三轴压的普通混凝土在冻融循环后的力学性能.pdf
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1、2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RESE ARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 I 0 3 0 0 8 三轴压的普通混凝土在冻融循环后的力学性能 姚家伟 ,覃 丽坤 。宋玉普 ( 1 大连民族学院 土木建筑工程学院,辽宁 大连 1 1 6 6 0 0 ;2 大连理工大学 海岸和近海 程国家重点实验室, 辽宁 大连 1 1 6 0
2、2 4 ) 摘要 : 冻融循环对北方寒冷地 区的混凝土结构物和水坝等产生不利影响。 采用快速冻融方法 , 对普通混凝土进行了 0 、 2 5、 5 0 、 7 5次冻 融循环 , 利用大连理工大学海岸和近海工程国家重点实 验室 的大型混 凝土静 、 动三轴试验 系统 , 对冻融循环后的混凝土进行 了应力 比为 0 1 : O 2 5 : 1 、 0 1 : O 5 : 1 、 0 1 :O 7 5 : 1 和 0 1 : 1 : 1 的常规三轴和真三轴试验 , 测得了混凝土 的强度和变形 , 并根据试验结果 , 系统地探讨 了应力比和 冻融循环次数对处 于常规三轴和真三轴受压下混凝土的强度和变
3、形性能的影响。 发现随冻融循环次数的增加 , 混凝土三个方向极限抗压强 度均相应 降低 , 但在相同冻 融循环次数后 , 由于应力 比的影响 , 极限抗压强度 比单轴时增大 。 在八面体应力空间建立了三轴压混凝 土在冻 融循环后 的破坏准则。 这些结论 , 为北方寒冷地区的混凝土结构 , 如水坝 、 混凝 土桥梁 、 路面及工业与 民用建筑等处于三轴压组合荷载作用 下混凝 土结构的设计 、 分析提供理论依据 。 关键词 : 混凝土 ;冻融循环 ;三轴压 ;力学性能 中图分类号 : T U5 2 8 0 l 文献标志码 : A 文章编号: 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 )
4、0 3 0 0 2 5 0 3 Ex per i men t al s t ud y on s t r e ng t h a nd de f o r ma t i on c ha r a c t er i s t i c of nor ma l c onc r e t e un de r t r i a x i a l c ompr e s s i on a f t e r f r e ez e- t haw c y c l i ng Y AOJ i a we i , Qt NL i - k u n , S ONG Yu - p u ( 1 S c h o o l o f C i v i l
5、E n g i n e e ri n g a n d Ar c h i t e c t u r e , Da l i a n Na t i o n a l i t i e s Un i v e r s i t y , D a l i a n 1 1 6 6 0 0 , C h i n a ; 2 S t a t eKe yL a b o r a t o r yo fCo a s t a l Of f s h o r eEn g i n e e rin g, Da l i a nUn i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y, Da l i a n 1 1 6
6、 0 2 4, Ch i n a) Abs t r a c t : Mo s t b u i l d i n g s s u c h a s c o n c r e t e s t r u c t ur e s a n d d a ms a r e b a dly e f f e c t e d b y fre e z e t h a w c y c l i n g Ac c o r d i n g t o t h e f a c t 0, 2 5, 5 O a n d 7 5 c y c l e s o ffre e z e t ha w c y c l i n g a r e ma d e
7、 t o n o r ma l c o n c r e t e, a n d t r i a x i a l c o mp r e s s i v e e x p e rime n t s o n s t r e n g t h a n d d e f o r ma t i o n o fn o rm a l c o n c r e t e a ft e r , u s i n g t h e l a r g e s t a t i c d y n a mi c t r i a xi a l t e s t s y s t e m f o r c o n c r e t e i n t h e
8、 S t a t e Ke y L a bo r a t o r y o fCo a s t a l a n d Offs h o r e En g i n e e rin g, Da l i a n Un i - v e r s i t y o f Te e h n o l o g yDe s i g n s t r e s s r a d i o s a r e 0 1 : O 2 5 : 1 、 0 1 :O 5 : l、 0 1 :O7 5: l a n d 0 1 : l : 1 Th e s tr e n g t h a n d de f o r ma t i o n o fc o
9、 n c r e t e i s me a s u r e d, t h e e f f e c t o f fre e z e t h a w c y c l i n g a n d s t r e s s r a t i o s Oil c o n c r e t e s tre n gth a n d d e f o rm a t i o n i s a na l y z e d b a s e d o n e x p e r i me n t a l r e s u l t s S t u d y o n t h e C X p e r i me n t i n d i c a t e
10、 s t h a t the t r i a x i a l c o mp r e s s i v e s t r e ngth o f c o nc r e t e i s d e c r e a s e d wi t h t h e i n c r e a s i n g o f fre e z e t h a w c y c l e s a n d t h e c o mp r e s s i v e s tr e n g t h i s g r e a t e r t ha n u ni a x i a l c o mpr e s s i v e s t r e n gth b e c
11、 a u s e o f t h e e ffe c t o fs tre s s r a t i o whe n c o n c r e t e e n d u r e d t h e s a me c y c l e s o f fre e z e t h a w c y 、 c l i n gFa i l u r e c r i t e rio n o f c o n c r e t e u n d e r t ria xi a l c o mp r e s s i v e s t r e s s a fte r fre e z e t h a w c yc l e s we r e e
12、 s t a b l i s h e d i n o c t a h e d r o n a l s t r e s s s p a c e Th e s t u d y r e s u l t p r o v i d e s s tr u c tur a l a s s i g n a n d a n a l y s i s f o u nd a t i o n f o r s t r u c tur e s o f n o nh e n r e g i o n s u c h a s d a m 、 c o n c r e t e b r i d g e a n d e c t wh i
13、c h wo r k i n t r i a x i a l c o mp r e s s i v e s ffe s s c o n d i t i o n K eywor ds : c o n c r e t e ; f r e e z e t h a w c y c l i n g; t r i a x i a l c o mp r e s s i o n; s t r e n g t hde f o rm a t i o n 0 引言 大多混凝土结构物是处于复杂应力状态 的, 特别是一些重 大的结构 , 如核反应堆压力容器 、 水坝、 海洋工程结构及工业与 民用建筑等, 大部分处于明显
14、的多轴应力状态。 目前, 国内外关 于混凝土多轴试验研究取得了一些进展 , 其中对于常规三轴 试验较多, 真三轴试验较少; 强度试验较多, 变形试验较少。 北方寒冷地区的道路 、 桥梁 、 及水工混凝土结构及工业与 民用建筑等, 经常承受冻融循环作用 , 冻融循环对混凝土的力 学性能产生不利影响, 所以, 对这些结构进行冻融循环后的复 杂应力状态下的力学性能分析十分必要。 目前, 现有的关于冻融 循环后t 昆 凝土性能的试验资料, 大多是以质量损失与动弹性模 量为标准, 针对混凝土抗冻安全设计等级而展开的, 然而, 在实 际应用 中, 最 关心 的是混凝 土的力学性能 , 如强度 的损失 直接
15、 关 系到建筑物使用性能及安全。 由于试 验设 备的缺乏和试验难 度大等原因, 现有的冻融循环后混凝土力学性能的研究资料, 都是针对单轴情况进行的 q , 对冻融循环后混凝土在复杂应力 下 的力 学性 能试验研究 未见报道 。 这种情况 , 极大地 限制 了人 们对北方寒冷地区的混凝土结构处于复杂应力下力学性能的 了解 。 混凝土三轴试验, 包括常规三轴试验和真三轴试验。 常规三 轴试验是最早实现的三轴受压试验, 即混凝土的二向主应力值 相等( ,; 2 , ) 。 真三轴试验即混凝土的三向主应力值不相等 ( #o r , ) , 混凝土真三轴试验需要有专用的加载、 试验设备, 收稿日期 :2
16、 0 1 0 1 0 1 2 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 5 0 4 7 9 0 5 9 ) ; 中国博士后科学基金( 2 O o 4 O 3 6 3 8 8 ) ; 国家建设部科研基金项目( 2 0 0 7 - k 2 2 4 ) ; 辽宁省教育厅高等 学校科学研究项目( 2 0 0 6 0 1 4 4 ) ; 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室( L P 1 0 0 2 ) ; 中央高校基本科研业务专项资金资助项目( D C 1 0 0 2 0 1 2 0 ) 2 5 大连理 工大学的大型混凝 土静 动 轴试验系统 能满足真三轴 的试验要求 , 本试验就是利用该设备进行的
17、。 通过大量试验 , 分析 了常规三轴和真三轴受压下 , 应力 比和 冻融循环 次数 对混凝土强度 、 变形特性 的影 响 , 在此基 础上建 立了以八面体应力空间表示的三轴压混凝土在冻融循环后 的 破坏准则 。 1 试 验 设 计 1 1 原材料与混凝土配合比 水泥采用大连水泥厂生产的 P O 3 2 5 级水泥 , 细骨料为 中 砂, 粗骨料为碎石, 最大粒径为 2 0 mm, 表 1 为混凝土每立方米 的配合比及性能指标。 表 1 每立方米混凝土的配合比及性能指标 1 2试 验 方 法 本研究为混凝土在 恶劣环境下的力学性 能研 究项 目的一 部分 , 由于整个项 目系统性试 验的工作量
18、很大 , 需要进行对 比 分析 , 所以 , 研究 中均采用 寸为 1 0 0 mr n x 1 0 0 mmx 1 0 0 mm 的 试件。 本试验的冻融方法足按照GB J 8 2 8 5 普通混凝土长期性 能和耐久性试验法 中抗冻性能试验的“ 快冻法” , 在大连理工 大学海岸和近海 二 程国家重点实验室的混凝土快速冻融试验 机( T DR 1 ) 上进行 见图 1 , i 亥 设备的最低温度为一 2 2, 最高温 度为 2 0。 提前 4 d 将养护好 的试件浸泡在温度为 1 5 - 2 0的 水中, 每次冻融循环应在 2 4 h内完成 , 试件 中心温度应分别控 制在 ( 一 1 7
19、-+ 2 ) 和( 8 -+ 2 ) 。 图 1 混凝 土 快 速 冻 融试 验 机 混凝土力学性能试验 , 是在大连理丁大学海岸和近海 程 国家重点实验室的大型静 、 动三轴电液伺服试验机上完成。 加载 控制部分由三部分组成, 垂直。向( 对应于应力方向为0- 向) 、 水平 向( 对应于应力方 向为 : 向) 和水平 , , 向( 对应于应力方 向为 向) 。 试验时 , 为保证水 平加 载不 出现偏心 , 一方 面, 可通过加载 头涂黄干油、 试件侧面采用三层塑料薄膜夹黄于油的措施, 另一 方面 , 可通过加载头的万 向球铰装置进行 自动调节。 先进行 向 预加载, 然后再依次施加两个水
20、平方向荷载, 卸载后以标准静 态加载速率 2 0 MP a mi n , 按三个方向的应力比同时施加荷载, 直 至试件破坏。 为了准确地量测试件变形值, 同时采用了两种试件 外部 测量方法 , 一 种是电阻应变 片直接量 测 ; 另一种是变形传 感器( 本文采用 L VD T) , 即每一个方向设置两支 , 以求它们读 数的平均值, 得到试件在该方向的位移和应变值, 以上两种方 法可以互相印证和补充 , 采用 L V D T的测量方法见图 2 。 应力比设 2 6 图 2 试件变形量测 为真三轴压的 l ; 0- 2 : 3 : 0 1 : 0 2 5 : 1 、 0 1 : 0 5 : l
21、、 0 1 :0 7 5 : 1 和常规三 轴压的 , : : : 3 = 0 1 : 1 : 1 , 冻融循环次数设为 0次、 2 5次、 5 0次 、 7 5 次。 每种冻融循环次数和应力比状态下, 至少试验 3 个试件, 当发现离散较大时, 增加试件数目, 以求数据的完整准确, 试件承 受的三个方向的压力, 位移和应变值均由计算机动态采集。 2 试验 结果及分析 2 1 试验 现 象 在混凝土三轴压试验中, 混凝土破坏形态与应力比有关, 由 于本试验中最小主压应力与最大主压应力之比 , 0 - 3 = 0 1 较小, 在第二主压向面发生斜剪破坏。 由于最小主压应力与最大主压 应力相差较大
22、 , 但相应地最大剪应力值( 。 一 0 r 3 ) 2 较大, 最终使 得破坏试件形成平行于 0- : 轴的斜裂缝面。 斜裂缝面只有一个或 二个, 约与最大主压应力 轴成 2 0 。 一 3 O 。 的夹角。 此裂缝面没有 间隙, 但有一定破裂宽度, 它与混凝土的受拉破坏裂缝完全不 同, 而与受压破坏特征相似。 2 2强度 性 能 按照前述试验方法, 测得的冻融循环后混凝土在三轴压下 的极限抗压强度及峰值应力点的应变见图3 、 4 。 表 2给出了极限 抗压强度平均值随冻融循环次数降低的百分比。 由图3 、 表 2可 见 , 随冻融循环次数 的增加 , 混凝 土三个 方向的极 限抗 压强度
23、均相应降低, 冻融循环后, 抗压强度随应力比的变化规律同常 态, 在应力比为 0 1 : O 5 : 1时, 极限抗压强度 增长幅度最大。 冻融循环对单轴抗压强度的影响大于对三轴抗压强度的影响, 如 7 5次冻融循环后的单轴抗压强度比冻融循环前的单轴抗压 强度降低 3 6 3 6 , 而在应力比为0 1 : 0 5 : l 时, 7 5次冻融循环后 的极限抗压强度 比冻融循环前降低 9 3 5 , 说明对三轴压状 态 的混凝土强度 , 应力比的影响要大于冻融循环次数的影响。三 轴受压状态的混凝土受应力比的影响, 使强度增长较大, 因此, 设计 中考虑这种强度增长 , 可大大节省材料 。 +0次
24、冻融循环 +0 次冻融循环 , +0次冻融循 环 0- 一 -2 5次冻融循 环 0- 一 I _ 2 5次冻融循环口, 一 _2 5 次 冻融循 环 a 一 5 O次冻融循环 口 一 5 O 次冻融循环 口, 一 5 0 次冻融循环 0- +7 5 次冻融循环 d 1 1 - -7 5 次冻融循环 口 , +7 5 次冻融循环 0- , 0 2 a 3 图 3 冻融循环后三轴压混凝土的极 限压应力 2 3 变形 性能 图4给出了不同冻融循环次数后和不同应力比下混凝土 峰值应力点 的应变。 表2 三轴压混凝土强度随冻融循环次数降低的百分比 +0次冻融 循环 s +0次冻融循 环 +0次冻融 循
25、环 8 一 2 5次冻融循 环 8 一 2 5次冻融循 环 一 2 5次 冻融循环 s 一 5 0次冻融循 环 8 一 5 O次 冻融循环 一 5 0次 冻融循环 s +7 5次 冻融循环 e +7 5 次 冻融循环 , +7 5次 冻融循环 8 d a 图 4 冻融循环后三轴压混凝土的应变 由图 4 可见 , 随冻融循环次数的提高 , 混凝 土三轴受压时i 个方向的峰值应力点的应变明显增加。 冻融循环后, 峰值应力点的 应变随应力 比的变化规律 同常态。 同时 , r , 。 o - , = 0 1 时 , 中间主应力 对峰值应力点的应变有影响, 但不太明显。由于侧压应力的作用, 使峰值应力
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- 三轴压 普通 混凝土 循环 力学性能
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