单轴受压状态下的混凝土力学特性研究.pdf
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1、第 4 O卷第 1 期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 5 7 单轴受压状态下的混凝土力学特性研究 陈 伟, 彭 刚, 周寒清 ( 三峡大学土木与建筑学院, 湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘要: 进行了 1 0 s 、 1 0一 s 、 1 0 s 三种应变速率下 C 3 0混凝土单轴压缩试验 , 对 比并分析了混凝土的单轴受 压强度、 变形特性以及弹性模量等力学性能。试验结果表明, 随着反应速率的不断增加 , 混凝土极限抗压强度呈增 加的趋势 , 混凝土的峰值应变呈减小的趋势 , 单
2、轴受压状态下t 昆 凝土的动态弹性模量比静态弹性模量陡然减小。 关键词: 混凝土; 受压; 应变速率; 试验研究 中图分类号: T U 3 7 文献标志码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 4) O l一 2 5 7 0 4 St u dy o f me c ha n i c a l p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e u n d e r u nia x i a l c o mp r e s s i o n c o n d i t i o n CHEN We i , PENG Ga n g, ZHOU Ha n q i
3、n g ( C o l l e g e o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r e , T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y , Y i e h a n g 443 0 0 2, C h i n a ) A b s t r a c t : U n i a x i a l c o m p r e s s i o n t e s t o f C 3 0 s t r e n g t h g r a d e c o n c r e t e h a s b e e n c a r r i e d o u t a t
4、 t h r e e l o a d i n g r a t e s ( 1 0一 s , 1 0 一 s , 1 O s )i n t h i s p a p e r An d t h e me c h a n i c a l p r o p e y o f c o n c r e t e a s u n i a x i al 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 c h a r a c t e r i s t i c a n d e l a s t i c mo d u l u s we r e a n aly
5、 s e d As t h e t e s t r e s u l t s s h o w a s f o l l o w Wi t h t h e i n c r e as e o f t h e r e a c t i o n r a t e , t h e u l t i ma t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o n c r e t e wa s i n c r e a s i n g a n d t h e p e a k s t r a i n o f t h e c o n c r e t e wa s a d e c
6、r e a s i n g t r e n d B e s i d e s , t h e s t a t i c mo d u l u s o f e l ast i c i t y o f c o n c r e t e d y n a mi c e l a s t i c mo d u l u s r a t i o u n d e r u n i a x i al c o mp r e s s i o n i s s u d d e n l y r e d u c e d Ke y wo r d s: c o n c r e t e; c o mp r e s s i o n ; s
7、t r a i n r a t e ; t e s t s t u d y U 刖 吾 由于试验设备限制, 众多的研究都是集中于小 尺寸 引、 强度 等级低 、 侧应力 较小 的混凝 土单 轴抗压试验 。对于体积较大、 强度等级较高、 侧 应力较大的混凝土试件在单轴应力状态下 的研究较 少 。 , 所 以 , 本文 开展 了强度 等级为 C 3 0、 边 长为 3 0 0 m m的立方体混凝土试件在单轴应力作用下的 动态压缩试验研究 , 对处于复杂应力状态下 的混凝 土结构有 了进一步 的认识 , 给实 际工程提供 了实用 的参考资料。 1 试 验概况 1 1 试验设备 本次试验采用的是三峡大
8、学和长春市朝阳试验 仪器有限公司联合研制生产的 1 0 MN微机控制 电液 伺服大型多功能动静力三轴仪。该系统是由3个独 立 的油缸来施加 3个相互垂直方 向的荷 载 , 竖 向最 收稿 日期 : 2 0 1 2 1 0 1 9 ; 修 回 日期 : 2 0 1 2 1 1 - 0 8 作者简介 : 陈伟( 1 9 8 9一) , 男 , 在读硕士 , 研究方 向为结构工程 。 E ma i l : c h e n v e i 1 9 8 9 0 4 2 5 v i p q q c o l n 大承载力: 动力 5 0 0 0 k N , 静力 1 0 0 0 0 k N; 侧面水平 向最大承
9、载力 : 双 向 5 0 0 0 k N。试件在每个方 向的 位移都是由高精度电感式传感器测得, 测量精确度 达到 1 0一n a B。 1 2 试验制备 本次试验选取设计强度等级为 C 3 0的混凝土, 水泥为4 2 5的普通硅酸盐水泥, 试验拌和用水为饮 用水 , 细骨料为细度模数为 1 8的河砂 , 粗骨料采用 5 3 0 na n连续级配的碎石 , 养护 2 8天龄期 , 自然放 置 9个月后进行试验, 混凝土配合 比见表 1 。 表 1 混凝土配合比 T a b l e 1 P r o p o r t i o n s o f c o n c r e t e mi x ( k g m
10、) 试件编号 粗骨料 细骨料 水 水泥 水灰比 C 3 0 】 1 5 0 7 65 5 1 6 8 5 3 0 0 0 5 6 1 3 试验加载方案 试验加载过程分成两步, 第一步先将试件竖直 方向( 1 方向) 预压至 1 0 k N, 使试样与竖向传感器 充分接触, 第二步按照试验要求, 设置好竖向加载的 速率, 加载直至试件破坏, 同时采集竖向的变形和荷 载值 。 2 5 8 四川建筑科学研究 第 4 0卷 2试验结果分析 2 1 强度特性 经筛选 , 试验所得的不同应变速率下混凝土的 极限抗压强度见表 2 , 抗压强度提高比例见表 3 。 表 2 不同应变速率下混凝土极限抗压 强度
11、Ta b l e 2 Th e p e a k s t r e s s o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t s t r a i n r a t e M P a 表 3 不 同应变速 率下 混凝土极 限抗压 强度提高比例 Ta b l e 3 Th e r a i s i n g r a t e o f p e a k s t r e s s o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t s t r ain r a t e 从表 2 、 表 3可看 出, 随着应变速率 的增加 , 混 凝土的极限
12、抗压强度呈逐渐增加的趋势 。本试验 以 应变速率 1 O s 时的抗压强度为混凝土的准静态 过程的抗压强度 。当混凝土应变速率为 1 O I 4 s 时 , 极限抗压强度提高约 4 3 0 ; 应变速率为 1 0 s 时 , 提高约 6 8 3 ; 应变速率为 1 0 s 时 , 混凝土抗 压峰值应力比应变速率 1 O s 时提高约 2 3 8 。 图 1 为不同应变速率下试验所得的混凝土抗压 强度变化。 毯 蚓 鹫 图 l 不同应变速率下混凝土极限抗压强度( MP a ) Fi g 1 Th e p e a k s t r e s s o f c o n c r e t e u n d e
13、r d i r e n t s t r a i n r a t e 从图 1 可看出, 随着应变速率的增加, 混凝土的 极限抗压强度也在增加 , 混凝土的极 限抗压强度与 应变速率的对数成线性增加关系。 经分析, 本 试验 中混凝土抗压强度增加的主要 原因是 : 应变速率较低时 , 混凝土破坏裂纹主要沿强 度较弱的过渡区扩展, 过渡区和基体强度决定混凝 土的抗压强度; 应变速率较高时, 裂纹直接穿透骨料 而快速扩展 , 导致骨料被拉断而形成平直的断 口, 此 时骨料强度决定混凝土抗压强度。因为骨料 的抗拉 强度比过渡区高, 所以混凝土抗压强度增加。观察 试验现象, 随着应变速率的提高, 混凝土
14、破坏面的粉 末越少 , 骨料断裂数量明显增多, 且混凝土破坏裂缝 越来越接近直线 , 这也能证明上述结论的合理性。 2 2 峰值应变 混凝土在承受荷 载或环境改变时都将产 生变 形 , 从变形产生和构造特点分析可知 , 其主要 由三部 分组成 , “ : 1 ) 骨料的弹性变形 , 占混凝土机体绝大部分的 石子和砂子本身的刚度和弹性模量值均比混凝土要 高出很多, 即当混凝土达到极限强度时, 混凝土粗骨 料并不破坏, 其变形仍在弹性变形范围之内 , 卸载后 可恢复变形而不留残余变形 ; 2 ) 水泥凝胶体的粘性流动 , 水泥在水化作用之 后形成凝胶体 , 除了在受 到应力作用后产生的变形 外 ,
15、 还将随着时间的延续发生缓慢 的粘性流动 , 混凝 土变形不断地增长, 形 成塑性变形 , 卸载后 , 这部分 变形很可能不发生恢复而出现残余变形 ; 3 ) 裂缝的形成和扩展, 在拉应力作用下, 裂缝 将沿着与拉应力垂直的方向产生并随着外界因素的 变化而扩展, 最终形成贯穿裂缝; 在压应力作用下, 裂缝将大致沿着与压应力平行的方向产生 , 穿过粗 骨料界面和砂浆内部不断增多、 延伸扩展, 此时, 混 凝土 中将形成多个小柱体 , 纵向变形不断增长, 卸载 时大部分变形不能恢复 。本文得到不 同应变速率下 混凝土单轴抗压峰值应变 , 见表 4, 应变降低 比例见 表 5, 应变速率的变化关系如
16、图 2所示 。 表 4 不 同应变速率下混凝 土峰值应 变值 ( 1 0 。) Ta b l e 4 T h e p e a k s t r ain o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t s t r a i n r a t e( 1 0 ) 表 5 Ta b l e 5 不同应变速率下混凝土峰值应变降低比例 T h e d r o p p i n g r a t e o f p e a k s t r ain o f c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t s t r ain r a t e
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