 1 0 , 1 2 4 8 , 1 5 5 0 d ) 的混凝土进行 了不同应变速率( 1 0 , 51 0 , 1 0一, 5 l 0 , 1 0 , 5 x 1 0, 1 0 I 2 s ) 下的单轴压缩试验, 试件尺寸为O1 5 0 m l n 3 0 0 m m, 研究了龄期和加载速率对混凝土 的力学性能影响。结果表明: 在同一龄期下, 混凝土的峰值应力随着应变速率增长而增大; 在同一应变速率下, 混凝土的峰值应力随着龄期的增长而增大, 8 0 0 d 后
3、峰值应力趋于稳定; 在同一应变速率下, 混凝土的吸能能力随 着龄期的增长而增加 , 表现出了峰值应力与龄期之间相似的规律。 关键词: 混凝土; 峰值应力 ; 应变速率 ; 龄期; 吸能能力 中图分类号: 1 W3 3 2 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 1 2 9 0 5 1 研究背景 混凝土的强度随着龄期的增长而增强, 而混凝 土结构设计时只考 虑混凝土 2 8 d的强度 , 没有考虑 龄期效应的影响。国内外很多学者对混凝土力学性 能进行 了大量研究 。A b r a m s等 J 研究 了混凝土 的动态特性 , 发 现混凝
4、土是 一种率 型材 料 ; 董毓利 等|5 主要研究了混凝土的动态力学性能; 朱伯芳 分析得 出混凝土极 限拉伸变形随着龄期而增 加 ; 尚 守平等 研究 了龄期对砌体构件受 压力学性 能 的 影响 , 随着龄期 的增加 , 砌体结构 的抗压强度逐渐提 高 ; 王甲春等 分析 了混凝土在早龄期 时温度应力 随龄期 的发展变化情 况 ; 吕坚等 引入龄期度 法 , 讨论应用龄期度法计算 早龄期混凝 土结构 温度应 力 。上述研究主要集中在静态作用下的混凝土龄期 效应, 但对动态作用下混凝土龄期效应研究较少。 鉴于此 , 本文主要研究了龄期作用下混凝土动态力 学性能 , 并构建 了混凝土率型龄期强
5、度模型 , 对工程 建设有一定的借鉴意义。 2 试 验过程 2 1 试件制备 试验所用的试件为 1 5 O m ill 3 0 0 m m的圆柱 体混凝土。水泥采用宜昌花林水泥有限公司生产的 标号为 P 0 4 2 5的普通硅酸盐水 泥。考虑到试验 所需的试件较多, 也为 了避免边壁效应对混凝 土强 度的影响, 采用整体式浇筑方式。养护 2 8 d 后采用 内径 1 5 0 m m的大功率取芯机对浇筑场地进行钻芯 取样 , 然后对芯样按取芯的顺序依次编号。取芯后 试样高度为( 4 0 0 5 ) m m, 为满足试验要求将试件 的两端进行切割、 打磨。混凝土强度等级和配合比 见表 1 。 表
6、1 混凝土单位体积的材料用量 Ta bl e 1 M at e r i a l u s ag e i n c onc r e te of p e r c ubi c me ter k g m 2 2加载试验 试验所用的没备为三峡大学和长春市朝阳试验 仪器有限公司联合研制的 1 0 M N微机电液伺服大 型多功能动静力三轴仪 。该仪器 主要 由控制 系统 、 伺服系统控制箱、 加载框架系统、 液压油泵、 围压系 统和计算机系统等部分组成 , 能独立地对 3个互相 垂直方向施加荷载。当加载速率为 1 O 1 0 s 的范围内时具有 良好的工作性能 , 满足本次试验的 要求。 试验过程如下: 装样,
7、 保持油缸、 小车、 垫块、 收稿 日期 : 2 0 1 40 71 4; 修回日期 : 2 0 1 40 81 3 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 2 7 9 0 9 2 ); 三峡大学研究生科研创新基金项 目( C X 2 0 1 4 0 1 0 ) ; 三峡大学 自主探索基金项 目; 三峡大学培优 基金项 目( 2 0 1 5 P Y 0 1 8 ) 作者简介 : 黄仕超 ( 1 9 8 9一) , 男 , 湖北黄冈人 , 硕士研究生 , 研究方 向为建筑与土木工程 、 混凝土材料动力特性及结构抗震 , ( 电话 ) 1 3 0 9 8 4 0 7 2 0 6 ( 电子
8、信箱) 2 7 1 6 1 3 0 4 0 q q t o m。 通讯作者: 彭刚( 1 9 6 3 一) , 男 , 湖南岳阳人, 教授, 博士生导师, 研究方向为混凝土材料动力特性及结构抗震, ( 电话) 1 3 9 7 2 6 0 4 4 3 3 ( 电子信 箱 ) g p e n g 1 5 8 1 2 6 c o i n 。 1 3 0 长江科学院院报 2 0 1 5篮 试件、 传力柱严格对中; 装变形计, 在试件上下垫 块之间安装轴 向变形计 , 变形计量程控制 在 3 5 4 0 m m之间, 然后进行调平 ; 预加 载, 当加载速率 为 1 0, 51 0 , 1 0 , 51
9、 0 s时, 选用辅助伺 服油源 , 当加载速率为 l 0 , 51 0, 1 0I 2 s时, 选 用主伺服油源, 加载之前要确认油源开关是否切换; 正式加载 , 对混凝 土试件进行单轴抗压试验 ( 考 虑 7种应变速率 , 即 1 0 , 51 0 , l 0 一, 51 0 一, 1 0 , 5 1 0 , 1 0 s ) 直至试件破坏; 卸载, 试件 破坏后 , 停止加载 , 保存数据 , 对破坏后 的试件进行 拍照, 清理试验场地 。 3 试验结果及分析 3 1 强度分 析 试验测得不同龄期的混凝土在 7种不同应变速 率 ( 1 0 , 51 0, 1 0一, 5 X 1 0 , 1
10、 0, 51 0 , l 0 s ) 下的峰值应力 , 具体数值见表 2 。 表 2单轴受压后的峰值应力 T a b l e 2 P e a k s t r e s s u n d e r u n i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t 件 不同应变速率下的峰值应力 M P a 龄 1 o一 s 51 0- 5 l 0 s 5 1 0- 4 l 0一 s 51 0- 3 l o一 s 28 3 3 7 5 3 3 1 1 3 5 3 2 3 8 2 5 4 2 1 2 41 5 9 4 1 6 2 1 1 2 3 6 02 3 8 8 O 4 1 7
11、6 4 2 7 O 4 7 2 7 4 7 4 9 4 8 8 6 1 8 3 3 8 6l 42 2 5 4 3 2 O 4 4 3 7 4 7 9 5 4 8 3 3 51 4 7 3 4 5 3 9 7 7 4 1 51 4 2 8 4 4 3 8 O 4 5 7 3 4 8 1 0 5 4 9 1 8l O 4 4 8 2 4 9 0 9 5 2 O 6 一 一 1 2 4 8 4 5 0 8 4 6 3 3 4 8 1 8 4 8 3 5 51 4 8 5 2 4 2 5 3 5 6 1 5 5 0 4 5 2 0 4 6 6 4 4 9 3 2 4 9 9 2 5 2 0 9 5
12、2 4 6 5 5 0 6 根据表 2的数据可以得出混凝土的峰值应力与 龄期的趋势如图 1 ( a ) 所示 , 混凝土的峰值应力的增 幅随龄期的变化如图 1 ( b ) 所示。 由图 1 ( a ) 可知 , 龄期在 0 2 8 d时 , 随着龄 期 增长 , 混凝土的强度迅速增大 , 这也符合混凝土的强 度发展规律。龄期在 2 81 8 3 d时 , 混凝土的强度 增长速率逐渐变慢, 1 8 3 d 之后几乎不增长。这是 因为混凝土的水化是混凝土矿物质与水之间的复杂 反应 , 而且随着反应 的进行 , 混凝 土中的水逐渐减 少, 体积收缩, 随着水的减少, 反应变慢, 混凝土的强 度增加幅
13、度也随之变慢。在同一龄期下 , 混凝土的 强度随着加载速率 的增加而增大 , 是 因为混凝土的 破坏是裂缝的发育和发展过程 , 试验结果也验证了 混凝土是一种率型敏感性材料。随着龄期的增长 , 峰值应力增大趋势逐渐变缓 , 混凝土的峰值应力增 大幅值最大可达 4 0 8 7 。 5 5 5 0 45 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 l 0 5 龄期, d ( a ) 混凝土峰值应力与龄期的关系 龄期 d ( b ) 混凝土峰值应力增 幅与龄期 的关 系 图 1 不 同应变速率下混凝土峰值应力及其增幅与 龄期 的关系 F i g 1 Re l a ti o n s h i p b
14、 e t we e n p e a k s t r e s s a n d i n c r e a s e d ma r g i n o f pe a k s t r e s s vs a g e o f c o nc r e t e und e r d i ffe r e n t s t r a i n r a t e s 国内外学者对混凝土强度随龄期的变化规律已 进行 了一些研究工作 , 也得到了一些结论 , 本文主要 用 以下 2种模型进行龄期模型构建分析。 3 1 1 双 曲线模 型 采用双 曲线对混凝土抗压强度与龄期之间的关 系进行描述 , 即 ( T )= ( H + ) 。 (
15、1 ) 式中 : 为养护龄期( d ) ; ( T ) 为龄期 时混凝土抗 压强度 ; H , 为材料参数 , 通过对试验数据 的拟合 得到。采用式( 1 ) 利用最小二乘法分别对应变速率 为 1 0。 。 , 51 0 , 1 0 , 51 0 , 1 0 , 51 0, 1 0 s的混凝土抗压强度进行拟合 , 拟合结果如图 2 所示 , 拟合参数如表 3所示。 对表 3中的数据分析可知 , 拟合参数 随应 变 速率 的变化呈正弦曲线规律 , 采用式 ( 2 ) 对拟合 参 数 进行拟合。 鲫 加 m 枣 b 第 1 2期 黄仕超 等 不同龄期混凝土动态力学性能研究 1 3 1 鼍 龄 期,
16、 d 图2 混凝土峰值应力与龄期的双曲线拟合曲线 F g 2 Hy p e r b o l i c fi t t e d c u r v e s o f p e a k s t r e s s a n d a g e o f c o nc r e t e un de r d i r e nt s t r a i n r at e s 表 3 混凝土峰值应力与龄期关系双曲线拟合参数 Ta bl e 3 Hy pe r bo l i c fit t e d p ar a me t e r s o f r e l a tion s hi p be t we e n pe ak s t r e s s
17、 a nd ag e of c o nc r e t e 日 =K + s i n 1 T ( 1 g b一 ) 。 ( 2 ) 式中: 毒为应变速率; l g k为应变速率的对数; K , , , 为拟合参数, 通过对试验数据的拟合得到。 拟合参数 日 与应变速率关 系如图 3 ( a ) 所示 , 可 以看 出式 ( 2 ) 能够较好地反映拟合参数 随应变 速率的变化规律。拟合 参数 随应 变速率 的变化 呈线性规律 , 采用式 ( 3 ) 对拟合参数 进行拟合 。 = +K 6 l g k。 ( 3 ) 式 中 , K 6 为拟合参 数 , 通过对试 验数据的拟合 得 到 。拟合参 数
18、与应变速率关系如图 3 ( b ) 所示 。 分析可知式 ( 3 ) 能够较好地反映拟合参数 随应变 速率的变化 规律。将式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 代人式 ( 1 ) 得 到混凝土动态率型龄期模型公式 ( 4 ) 。 l驴 ( a ) H 与应变 速率 的关 系 0 0 0 0 0 0 O -5 0- 4 5_ 4 0 3 5 3 0-2 5 2 0 l驴 ( b ) H 2与应变速率的关系 图 3 拟合参数 日, 和 日2与应变速率关 系 F i g 。 3 Re l a tio n s h i p b e t wee n fi t t i n g p a r ame t e r H
19、 1 a n d H2 VS s t r ain r a t e f_ 。 ( 4 ) 通过图 2和图 3的分析可知 , 用式 ( 4) 得 到的 混凝土的动态峰值应力值与龄期的关系曲线与本文 得到的实验结果吻合得较好 , 拟合 的决定系数均在 0 9以上 , 说明式( 4 ) 能够较好地反映两者之 间的变 化规律 。 3 1 2指数 模型 通过图 1可知 , 混凝 土的动态峰值应力与龄期 之间的变化趋势类似于指数增长的趋势 , 对表 2数 据进行分析 , 采用式( 5 ) 进行指数拟合 。 ( T )= J 1 e J 2 ( 5 ) 式中 : ( T ) 为混凝土强度 ( MP a );
20、J , 1 2 为材料参 数 , 通过对试 验数据的拟合得到。采用式 ( 5 ) 利用 最小二乘法分别对应变速率为 1 0 , 51 0 , 1 0 一, 5 x1 0, 1 O , 51 0 , 1 0 s的混凝 土的动态强 度进行拟合 , 拟合结果如图 4所示 , 拟合参数如表 4 所示 。 6 。 5 。 40 , 。 2 o 1 0 - l O -5 s 试验点 5 l O -S s 试验点 1 唐试验点 ,5 l , 目 试验点 1 0 - 3 s 试验点 - 5 x 1 0 - 3 s 试验点 1 0 s 试验点 一 1 s 拟合 曲线 5 | O - 5 s 拟合 曲线 1 0
21、s 拟合 曲线 一 5 x 1 s 拟台 曲线 l O - V s 拟合曲线 5 x l O -3 s 拟合 曲线 一1 0 - 2 s 拟合 曲线 0 2 0 0 4 0 O 6 0 O 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 O t 4 0 O 1 6 0 o 龄期 d 图4 混凝土峰值应力与龄期的指数拟合曲线 F i g 4 Ex p o n e n t i a l fi t t e d c u r v e d o f p e a k s t r e s s a n d a g e of c o nc r e t e 表4 混凝土峰值应力与龄期关系指数拟合参数 Ta b l e 4 Ex
22、 p o n e n ti a l fit t e d pa r am e t e r s o f r e l a ti o n s h i p be t we e n pe a k s t r e s s an d a g e of c o nc r e t e 对表 4中的数据分析可知, 拟合参数 , 随应变 1 3 2 长 江科 学院院报 2 0 1 5生 速率 的变化呈线性规律, 采用式 ( 6 ) 对拟合 参数 , , 进行拟合 。 J 1 = L l + L 2 l g k。 ( 6 ) 式 中 , L 为拟合参 数, 通过对试验数据 的拟合得 到。拟合参数 , 与应变速率关系如图
23、 5 ( a ) 所示 , 可 以看出式( 6 ) 能够较好地反映拟合参数 随应变速 率的变化规律。拟合参数 , : 随应变速率 的变化 呈 正弦曲线规律, 采用式( 7 ) 对拟合参数 , 进行拟合。 J 2 = 3 + 4 s i n 1 T ( 1 g bL 5 ) L 6 。 ( 7 ) 式中 , , , , 为拟合参数 , 通过对试验数据 的拟 合得到 。拟合参数 , 与应变速率关 系如 图 5 ( b ) 所 示 , 可 以看出式 ( 7 ) 能够较好地反 映拟合参数 随 应变速率 的变化规律 。将式 ( 6) 和 式 ( 7 ) 代 人式 ( 5 ) 得到混凝土动态率型龄期模型公
24、式( 8 ) , 即 ( T ):( L 】 +L 2 l g b ) e 一 i “ 竹 喜 一 L 5 k 。 ( 8 ) ( a ) J t 与应 变速率关 系 ( b ) J 2 与应变速率 关系 图5拟合参数 和 , 与应变速率关 系 F i g 5 Re l a t i o n s h i p b e t we e n fi t t i n g p a r a m e t e r Jl a n d J 2 V S s t r a i n r a t e 通过图 4和图 5的分析可知 , 用式 ( 8 ) 得到的 混凝土的动态峰值应力值与龄期的关系曲线与本文 得到的实验结果吻合得较好
25、 , 拟合的决定 系数均在 0 9以上 , 说 明式 ( 8 ) 能够较好地反映两者之间的变 化规律。 3 2吸能能 力分 析 混凝土的吸能能力是研究混凝土产生裂缝 以至 发生破坏所吸收能量的物理量 , 反 映 了 , 材料 内在力 学性能的特征 , Wa t s t e i n 】。 、 T a k e d a 等只研究了吸 能能力与应变速率 的关系而没有考虑龄期的影 响, 试验研究表明, 随着应变速率的增加, 混凝土吸能能 力也相应的增加。本文考虑了龄期影响下的吸能能 力 , 得到了一些可供借鉴的结论 。吸能能力 的计算 方法如式( 9 ) 所示。 S=U V=w 如。 ( 9 ) 式中:
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