不同MgO掺量混凝土动态损伤特性的研究.pdf
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1、 1 4 6 材料 导报 B : 研究篇 2 0 1 5年 9月( 下) 第 2 9卷第 9期 不 同 Mg O掺量混凝 土动态损伤特性的研究 张伟朋 , 宋来忠 , 彭 刚 , 梁辉。 ( 1 三峡大学理学院, 宜昌 4 4 3 0 0 2 ; 2 三峡大学土木与建筑学院, 宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要 对不 同 Mg O掺量( O 、 2 、 4 、 6 、 9 、 1 2 ) 的混凝土进 行 了应变速 率( 1 0 S 、 1 0 一 S - 1 、 1 0 s _ 1 和 1 0 S ) 下的单轴抗压试验研究, 分析了不同Mg O掺量混凝土的基本力学参数变化规律。结果表明:
2、( 1 ) 相 同应 变速率下, 随着Mg O掺量的升高, 混凝土的峰值应力和峰值应变整体上表现出升高的趋势, 并且得到混凝土的峰值 应力和峰值应变随 Mg O掺量变化的关系式; ( 2 ) 相同Mg O掺量下, 混凝土单轴受压下的峰值应变随应变速率的变化 离散 性较大; ( 3 ) 混凝 土弹性模量 随 Mg O掺 量和应 变速 率的变化 波动性较 大 ; ( 4 ) 基 于 We i b u l l 统计理论分 布的损伤 本构模型, 描述了不同Mg O掺量的混凝土损伤破坏过程, 混凝土材料的损伤发展主要有 3个阶段 : 损伤起始阶段、 损 伤发展 阶段 和损 伤破 坏失稳 阶段 。 关键词
3、 混凝土Mg O掺量力学特性应力应变曲线 中图分类号 : T U5 5 1 3 7 文献标 识码 : A D OI : 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 - 0 2 3 X 2 0 1 5 1 8 0 3 2 Re s e a r c h o n Dy na mi c Pr o p e r t i e s o f Co n c r e t e wi t h Di f f e r e n t M a g n e s i u m Oxi d e Co n t e nt ZHANG W e i p e ng ,SONG La i z h o n g ,PENG Ga n
4、 g 。,LI ANG Hui ( 1 Co l l e g e o f S c i e n c e ,C h i n a Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y ,Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2; 2 Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g& Ar c h i t e c t u r e ,Ch i n a Th r e e Go r g e s Un i v e r s i t y,Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2 ) Ab s t r a c t Th e u n
5、 i a x i a 1 c o mp r e s s i v e t e s t o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t c o n t e n t o f ma g n e s i u m o x i d e( O ,2 ,4 , 6 ,9 ,1 2 )wa s c a r r i e d o u t u n d e r d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s Th e d y n a mi c me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f d i f f e
6、r e n t ma g n e s i u m o x i d e c o n t e n t c o n c r e t e a r e a n a l y s e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t : ( 1 )wi t h t h e i n c r e a s e o f ma g n e s i u m o x i d e c o n t e n t ,t h e p e a k s t r e s s a n d p e a k s t r a i n o f c o n c r e t e s h o ws a r i s i n g t
7、 r e n d o n t h e wh o l e At t h e s a me t i me ,t h e r e l a t i o n s h i p s b e t we e n t h e p e a k s t r e s s a n d t h e c h a n g e o f t h e c o n t e n t o f ma g n e s i u m o x i d e i s o b t a i n e d,a s we l l a s t h e p e a k s t r a i n ( 2 ) W i t h t h e s a me ma g n e s
8、 i u m o x i d e c o n t e n t ,t h e p e a k s t r a i n i s d i s c r e t e wi t h s t r a i n r a t e i n c r e a s i n g ( 3 ) Th e e l a s t i c mo d u l u s s h o ws v o l a t i l e c h a n g e s wi t h ma g n e s i u m o x i d e c o n t e n t a n d s t r a i n r a t e ( 4 )Da ma g e c o n s t
9、 i t u t i v e mo d e l b a s e d o n We i b u l l s t a t i s t i c a l t h e o r y ,d e s c r i b e d t h e d a ma g e p r o c e s s o f c o n c r e t e wi t h d i f f e r e n t ma g n e s i u m o x i d e c o n t e n t ,t h e r e e x i s t s t h r e e ma i n s t a g e s : d a ma g e i n i t i a t
10、i o n s t a g e ,d a ma g e d e v e l o p me n t s t a g e a n d d a ma g e f a i l u r e s t a g e Ke y wo r d s c o n c r e t e ,ma g n e s i u m o x i d e c o n t e n t ,m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ,s t r e s s - s t r a i n c u r v e 0 引言 混凝土是脆性材料, 抗拉能力很差, 而在凝结硬化过程 中, 往往伴随着体积收缩、 干燥收缩
11、、 化学 收缩等 , 这些都可 能使混凝土内部存在很大的收缩拉应力, 严重影响大坝的安 全 , 威胁人民的生命财产。采用 Mg O混凝土 , 不仅有利于解 决大体积混凝土的开裂问题 , 而且可以实现长块、 厚层、 通仓 连续浇筑 , 降低工程造价, 简化施工工艺 , 缩短工期 , 大大加 快 施工进 度 。 目前, 关于 Mg O对混凝土温度的补偿效应的研究成果 有很多 。杨光华等_ 2 计算了氧化镁微膨胀混凝土在变温条 件下的膨胀量, 得到了变温条件下氧化镁混凝土的膨胀量。 谢莎莎等 研究 了 Mg O膨胀剂对混凝土力学性能 、 变形性 能及热学性能的影响。赵振华等 分析了 Mg O掺量对不
12、同 介质膨胀性能的影响, 得出了不 同 Mg O掺量下 3种级配混 凝土 自生体积 变形 的测 试结果 。李延波 等 研 究 了不 同 Mg O掺量混凝土在约束条件下 的抗压强度和膨胀应力 , 不 同 Mg O掺量和约束条件均对混凝土抗压强度有一定影响。 李承木l 6 进行了外掺 Mg O混凝土的基本力学与长期耐久性 能试验 , 分析了 Mg O混凝土 的力学强度 、 弹性模量、 极 限拉 伸性能。早期陈昌礼等口 研究 了 Mg O掺量对混凝 土 自生 体积变形的影响, 也进行 了外掺氧化镁混凝土的力学及变形 性能试验, 得出在相 同条件下 , 外掺氧化镁混凝土各个龄期 的力学性能指标均 比未
13、掺的高 , 氧化镁混凝土的力学性能指 *国家 自然科 学基 金( 1 1 1 7 1 1 8 1 ; 5 1 2 7 9 0 9 2 ) 张伟朋: 男, 硕士生, 主要研究方向为混凝土材料力学性能、 力学分析计算 E - ma i l : 1 3 2 4 7 2 8 4 8 9 5 1 6 3 c o m宋来忠: 通讯作者, 1 9 6 2年生, 教授, 主要从事力学计算、 计算机辅助几何设计等方面的研究E - ma i l : s l z c t g u e d u c n 不 同Mg O掺量混凝 土动态损伤特性的研究 张伟朋等 1 4 7 标均随氧化镁掺量的增加而增大 。 然而对于外掺 M
14、g O微膨胀混凝土的力学性能, 相关的 研究成果依然很 少_ 9 , 所 以本实验主要研究外掺 Mg O微 膨胀混凝土的力学性能 , 通过试验研究方式 , 得出外掺 Mg O 微膨胀混凝土的力学特性 , 重点在于发现 Mg O的掺入对混 凝土力学性能的改善作用 。 1 实验 1 1 试验材料 采用葛洲坝 4 2 5中热硅酸盐水 泥, 所用骨料为向家 坝 水电站砂石系统生产的灰岩人工骨料, 试验采用宜宾元亨粉 煤灰 , 轻烧氧化镁由江苏博特新材料有 限公司提供。采用江 苏博特新材料有限公 司生产 的 J M- C型缓凝高效减水剂、 J M- P C A( 2 ) 型高效减水剂 , 浙江龙游 z
15、1 3 - 1 G 引气 剂。根据 混凝 土配合 比参 数 以及 普 通 混凝 土配 合 比设 计规 程 ( J G J 5 5 2 0 1 1 ) , 对外掺氧化镁微膨胀混凝土的配合 比进行了 详细计算。 具体的配合 比如表 1 所示。 1 2 试验装置及测试方法 试验采用三峡大学 和长春市朝阳试验仪器有限公司联 合研制的 1 0 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, 竖向最大出力 : 动力 5 0 0 0 k N, 静力 1 0 0 0 0 k N; 侧面水 平向最大 出力 : 双 向 5 0 0 0 k N。
16、轴 向变形测量 范围 0 1 O mm, 径向变形测量 范围 0 5 mm, 位移 测量范 围 0 1 0 0 m m。 为了研究外掺 Mg O微膨胀混凝土在不同应变速率条件 下的力学 行为, 进行 了不 同 Mg O 掺量 ( 0 、 2 、 4 、 6 、 9 、 1 2 ) 的混凝 土分别在应变速率 为 1 0 S 一、 1 0 S - 。 、 1 0 S 和 1 0 S 的 昆凝土单轴压缩试验, 试件为 1 5 0 mm 立方体, 取 1 0 S 为准静态应变速率, 每种应变速率下保证 3组有效试验数据 。 表 I 混凝土配合比 Ta b l e 1 Ce me n t mi x p
17、r o p o r t i o n 2 试验结果分析 2 1 基本力学参数分析 在地震荷载作用下, 混凝土所表现 出的力学性能与静态 荷载下的力学性能不同, 其强度、 弹性模量、 峰值应变值都会 发生很大变化 。在分析大型混凝土结构受力时, 若仍采用静 态力学参数就会产生较 大误 差。因此 , 对于大型t 昆 凝 土结 构 , 利用动态力学参数推导动态本构关系就显得非常必要 。 2 1 1 峰值 应 力 试验所得的不 同应变速率下混凝土 的抗压强度如表 2 所示。为了研究外掺 Mg O微膨胀混凝 土强度与 Mg O掺量 之间的关系, 对不 同应变速率下 的不同 Mg O掺量与混凝土 峰值应力的
18、关系进行了二项式拟合, 拟合结果如图 1 以及表 3所 示 。 从表 2 和图 1 可以看出, 随着 Mg O掺量的升高, 混凝土 的抗压强度值呈现出升高 的趋势, 相同应变速率下 , 混凝土 的峰值应力与 Mg O掺量表现为二次关系。但 当 Mg O掺量 达到了 1 2 时, ? 昆 凝土的极限抗压强度出现一定 的降低 。经 过分析可知 , 混凝土的搅拌过程中, 特定条件下制备 的 Mg O 具有延迟膨胀特性 , 可以有效地补偿大体积混凝土后期长时 间的温降收缩, 防止混凝土温度应力引起的开裂破坏 。然而 当 Mg O的掺量达到一定程度时, 其微膨胀补偿效应超过 了 混凝土的温降收缩效应,
19、导致混凝土的强度出现一定程度的 降低 。 表 2 不同应变速率下混凝土极限抗压强度【 MP a ) Ta b l e 2 Th 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 nc r e t e u n d e r d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s ( M P a ) 随着应变速率的升高, 混凝土的极限抗压强度 出现一定 的增长 , 但是这种增长趋势表现 出一定 的离散 性。在 1 0 S 一 的低应变速率下, 混凝土的强度比 1 0 S _ 1 的条件下相对 要高。 经
20、分析造成这种现象的主要原因是 , 普通混凝土的极 限 抗压强度有较为明显 的率效应, 即随着应变速率的升高 , ? 昆 凝土的极限抗压强度值出现一定 的升高 。应变速率较低 时, 昆 凝土破坏裂纹主要沿强度较弱 的过渡区扩展 , 过渡区和基 1 4 8 材料导报 B: 研究篇 2 0 1 5年 9月( 下) 第 2 9卷第 9 期 体强度决定混凝土的层裂强度; 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 土层裂强度 。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。 2 1 2 峰值应变 不同应变速率下混凝土峰值应变
21、 , 如表 4所示 。 表 3 拟合曲线的参数表 Ta b l e 3 Pa r a me t e r t a b l e o f t h e f i t t i n g c u r v e 表 4 不同应变速率下混凝土峰值应变值 所示。 Ta b l e 4 The p e a k s t r a i n 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 a i n r a t e s 为了研究外掺 Mg O微膨胀混凝土变形与 Mg O掺量之 间的关系, 对相同应变速率下, 不同 Mg O掺量与混凝土峰值 应变的关系进行 了二次拟合,
22、 其拟合结果见图 2 和表 5 。相 同 Mg O掺量下, 混凝土峰值应变与应变速率的关系, 如图 3 星 磐 图 1 不 同应变速率下峰值应力随 Mg O掺量变化图 Fi g 1 Th e p e a r s t r e c h a n g e wi t h t h e c o n t e n t o f M g O u n d e r d i f f e r e n t s t r a i n r a t e s 表 5 拟合曲线的参数表 Ta b l e 5 Pa r a me t e r t a b l e o f t h e f i t t i n g c u r v e 由图 2
23、、 图 3 和表 4 可知: 当 Mg O掺量为 0 、 2 时, 应变 速率从 1 0 S 一 1 增至 1 0 S 时 , 混凝土的峰值应变出现一定 幅度的降低 , 降低 的幅值分别为 1 5 6 5 、 1 1 8 6 。应变速 率从 1 0 S - 1 增至 1 0 S 1时 , 混凝土的峰值应变出现增长, 增长的幅度分别为 5 4 4 1 、 3 2 2 o 。应变速率从 1 0 s 增至 1 0 S 时 , 混凝土的峰值应变又出现回落, 降低的幅度 分别为 2 6 O 2 、 1 6 3 7 。当 Mg O掺量为 4 、 6 0A时, 应变 速率从 1 0 S - 1 增至 1 0
24、 S 时 , 混凝土的峰值应变出现一定 幅度的增长 , 增长 的幅值分别为 7 O 2 4 、 5 6 2 2 。应变速 率从 1 0 S - 1 增至 1 0 S 时, 混凝土的峰值应变 出现了增 长, 增长的幅度分别为 1 6 5 8 、 3 2 2 O 。应变速率从 l O S - I 增至 1 0 S 时 , 混凝土的峰值应变又出现回落, 降低的 幅度分别为 2 6 O 2 、 1 6 3 7 。 磐 M g O 掺量, 图 2 峰值应变与 Mg o掺量的关系 Fi g 2 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n p e a k s t r
25、a i n a n d Mg O c o n t e n t 不同 Mg O掺量混凝土动态损伤特性的研 究 张伟朋等 1 4 9 图 3 峰值应变随应变速率的变化 Fi g 3 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n p e a k s t r a i n a n d s t r a i n r a t e s 2 1 3 弹性模 量 弹性模量是衡量 材料变形 性能 的主要指标 , 采用 : ( O 3 O 5 ) -厂 c 时的斜率代替初始切线模 量作 为混凝土 的弹 性模量 , 其取值见表 6 。 表 6 不同应变速率下混凝土弹性模量( GP a
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